DE10042194B4

DE10042194B4 - Wärmereflektierendes Schichtsystem für transparente Substrate und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10042194B4
Application number: DE2000142194
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Frank; Carsten Ruppe; Bernhard Dr.rer.nat. Söder
Original assignee: Arcon Flachglas Veredlung GmbH and Co
Current assignee: Arcon Flachglas Veredlung GmbH and Co
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: DE10042194A1

Abstract

Die Vielzahl der bekannten Schichtsysteme aus den verschiedensten Schichtmaterialien und Schichtdicken weisen prinzipiell einen bedeutenden Mangel auf, dass insbesondere bei der Weiterverarbeitung der beschichteten Glasscheiben Schichtspannungen auftreten, die ein Delaminieren der Schichten hervorrufen. Erfindungsgemäß wird mindestens eine Schicht als Gradientenschicht aus mindestens zwei Materialien ausgeführt. Dabei ändern sich die Anteile der Materialien kontinuierlich und/oder diskontinuierlich. Das Schichtsystem besteht aus Grund-, Reflexions- und Deckschichten. Das Aufbringen der Schichten erfolgt im Vakuum, vorzugsweise durch Sputtern. Derartig beschichtete Glasscheiben werden vorzugsweise zur Verglasung von Fenstern verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, welches hochtransparent und niederreflektierend ist und auf transparenten Substraten, vorzugsweise Floatglas, als Sonnenschutz und zur Wärmedämmung dient. Derartige Schichtsysteme dienen insbesondere zur Verglasung von Fenstern und sollen farblich neutral wirken.
Es sind eine Vielzahl von Schichtsystemen bekannt, die aus der Kombination von Metall-, Metalloxid- und Metallnitridschichten bestehen. Dabei kommen die verschiedensten Metalle und Metallverbindungen zum Einsatz. Ebenso ist die Anzahl der Schichten und deren Dicke sehr unterschiedlich. Eine in jedem Schichtsystem mindestens einmal erforderliche Schicht ist die Reflexionsschicht, die meist aus Au, Ag oder Cu ist. Weiterhin ist eine Entspiegelungsschicht vorhanden. Die Reflexionsschicht, auch Funktionsschicht genannt, ist in weiteren Schichten, vorzugsweise Oxidschichten, eingebettet. Diese Schichten, als Deck- und Unterschicht bezeichnet, bestehen aus Metalloxiden, zum Beispiel Oxiden der Metalle Zn, Sn, Ti, Bi, Al, In-Sn, wie beispielsweise aus den Druckschriften DE 39 41 026 C2 und DE 39 41 027 C2 bekannt ist.
Es ist weiterhin bekannt, zum Schutz der Ag-Schicht auf dieser eine Blockerschicht, auch Opferschicht genannt, aufzubringen, um diese vor der unerwünschten Oxidation zu schützen. Dies geht beispielsweise aus den Druckschriften DE 38 86 474 T2 und EP 0 233 003 B1 hervor.
Aus der Druckschrift DE 38 86 474 T2 geht ferner hervor, eine Sperrschicht aus zwei verschiedenen Metallen durch gleichzeitiges Zerstäuben von zwei oder mehr verschiedenen Metalltargets oder durch Zerstäuben von einem Target, das aus einer Legierung von zwei oder mehr Metallen hergestellt ist, aufzubringen. Die Zusammensetzung der auf diese Weise erzeugten Mischschicht kann durch eine Variation der Herstellungsparameter variiert werden, wobei die Sperrschicht aber jeweils in sich homogen ist und keinen kontinuierlichen Materialübergang aufweist.
