CN102165088A - 用于制造基片上的层系统的方法及层系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造在介电基片(12)上的层系统的方法，其中用涂镀步骤(110)将金属层(14)施加于基片(12)上，并随后用另一涂镀步骤(140)将另一层(24)以预定的厚度施加于基片上，其中所述金属层(14)具有＞10MOhm的方块电阻以及＞50％的平均反射率，当另一层(24)用另一涂镀步骤(140)以同样的层厚度施加于基片(12)上时，其具有＜1MOhm的方块电阻，并且由金属层(14)和另一层(24)组成的层系统(10)具有＞10MOhm的方块电阻。此外，本发明涉及介电基片(12)上的层系统，其中用涂镀步骤(110)将金属层(14)施加于基片(12)上，并随后用另一涂镀步骤(140)将另一层(24)以预定的厚度施加于基片上，其中所述金属层(14)具有＞10MOhm的方块电阻以及＞50％的平均反射率，当另一层(24)用另一涂镀步骤(140)以同样的层厚度施加于基片(12)上时，其具有＜1MOhm的方块电阻，并且由金属层(14)和另一层(24)组成的层系统(10)具有＞10MOhm的方块电阻。外壳可配备有根据本发明的层系统。

Description

用于制造基片上的层系统的方法及层系统
本发明涉及制造基片上的层系统的方法，以及基片上的层系统，分别与独立权利要求的上位概念相对应。此外，本发明涉及用于电子设备的具有层系统的外壳。
介电基片的金属涂覆，例如借助真空金属涂覆，一段时间以来已经众所周知。作为真空金属涂覆的方法例如可以使用热蒸汽法或阴极溅射(溅射)。
最近，于第4,431,711号美国专利进一步获悉，例如铟(In)或锡(Sn)在真空金属涂覆时可以首先在小岛生长区生长。这时，这些金属的薄层由相互没有电子接触的小岛组成。这些层具有金属的光学特性-一些金属光泽——而不导电，并且因此可以是不易受电化学腐蚀机制影响的。
作为不导电的、真空金属涂覆的层(非导电真空金属层，NCVM层)被理解为由金属或金属合金组成的层，所述层通过真空涂镀的方法来制造，并且优选地在大约400MHz和大约5GHz之间的频率范围内不具有明显的反射。
近几年公开了一种NCVM层的新应用领域：例如用于具有无线通讯功能的移动设备外壳，例如移动电话、电子笔记本、GPS定位装置、雷达距离探测设备。这些外壳一方面应该呈现金属光泽，另一方面对内部设置的天线提供几乎无干扰的环境。导电的金属层在通常大约400MHz至大约5GHz频率范围至少部分地反射无线电波，并且因此导致不期望的发射以及接收的损失。因此，这样的外壳不配备导电的金属层而配备NCVM层。
因为NCVM层的高频特性仅使用昂贵的测量方法来检测，经常以用简单测量仪(例如手动万用表)还能恰好测量的方块直流电电阻作为标准，例如20MOhm/□或1GOhm/□的数值。方块电阻ρ□是具有以等值的电阻率ρ除以层的厚度d来定义的：
根据ρ□＝ρ/d
层的方块电阻可以借助四点法或Van-der-Pauw法来测量。以下方块电阻将用简化的书写方式以Ohm为单位给出。
用于金属反射镜的彩色层系统可以以不同方式实现：
·-具有部分吸收的高折射率层的反射镜，以氮化物、碳氮化物、
氧化物和不同化学计量的它们的衍生物处理
·-具有介电层以及半穿透反射层的反射镜。
这样的层系统通常是导电的。
此外，由以从高到低折射率排列的介电层组成的彩色干扰层系统是众所周知的。这种层系统的缺点是，产生的色觉十分敏感地依赖于层厚度的变化。
由文件JP 05 065 650A获悉用嵌入的金属颗粒制造的介电层，而这种方法的缺点是制造工艺复杂。
金属外观的、单色的层也可以通过涂漆系统涂覆。这有一些缺点。因为例如经常由高达60％的高浸出率损失而造成涂漆瑕疵。此外，通常需要多层漆层(彩漆、清硬漆)，这造成了额外的费用。
本发明的任务是，提供具有金属外观和在无线频率范围具有透射性的不导电的层系统供使用。
所述任务通过独立权利要求的技术特征来解决。本发明优选的实施方案是从从属权利要求中摘引的。
在根据本发明按照权利要求1的制造在介电基片上的层系统方法中，以涂镀步骤将金属层施加于基片上，并随后以另一涂镀步骤将另一层以预定的层厚度施加于基片上，其中所述金属层具有＞10MOh的方块电阻以及＞50％的平均反射率。想要的是，当另一层用另一涂镀步骤以同样的厚度施加于基片上时，其具有＜1MOhm的方块电阻，并且所述由金属层和另一层组成的层系统具有＞10MOhm的方块电阻。
