DE102012207561A1

DE102012207561A1 - IR-reflektierendes, transparentes Schichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012207561A1
Application number: DE201210207561
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-11-07

Abstract

Es wird ein Infrarotstrahlung reflektierendes transparentes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat S0 und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben, welches vom Substrat S0 aufwärts betrachtet eine Grundschichtanordnung GA mit einer dielektrischen Grundschicht GAG, einer darüber liegenden Funktionsschichtanordnung UFA mit einer metallischen Funktionsschicht UFAF und eine Deckschichtanordnung DA umfasst. Um die Materialkosten des Schichtsystems ohne Verlust in den optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften zu senken, enthält zumindest eine Funktionsschicht UFAF, MFAF, OFAF zwei Teilschichten T, von denen eine Kupfer und eine andere Silber enthält.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein wärmebehandelbares Infrarotstrahlung(IR-)reflektierendes, transparentes Schichtsystem, welches zumindest zwei metallische IR-Reflexionsschichten auf einem transparenten, dielektrischen Substrat enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems.
Funktionell ist ein IR-reflektierendes Schichtsystem, nachfolgend auch nur als Schichtsystem bezeichnet, durch seine niedrige Emissivität und damit verbundene hohe Reflektivität sowie geringe Transmission im spektralen IR-Bereich (Wellenlängen von >> 3µm) gekennzeichnet. Gleichzeitig soll eine hohe (Low-E-Schichtsysteme) oder gezielt verminderte Transmission (Low-E-Sun-Schichtsysteme) im Bereich des sichtbaren Lichts erzielt werden. Es weist somit einen steilen Abfall der Transmission und einen starken Anstieg der Reflexion im Übergang vom sichtbaren Licht zum nahen Infrarot auf. Aufgrund ihres Emissionsverhaltens werden solche Schichtsysteme allgemein als Low-E-Schichtsysteme bezeichnet.
Die Low-E-Sun-Schichtsysteme werden für Architekturverglasungen, als Sonnenschutzverglasung, dort eingesetzt, wo ein Energieeintrag durch die Verglasung überwiegt und eine geringe Energietransmission und damit verbunden eine hohe Selektivität der eingesetzten Verglasung von Vorteil ist. Demgegenüber werden die oben beschriebenen Low-E-Schichtsysteme für Verglasungen in klimatischen Regionen mit überwiegendem Energieverlust durch die Verglasung verwendet. Neben dem Aufbau und den Materialien der verschiedenen IR-reflektierenden Schichtsysteme ist auch deren Einbauort in Architekturverglasungen verschieden. Nachfolgend werden beide Arten von IR-reflektierenden Schichtensystemen vereinfacht als Schichtsystem bezeichnet und soll, soweit nichts anderes beschrieben, Low-E- und Low-E-Sun-Schichtsysteme umfassen.
Ein Schichtsystem weist zur Erzielung der beschriebenen Eigenschaften transparente und teilabsorbierende, funktionell unterscheidbare Schichtanordnungen auf.
Der Begriff der „Schichtanordnung“ umfasst wie beschrieben im Regelfall mehr als eine Schicht, schließt aber ebenso ein, dass eine Schichtanordnung nur aus einer Einzelschicht besteht, die für sich die jeweilige Funktion realisiert. Die Zuordnung einzelner Schichten zu den Schichtanordnungen ist nicht in jedem Fall eindeutig vorzunehmen, da jede Schicht sowohl auf die benachbarten Schichten als auch auf das gesamte System Einfluss hat. Allgemein erfolgt eine Zuordnung einer Schicht anhand ihrer Funktion.
Allgemein umfasst ein Schichtsystem vom Substrat aufwärts betrachtet zunächst eine Grundschichtanordnung, welche primär einen Mittler zwischen dem Substrat und der weiteren Schichtenfolge insbesondere der Haftung des Systems auf dem Glas dient. Die Schichten der Grundschichtanordnung können auch die Eigenschaften des Schichtsystems als Ganzes beeinflussen, wie z.B. der chemischen und/oder mechanischen Beständigkeit und/oder der Einstellung optischer Eigenschaften.
Über der Grundschichtanordnung folgt eine Funktionsschichtanordnung, welche die IR-Reflexionsschicht umfasst sowie optional weitere Schichten, welche diese Funktion unterstützen und die Beeinflussung deren optischen, chemischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften ermöglichen oder der Haftung dienen. Solche ergänzenden Schichten sind z.B. wie Blocker-, Keim- oder Interfaceschichten, die der Abscheidung und/oder der Einstellung elektrischer und optischer Eigenschaften benachbarter Schicht dienen. Bei geeigneter Materialwahl können mehrere der Funktionen durch eine Schicht realisiert werden. So kann die Anordnung einer unteren Blockerschicht dazu führen, dass eine darunter liegende Keimschicht entfällt.