Es ist weiterhin bekannt, zur Verbesserung der optischen Eigenschaften des Schichtsystems, vorzugsweise der Transmission im sichtbaren Bereich, zu beiden Seiten der Funktionsschicht dielektrische Schichten anzuordnen, wobei die auf der Funktionsschicht aufgebrachte erste Schicht die Aufgabe der Entspiegelung hat. Dabei besteht die Gefahr, dass es zur Diffusion des Ag in die Entspiegelungsschicht, und der Diffusion von Komponenten der Entspiegelungsschicht in die Ag-Schicht kommt. Dadurch wird das Reflexionsvermögen für die Wärmestrahlen und die Transmission im sichtbaren Bereich des Schichtsystems verschlechtert. Zur Beseitigung dieses Mangels ist es bekannt, unmittelbar auf der Funktionsschicht eine Blockerschicht, vorzugsweise aus TiO_x aufzubringen.
Alle Schichtsysteme haben mehr oder weniger wirksam den Nachteil, dass die Adhäsionskräfte zwischen den einzelnen Schichten durch thermische und intrinsische Schichtspannungen, durch die Härte der Schichten und den Reibungswiderstand der Oberflächen die mechanische Beständigkeit des Schichtsystems, die von außerordentlicher Bedeutung ist, sich negativ auswirken. Selbst durch die Vielzahl der von der Fachwelt praktizierten Schichtkombinationen, verwendeten Materialien und Verfahren des Aufbringens der Schichten ist es bisher noch nicht gelungen, diesen genannten Mangel zu beseitigen.
Es ist bekannt, das Aufbringen der Schichten durch Aufstäuben, auch Sputtern genannt, im Vakuum durchzuführen. Wenn auch dieses Verfahren viele Vorteile bietet, so ist es nicht zu verhindern, dass zwischen den aufgebrachten Schichten Grenzflächen entstehen. Diese entstehen besonders bei geringen Oberflächenrauhigkeiten und führen zu einem abrupten Übergang zwischen den jeweiligen Schichten. Diese ausgebildeten Übergangsschichten haben eine Dicke von nur 0,2 nm bis 0,5 nm. Durch die mechanische und thermische Belastung bei der Weiterverarbeitung der beschichteten Glasscheiben treten Schichtspannungen auf, die zum Delaminieren der Schichten führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein wärmestrahlenreflektierendes Schichtsystem für transparente Substrate, insbesondere Floatglas zu schaffen, welches hochtransparent für Sonnenlicht ist, Wärmestrahlung in hohem Maße reflektiert, farbneutral, mechanisch beständig und weiterverarbeitbar ist, ohne das Schichtsystem in seiner Qualität zu beeinflussen. Bei der Herstellung soll bevorzugt das bekannte und bewährte Sputtern im Vakuum Anwendung finden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Schichtsystems sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems erfolgt nach Anspruch 8 und dessen weitere Ausgestaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 12.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem besitzt, was Voraussetzung für die optischen Eigenschaften ist, mindestens eine Metall schicht als Reflexionsschicht, mindestens eine Blockerschicht, sowie mindestens eine aus mehreren Teilschichten bestehende Grundschicht zwischen dem Substrat und der Reflexionsschicht und über der Reflexionsschicht eine aus mehreren Teilschichten bestehende Deckschicht, die sowohl als mechanischer Schutz dient, als auch andere bekannte Aufgaben erfüllt, sowie der Entspiegelung dient. Dabei ist mindestens eine Teilschicht der Grund- oder Deckschicht als kontinuierliche Gradientenschicht ausgebildet. Es ist auch möglich und bekannt, dass sich innerhalb des Schichtsystems bestimmte Gruppen von Schichten, wie zum Beispiel Funktionsschicht und Blockerschicht wiederholen.