在上文中，介电基片是指由介电材料构成的基片，其中所述基片也可以包括部分介电层，用涂镀步骤在其上施加金属层。金属层是指该层的材料由金属或金属合金构成。所述第一和/或第二涂镀步骤可以各自包括子步骤。
根据本发明可以通过施加另一层来产生例如具有彩色效果的不导电层系统。此外，另一层可以确保机械保护，或者可以起到调节特定的表面性质的作用，而不使层系统丧失高频率透射性。本发明从不导电金属层具有由金属小岛构成的结构这一理解出发。根据本发明将这样的层作为另一涂镀的层系统的基础来使用，其中小岛的陡缘遮住在至少部分涂镀流体前方的小岛之间的范围。随后，之后施加的层也具有小岛结构，并且也是不导电的以及至少在400MHz至5GHz的范围无线频率(RF)透射的。
不言而喻，根据本发明也可以将更多的层施加在金属层上，其中由金属层和其它层组成的层系统具有＞10MOhm的方块电阻。与此同时，这些分别以相应的涂镀方法以同样的层厚度施加于基片上的另外的层，都具有＜1MOhm的方块电阻。
优选地，所述金属层是NCVM层，也通过真空法来施加。所述金属层可以通过PCD方法(例如蒸汽、溅射或者两者的组合)或者通过PECVD法来施加。所述另一层优选地也用真空法，特别是用反应PCD法或者PECVD法来施加。在使用真空法时是有优势的，可以避免通过现有技术应用的彩色涂漆出现的浸出率损失。
用这种方法可以有利地以简单的方式制造具有不同厚度的层系统。由金属层和另一层组成的层系统(例如在锡层上涂镀TixNy层)的总厚度，优选地处于100nm和400nm之间。金属层的厚度可以在30nm至100nm之间的范围，优选地在50nm。另一层优选地具有＞20nm和＜300nm的厚度。
用根据本发明的方法，可以有利地制造具有不同色觉的基片的层系统。为了描述色觉的性质，可以实行L*a*b*-颜色系统。由CIE-委员会开发的用于心理物理学的颜色刺激详细说明的标准系统L*a*b*-颜色系统(Commision Internationale de Leclairage，Publication CIE No.15.2，Colorimetry，2nd.，Central Bureau of the CIE，Vienna 1986)例如在ASTM Designation308-01(Standard Practice fbr Computing the Colors of Objects by Using the CIE System，November 2001)中予以描述，并且是基于人的感觉特性的。
根据本发明，在具有施加的层系统的基片色觉和没有层系统的基片色觉之间，优选地具有ΔE*＝[(L*s-L*)2+(a*s-a*)2+(b*s-b*)2]1/2＞2.0的色差，其中层系统的色觉为F层＝(L*s，a*s，b*s)并且基片的色觉为F＝(L*，a*，b*)。L*是亮度的数值，a*是用于红色-绿色色觉的数值，b*是用于黄色-蓝色色觉的数值。就此所述色觉可以依赖于另一层的厚度而变化。
根据本发明按照权利要求9的层系统是施加于介电基片上的，并且以涂镀步骤将金属层施加于基片上，并随后用另一涂镀步骤将另一层以预定的层厚度施加于基片上，其中所述金属层具有＞10MOhm的方块电阻以及＞50％的平均反射率。所述层系统的特征在于，当另一层用另一涂镀步骤以同样的层厚度施加于基片上时，其具有＜1MOhm的方块电阻，并且由金属层和另一层组成的所述层系统具有＞10MOhm的方块电阻。
所述层系统可以通过由不导电金属层和另一不导电层组合具有新的、至今未制得的、特别彩色的设计效果。此外，可以达到更好的耐光性，因为不存在可以涉及紫外线分解的有机染料。
优选地所述金属层是NCVM层。同时优选地，所述另一层以真空法施加。
所述金属层可以至少由一种下组的元素制成：锡、铟、铅、铋、镓、铝、铈、铬或铱，或者由一种合金制成，这种合金由至少两种下组的元素构成：锡、铟、铅、铋、镓、铝、铈、铬或铱，以便可以制得对适应不同应用领域有利的具有不同特性的层。
另一层的整体材料的电阻率＜1MOhmcm，虽然所述层系统具有＞10MOhm的方块电阻。