Die hohe Reflexion im IR-Bereich wird für die genannten Schichtsysteme allgemein durch ein oder mehrere metallische IR-Reflexionsschichten erzielt. In der Regel wird die oben beschriebene Flanke im spektralen Transmissions- und Reflexionsverhalten mit steigender Zahl der IR-Reflexionsschichten steiler, d.h. die Selektivität steigt, weshalb zunehmend Schichtsysteme mit zwei oder mehr IR-Reflexionsschichten verwendet werden.
Zur Herstellung von niedrig emittierenden Schichtsystemen für Architekturglasanwendungen wird in der Regel reines Silber oder Silberlegierungen für die IR-Reflexionsschicht verwendet. Dieses Material hat schon bei geringen Schichtdicken besonders im Infrarotbereich eine hohe Reflexion, verbunden mit einer geringen Absorption im sichtbaren Spektralbereich des Lichtes. Als Nachteil ist aber der sehr hohe und stetig steigende Preis für Silber zu nennen. Ein einfaches Low-E Schichtsystem enthält üblicherweise eine etwa 10–15nm dicke Silberschicht. In Mehrfach-Low-E Schichtsystemen mit verbesserten thermischen Eigenschaften, wie z.B. niedrigerer Emissivität, einem geringerem g-Wert oder erhöhter Selektivität, multiplizieren sich die Gesamtsilberdicke in etwa mit der Anzahl der Silberschichten und damit auch die Materialkosten. Die Silberkosten machen dabei den Hauptteil der Materialkosten bei der Herstellung von solchen Schichtsystemen aus.
Häufig treten im Verlauf der Herstellung des Schichtsystems verschiedene Temperaturbelastungen in bereits aufgebrachten Schichtenfolgen auf, die durch einen mit der Abscheidung verbundenen Energieeintrag oder verschiedene Behandlungsschritte abgeschiedener Schichten bedingt sind. Darüber hinaus werden IR-reflektierende Schichtsysteme zur Härtung und/oder Verformung des Substrates auch Temperprozessen unterzogen. In diesem Fall weisen sie eine solche Schichtenfolge mit solchen Schichteigenschaften auf, die es erlauben, ein das Schichtsystem tragendes Substrat einer Wärmebehandlung zu unterziehen und dabei auftretende Änderungen der optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften des Schichtsystems innerhalb definierter Grenzen zu halten. Je nach Anwendung eines beschichteten Substrates ist dessen Schichtsystem im Temperprozess in unterschiedlichen Zeitregimes unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt.
Aufgrund solcher Temperaturbelastungen kommt es zu verschiedenen, das Reflexionsvermögen der IR-Reflexionsschicht und die Transmission des Schichtsystems ändernden Vorgängen, insbesondere zur Diffusion von Komponenten des Substrats oder der Entspiegelungsschicht in die IR-Reflexionsschicht und umgekehrt und infolge dessen zu Oxidationsprozessen in der IR-Reflexionsschicht.
Zur Vermeidung solcher Diffusions- und Oxidationsvorgänge wird ein- oder beidseitig der IR-Reflexionsschicht eine Blockerschicht eingefügt, die als Puffer für die diffundierenden Komponenten dient. Diese Blockerschichten sind entsprechend der auftretenden Temperaturbelastung strukturiert und angeordnet und schützen die empfindliche oft sehr dünne IR-Reflexionsschicht oder die IR-Reflexionsschichten vor dem Einfluss benachbarter Schichten. Durch das Einfügen einer oder mehrerer Blockerschichten können insbesondere die Oxidation der IR-Reflexionsschicht des Schichtsystems sowie die damit zusammenhängende Zunahme des Flächenwiderstandes oder auch starke Farbverschiebungen des Schichtsystems während der Beschichtungsprozesse selbst oder infolge des Temperprozesses verhindert werden. Als Blockerschichten temperfähiger Schichtsysteme sind z.B. Nickel und/oder Chrom enthaltende Schichten bekannt, welche die IR-reflektierenden Silberschichten einschließen ( DE 035 43 178 A1 und EP 1 174 379 A1 ) oder sie zumindest einseitig schützen.
Gleichzeitig sind die Blockerschichten auch verwendbar, um die Transmission des Schichtsystems einzustellen, indem eine oder mehr, regelmäßig unter der IR-Reflexionsschicht liegende, Blockerschichten als Absorberschichten wirken. Aus diesem Grund weisen Low-E-Sun-Schichtsysteme zumindest eine Blockerschicht auf. Diese ist meist unterhalb der untersten, d.h. substratnächsten IR-Reflexionsschicht angeordnet.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Schichtsystems auch durch Diffusionsprozesse beeinflusst werden, die vom Glas ausgehen. Um hierauf Einfluss zu nehmen, wird insbesondere für temperfähige Schichtsysteme unterhalb der Funktionsschichtanordnung, regelmäßig in der Grundschichtanordnung, eine Barriereschicht eingefügt, welche die Diffusion von Bestandteilen des Glases, wie z.B. Alkalimetall-Ionen in das Schichtsystem vermindern soll. Auch können mit solch einer Barriereschicht Qualitätsprobleme vermindert werden, die auf undefinierte Ausgangszuständen beim Rohglas, d. h. schwankende chemische Zusammensetzung des Glases, oder andere Glaseinflüsse zurückzuführen sind.