Es wurde gefunden, dass die auftretenden Schichtspannungen zwischen den einzelnen Schichten nicht zur Delamination führen, wenn zwischen den einzelnen Schichten beziehungsweise den Materialien ein kontinuierlicher Übergang erfolgt. Die Konzentration des Materials der unteren Schicht nimmt erfindungsgemäß während des Wachstums der Schicht ab und gleichzeitig nimmt die Konzentration des Materials der darauf folgenden Schicht zu. Es entsteht eine sogenannte Gradientenschicht. Dadurch entsteht keine definierte Grenzfläche, und damit ist es letztendlich eine Schicht.
Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, mindestens eine Schicht des Systems als Gradientenschicht auszuführen, wobei die metallische Funktionsschicht, die vorzugsweise aus Ag ist, keine Gradientenschicht ist. Zur optimalen Entspiegelung der Ag-Schicht werden bekannterweise hochbrechende Materialien verwendet (n = 2,3 bis 2,5). Dazu wird in der Grundschicht vorzugsweise Nb₂O₅ eingesetzt. Über der TiO₂-Schicht wird eine ZnO-Schicht aufgebracht, welche ein homogeneres Aufwachsen der Ag-Schicht gewährleistet. Dadurch wird das Entstehen einer Grenzfläche verhindert.
Es ist weiterhin vorteilhaft, die Deckschichten als eine Gradientenschicht, vorzugsweise aus Oxiden der Metalle Sn, Zn, Ti, Si, Nb, Hf, In, Al, Ta, Ni, Cr, Y, Zr, Bi oder Nitriden von Ti oder Si herzustellen.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem wird am zweckmäßigsten dadurch hergestellt, indem die einzelnen Schichten durch Sputtern in an sich bekannten Vakuum-Beschichtungsanlagen in Vakuumfolge aufgebracht werden. Das Verfahren ermöglicht auf eine exakt definierbare Weise den kontinuierlichen Übergang vom einen Schichtmaterial zum anderen zu realisieren. Das Sputtern kann nach diesen Verfahren durch die bekannte Steuerung des Einlasses von Reaktivgas zur Erzeugung der Oxidschichten und der erforderlichen Materialzufuhr zur Gradientenbildung erfolgen. Im erforderlichen Fall können auf gleiche Weise auch Nitridschichten erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist das Aufbringen der Schichten durch Mittelfrequenzsputtern. Es ist sowohl das unipolare als auch das bipolare Sputtern möglich. Bei letzterem Verfahren ist es vorteilhaft, je eine Kathode der Sputterquelle mit dem jeweiligen Schichtmaterial zu bestücken.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung beschrieben.
Die zugehörige 1 zeigt ein Schichtsystem mit einer Grundschicht als Gradientenschicht.
In 1 ist auf einem Substrat 1 aus einem im sichtbaren Spektralbereich transparenten Material – Floatglas – eine Grundschicht 2 als eine kontinuierlich verlaufende Gradientenschicht aus Nb₂O₅ und TiO₂ aufgebracht. Das Aufbringen der Grundschicht 2 durch Sputtern erfolgt derart, dass mit dem Sputtern von Nb₂O₅ begonnen wird und bei zunehmender Schichtdicke die Konzentration von Nb₂O₅ kontinuierlich abnimmt und im gleichen Maße die Konzentration von TiO₂ zunimmt, bis am Ende der Schichtdicke nur noch TiO₂ aufgesputtert wird. Darauf wird eine weitere Grundschicht aus ZnO aufgebracht. Auf dieser Grundschicht 3 wird wie bekannt eine Reflexionsschicht 4 aus Ag, und darauf eine Blockerschicht 5 aus TiO_x aufgebracht. Anschließend werden drei Deckschichten 6, 7, 8 aus dem üblichen Material in der Reihenfolge ZnO, TiO₂, SnO₂ aufgebracht. Durch die Grundschicht 2 als Gradientenschicht wird die Grenzschicht zwischen Nb₂O₅ und TiO₂ eliminiert. Es entsteht eine optimal farbneutrale Entspiegelung der Reflexionsschicht 4 und das Schichtsystem wirkt in seiner Durchsicht und Reflexion farbneutral.