作为用于另一层的材料优选适合金属的氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、碳氮化物或者硼化物，因为用这些物质可以相对简单地制成彩色层。
所述另一层有利地借助反应气体通过反应溅射来施加，所述反应溅射利用包括钛、锆、铈、铝、铱、铬、硅、铌或钽组中的至少一种元素，所述反应气体包括氮、碳、氧、硼组中的至少一种元素。
当层系统的平均反射率优选地在400MHz和5GHz之间的频率范围，相应小于无层系统基片的平均反射率的25％时，因此存在相对小反射的层系统。
在具有层系统的基片色觉和无层系统的基片色觉之间优选地具有色差ΔE*＝[(L*s-L*)2+(a*s-a*)2+(b*s-b*)2]1/2＞2.0。由此，所述层系统的色觉为F层＝(L*s，a*s，b*s)和所述基片的色觉为F＝(L*，a*，b*)。
本发明可以应用于制造用于彩色反射层的层系统：在基础反射镜上，如在基片和不闭合的金属层上施加一层由反应溅射的TixNy(其中，1＜x＜1.5且0.5＜y＜2)构成的层。依赖于TixNy层的正确化学计量显示光学特性(折射率和吸收)，其与TixNy层的层厚度和位于其下的金属层的光学特性一起确定所述层系统的反射色彩。所述层系统可以具有金属外观，因为反射足够的光，虽然所述金属层是很薄的。
层系统的另外优势符合已经予以描述的根据本发明方法的优势。
根据本发明按照权利要求17的具有用作介电基片的外壳体和根据本发明施加的基片上的层系统的外壳，所述介电基片包含介电材料，优选聚碳酸酯。
由于大的方块电阻的原因，所述外壳对在400MHz和5GHz之间的高频射线透射，但仍然具有金属的、以及彩色的外观。此外，倘若基片材料是由合成材料构成，例如聚碳酸酯，那么所述外壳是轻的。
另一方面，根据本发明的方法和层系统的优点和特性由下述实施方案和图例的附图得出。
显示：
图1为示例性层系统的示意图。
图2为在a*-b*-平面上的L*a*b*-颜色空间项目中，可调节颜色的TixNy层的层厚度的投影图。
图3为根据本发明方法的一般流程示意图。
在图1中，显示了施加在介电基片12上的层系统10的示意图。所述基片12优选地由介电材料制成，特别是由合成材料制成。所述基片12特别优选地由聚碳酸酯制成。所述基片12可以是外壳体，例如用于移动电话、笔记本电脑或者其它电气或电子仪器的外壳体，或者外壳的一部分。显然，所述外壳也可以是用于固定装置的。
直接施加在基片12上的层14具有小岛16，其包含金属元素或金属合金。所述小岛16由基片12上未闭合的金属层构成。在小岛16之间形成凹陷22。所述金属层具有＞10MOhm的方块电阻。
在上述的金属层14上施加另一层24，优选也借助真空法。所述另一层24也具有小岛20，以便在另一层24也形成未闭合的层。因此不形成用于导电运转的连续路径。因此所述另一层24是不导电的，并且对于在400MHz至5GHz区域的高频射线透射的。平均反射率优选地高于50％。
当将所述另一层24施加在基片14上时，其具有＜1MOhm的方块电阻。
另一层24材料具体的体积电阻小于1MOhm。所述另一层24由金属或金属合金与反应气体制得。使用的一般的金属是钛，其中作为反应气体使用的是氮气，并且优选地按照化学计量学形成钛-氮层。但也可以使用其它可以形成氧化物、氮化物或氧氮化物、碳化物或硼化物的金属。
优选地通过透明的、抗磨的漆来保护由金属层14和另一层24组成的层系统。这在图1中未显示。
具有施加的层系统10的基片12与没有层系统的基片12可以具有色差ΔE*＝[(L*s-L*)2+(a*s-a*)2+(b*s-b*)2]1/2，ΔE*优选大于2。此处，所述层系统的色觉为F层＝(L*s，a*s，b*s)和所述基片的色觉为F＝(L*，a*，b*)。
所述方法也可以包括基片12和具有金属层14的基片的预处理步骤和/或清洁步骤。这种清洁方法和/或预处理方法可以是等离子预处理。由此，所述基片12将通过等离子清洁，并且随后活化金属层14为了更好的粘附。
用于制造层系统的方法实施例：
以下描述了制造由锡构成的金属层14和由钛-氮化物(Sn/TixNy，其中1＜x＜1.5和0.5＜y＜2)构成的另一层24的方法。将基片放入涂镀装置(例如Anmelderin的AluMet 900H)的真空室中。将锡颗粒装入钼螺旋体。将基片置于固定在涂镀托架处的样本支架。将层托架移到真空室。真空室抽真空至5×10-3Pa。