Für ein erfindungsgemäßes Schichtsystem sind folgende Schichtmaterialien und Schichtdicken vorteilhaft.

Schicht Nr.	Schichtart	Schichtmaterial	Schichtdicke
2	Grundschicht	Nb₂O₅/TiO₂	2 bis 50 nm
3	Grundschicht	ZnO	2 bis 30 nm
4	Reflexionsschicht	Ag	5 bis 20 nm
5	Blockerschicht	TiO_x	1 bis 10 nm
6	Deckschicht	ZnO	2 bis 30 nm
7	Deckschicht	TiO₂	2 bis 10 nm
8	Deckschicht	SnO₂	10 bis 50 nm

Der gesamte Beschichtungsprozess wird zweckmäßig durch Sputtern ausgeführt. Die einzelnen Verfahrensschritte werden in einer bekannten Durchlaufanlage ausgeführt. In den einzelnen Stationen der Anlage ist mit den bekannten Mitteln und einer zugehörigen Steuerung die Möglichkeit, durch gezielten Gaseinlass in Verbindung mit der Steuerung der Zuführung des zerstäubten Materials reproduzierbar Gradientenschichten hoher Qualität, d. h. optischer Eigenschaften herzustellen.
Vorteilhaft ist hierbei, die Gradientenschichten durch Mittelfrequenz-Sputtern zu erzeugen.

Claims

Wärmereflektierendes Schichtsystem für transparente Substrate, bestehend aus: – mindestens einer aus mehreren Teilschichten bestehenden Grundschicht aus Oxiden von Ti, Nb, Sn, Zn, Hf, In, Ta, Zr, Bi oder aus einem Nitrid oder Oxinitrid von Ti oder Si, – mindestens einer Reflexionsschicht aus Ag, Au oder Cu, – mindestens einer Blockerschicht, – mindestens einer aus mehreren Teilschichten bestehenden Deckschicht aus Oxiden von Sn, Zn, Ti, Si, Nb, Hf, In, Al, Ta, Ni, Cr, Y, Zr, Bi oder einem Nitrid oder Oxinitrid von Ti oder Si, wobei mindestens eine Teilschicht der Grund- und/oder Deckschicht als kontinuierliche Gradientenschicht ausgebildet ist.
Wärmereflektierendes Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Materials der zuerst aufzubringenden Schicht von 100% über die Schichtdicke kontinuierlich auf 0% reduziert ist und im gleichen Maße der Anteil des Materials der folgenden Schicht kontinuierlich von 0% auf 100% ansteigt.
Wärmereflektierendes Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung einer Schicht als Gradientenschicht innerhalb der Schichtdicke derart erfolgt, dass am Anfang und/oder am Ende der Schicht von einer definierten Dicke das Material an der jeweils unteren und/oder oberen Schicht über eine bestimmte Dicke zu 100% aufgebracht ist.
Wärmereflektierendes Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Ausbildung einer Gradientenschicht sich über die Dicke der Schicht mehrfach wiederholt.
Wärmereflektierendes Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (2) aus einer Materialkombination aus Nb₂O₅ und TiO₂ ist.
Wärmereflektierendes Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundschicht (2) auf dem Substrat aus Nb₂O₅ ist.
Wärmereflektierendes Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass sich die Schichten innerhalb des gesamten Schichtsystems mehrfach wiederholen.
Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems nach Anspruch 1, in dem die Schichten in Vakuumfolge durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht werden, wobei die Zufuhr des für den Prozess erforderlichen Gases und des Schichtmaterials derart geregelt wird, dass in einem definierten Bereich die Gradientenschicht mit dem entsprechenden Anteil der Materialien entsteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Mittelfrequenzsputtern aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten unipolar oder bipolar aufgesputtert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der bipolaren Erzeugung einer Gradientenschicht je eine Katode oder Sputterquelle mit dem jeweiligen Material, aus dem sich die Gradientenschicht zusammensetzt, bestückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten nach unterschiedlichen Verfahren aufgebracht werden.