旋转样本支架，其中在基片表面上对锡颗粒蒸发的气流进行螺旋加热。这时，基片表面被设置在具有锡颗粒的加热螺旋体对面。蒸发的锡颗粒在基片表面凝结成锡层。锡层的厚度一般为35nm。施加的层是有金属光泽的，具有大约1.5的光学密度。这相当于大约3％的剩余透射。此外，所述金属层14具有在可见光范围60％至70％的反射率，以及大于10MOhm的方块电阻。当涂镀过程结束时，对真空室进行通风，并且取出具有金属层14的基片。
在随后的方法步骤中，把具有金属层14的基片12装入涂镀装置，例如Anmelderin的Topaz-反应-溅射装置。在真空室中的工艺压强为2×10-3Pa。在110sccm氩气和200sccm氮气的溅射环境下，以15kW的功率溅射钛靶。这时同时以500W灼烧40kHz的等离子用于支持氮化反应。
表1：溅射的TixNy层的颜色和电阻
Figure BPA00001331765700061
表1显示了，在位于玻璃基片上的不导电的锡层之上的TixNy层颜色坐标L*、a*和b*与溅射时间(秒)和产生的厚度(nm)的关系。颜色坐标L*表示亮度，a*表示红-绿色差，b*表示黄-蓝色差。
在右列中分别以MOhm为单位给出了测量的方块电阻R。在不导电金属层上，TixNy层具有20和110nm之间厚度，且具有＞10MOhm的电阻。
表1的最后一行显示了，与用同样工艺参数和同样180s操作时间施加在玻璃基片上的大约80nm厚的TixNy层的值相比，其中测量出方块电阻为0.03MOhm。
在测量时，用CIE标准亮度，优选用D65和2°或10°观察器来确定色觉。用于测量光谱反射率可以使用例如X-Rite Inc.公司的颜色测量仪(430044thStreet SE，Grand Rapids，MI，49512USA)型号SP60。
图2举例显示了与TixNy层厚度相关的颜色，在L*a*b*-颜色空间投影中在a*b*-平面作为在锡层上的厚度序列。在x轴上标明a*，在y轴上标明b*。所述层厚度分别在测量点给出。已知，从20nm至110nm的不同厚度归入不同的颜色。
图3显示了根据本发明用于制造不导电层系统方法的流程示意图。
在方法步骤100中，将基片12放入真空室，并且将真空室抽真空至压强一般为压强5×10-3Pa。
在方法步骤110中，涂镀基片，并且将未闭合的层14沉淀到基片上。
在方法步骤120中，对真空室进行通风，并从中移除具有金属层14的基片12。在方法步骤130中，将基片12放入真空室，并且将真空室抽真空至压强一般为2×10-3Pa。
在方法步骤140中，实施一层工艺用于施加另一涂镀24。
另一层24在Anmelderin试验中达到的一般厚度对于TixNy层而言在20nm至300nm之间。如果达到另一层24的期望厚度，那么将具有金属层14和另一层24的基片12在方法步骤150中从设备中移除。
同样当所述方法用于两种不同真空设备设置时，所述方法也可以在适合的真空设备中进行不停止的真空，其中，可以取消中间的装入和卸下基片。
所述方法在此可以另外包括详细实施的预处理步骤、清洁步骤和/或方法步骤。
相关名称列表
10    层系统
12    基片
14    施加的金属层
16    金属小岛
20    小岛
22    凹陷
24    另一层
100   装入基片，抽真空的真空设备
110   用金属层涂镀
120   通风并且卸下具有金属层的基片
130   装入到层设备中用以另一层
140   实施用另一层涂镀的步骤
150   通风并且卸下具有层系统的基片

Claims (17)

1.一种制造在介电基片(12)上的层系统的方法，其中，用涂镀步骤(110)将金属层(14)施加于基片(12)上，并且随后用另一涂镀步骤(140)以预定的层厚度将另一层(24)施加于基片上，其中，所述金属层(14)具有＞10MOhm的方块电阻以及＞50％的平均反射率，其特征在于，
所述另一层(24)，当其用另一涂镀步骤(140)以同样的层厚度施加于基片(12)上时，其具有＜1MOhm的方块电阻，并且所述由金属层(14)和另一层(24)组成的层系统(10)具有＞10MOhm的方块电阻。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将金属层(14)以＞30nm且＜100nm的层厚度，和/或另一层(24)以＞20nm且＜300nm的层厚度施加。
3.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述金属层(14)由至少一种下述组的元素制成：锡、铟、铅、铋、铝、铈、铬、镓或铱。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述金属层(14)由至少两种下述组的元素组成的合金制成：锡、铟、铅、铋、铝、铈、铬、镓或铱。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述金属层通过真空法，特别是PCD法或PECVD法，和/或另一层(24)通过真空法，特别是反应的PCD法或PECVD法来施加。
6.根据上述权利要求5的方法，其特征在于，所述另一层(24)借助反应气体通过反应溅射来施加，所述反应溅射利用包括钛、锆、铈、铝、铱、铬组中的至少一种元素，所述反应气体包括氮、碳、氧、硼、硅、铌、钽组中的至少一种元素。
7.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述层系统(10)的平均反射率优选地在400MHz和5GHz之间的频率范围，相应于小于无层系统(10)基片(12)平均反射率的25％。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在具有施加层系统(10)的基片(12)的色觉与没有施加层系统的基片(12)色觉之间，优选地具有ΔE*＝[(L*s-L*)2+(a*s-a*)2+(b*s-b*)2]1/2＞2.0的色差，其中层系统的色觉为F层＝(L*s，a*s，b*s)并且基片(12)的色觉为F＝(L*，a*，b*)。
9.一种在介电基片(12)上的层系统，其中，用涂镀步骤(110)将金属层(14)施加于基片(12)上，并随后用另一涂镀步骤(140)将另一层(24)以预定的层厚度施加于基片上，其中，所述金属层(14)具有＞10MOhm的方块电阻以及＞50％的平均反射率，其特征在于，
所述另一层(24)，当其用另一涂镀步骤(140)以同样的层厚度施加于基片(12)上时，其具有＜1MOhm的方块电阻，并且所述由金属层(14)和另一层(24)组成的层系统(10)具有＞10MOhm的方块电阻。
10.根据权利要求9的层系统，其特征在于，所述金属层(14)具有＞30nm且＜100nm的层厚度，和/或另一层(24)具有＞20nm且＜300nm的层厚度。
11.根据权利要求9或10的层系统，其特征在于，所述金属层(14)由至少一种下述组的元素组成：锡、铟、铅、铋、镓、铝、铈、铬或铱。
12.根据上述权利要求9至11之一的层系统，其特征在于，所述金属层(14)由至少两种下述组元素组成的合金组成：锡、铟、铅、铋、镓、铝、铈、铬或铱。
13.根据权利要求9至12之一的层系统，其特征在于，所述金属层通过真空法，特别是PCD法或PECVD法，和/或另一层(24)通过真空法，特别是反应的PCD法或PECVD法来施加。
14.根据权利要求13的层系统，其特征在于，所述另一层(24)借助反应气体通过反应溅射来施加，所述反应溅射利用包括钛、锆、铈、铝、铱、铬组中的至少一种元素，所述反应气体包括氮、碳、氧、硼、硅、铌、钽组中的至少一种元素。
15.根据上述权利要求9至14之一的层系统，其特征在于，所述层系统(10)的平均反射率优选地在400MHz和5GHz之间的频率范围，相应于小于无层系统(10)基片(12)平均反射率的25％。
16.根据上述权利要求9至15之一的层系统，其特征在于，在具有施加层系统(10)的基片(12)的色觉与没有施加层系统的基片(12)色觉之间，优选地具有ΔE*＝[(L*s-L*)2+(a*s-a*)2+(b*s-b*)2]1/2＞2.0的色差，其中层系统的色觉为F层＝(L*s，a*s，b*s)并且基片(12)的色觉为F＝(L*，a*，b*)。
17.一种具有用作介电基片的外壳体和根据权利要求9至16之一的层系统的外壳。
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