Schichten der Deckschichtanordnung schließen das Schichtsystem nach oben ab und können wie auch die Grundschichtanordnung funktional das gesamte System betreffen. Eine Deckschichtanordnung umfasst zumindest eine mechanisch und/oder chemisch stabilisierende Schutzschicht. Diese kann selbst oder durch ergänzende Schichten auch die optische Performance des Schichtsystems beeinflussen, z.B. eine Entspiegelung unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, so dass gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer entspiegelnden Grundschicht die Transmission erhöht werden kann. Die Deckschichtanordnung besteht üblicherweise aus einer oder mehr Schichten eines dielektrischen Oxids, Nitrids oder Oxinitrids eines Metalls oder eines Halbleiters meist mit hohem Brechungsindex.
Diese dielektrischen Materialien gelten als absorptionsfreie Materialien, was sie für die beschriebene optische Funktion qualifiziert. Als hochbrechend werden bei transparenten Schichtsystemen allgemein transparente Materialien bezeichnet, deren Brechungsindex im Bereich von 1,8 bis 2,7, meist sogar im Bereich von 1,9, bevorzugt von 2,0 bis 2,6 liegt. Dabei steht zum Vergleich das Substrat, meist Floatglas, welches mit ca. 1,52 dagegen einen niedrigen Brechungsindex aufweist. Niedrigbrechend sind folglich Materialien unterhalb dieses Bereichs bis zu Werten im Bereich des Substrats.
Ein derart aufgebautes, so genanntes Single-Low-E oder Single-Low-E-Sun, welches nur eine Funktionsschichtanordnung umfasst, kann durch Einfügung einer oder mehrerer weiterer Funktionsschichtanordnung ergänzt werden (Double-, Triple-, oder Multi-Low-E bzw. Low-E-Sun), die durch Koppel- oder Zwischenschichtanordnungen über der ersten Funktionsschichtanordnung angeordnet sind. Die Zwischenschichtanordnungen dienen insbesondere Entspiegelung im sichtbaren Bereich durch funktionelle Separierung der beiden Funktionsschichtanordnungen voneinander und deren mechanische Verbindung aufeinander. Zudem kann bei geeigneter Materialkombination durch eine Zwischenschichtanordnung auch eine mechanische Stabilisierung des Schichtsystems erzielt werde.
Eine weitere Anforderung an die Architekturverglasungen sind der Farbeindruck und dessen Stabilität. Gewünscht sind häufig neutrale oder graue bis blaue Substratseiten-Reflexionsfarben, die unabhängig vom Betrachtungswinkel sein sollen. Neutrale Farben sind im CIE L*a*b*-Farbsystem durch a*- und b*-Farbwerte von ca. Null gekennzeichnet, während blaue Farben durch negative b*-Farbwerte und rote Farben durch positive a*-Farbwerte charakterisiert sind. Weiterhin können in einigen Anwendungsfällen auch neutrale oder graue Transmissionsfarben gefordert sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein IR-reflektierendes Schichtsystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches mit geringeren Materialkosten herstellbar ist und dabei im Vergleich zu den auf Silber basierenden Schichtsystemen vergleichbare oder bessere optische, mechanische und thermische Eigenschaften aufweist.
Zur Lösung wird ein IR-reflektierendes Schichtsystem nach Anspruch 1 und Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 8 angegeben. In den rückbezogenen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
Erfindungsgemäß werden in einem Einfach- oder Mehrfach-Low-E- oder einem Einfach- oder Mehrfach-Low-E-Sun-Schichtsystemen eine IR-Reflexionsschicht, die nachfolgend auch als Funktionsschicht bezeichnet ist, eine oder gegebenenfalls mehrere der Silberschichten teilweise durch Kupfer-Silber-Schichten ersetzt, indem zumindest eine Funktionsschicht zwei Teilschichten umfasst, von denen eine Kupfer und eine andere Silber enthält. Dies schließt auch ein, dass mehrere Teilschichten angeordnet werden, von denen zumindest eine Kupfer enthält. Durch die Verwendung von Kupfer in Verbindung mit Silber können bei gleicher Schichtdicke vergleichbare Emissivitäten des Schichtsystems und damit g- oder U-Werte der Isolierglaseinheit erreicht werden.
Als eine Kupfer und Silber enthaltende Schicht bzw. Kupfer- oder Silber- oder Silber-Kupfer-Schicht soll hier eine solche Materialzusammensetzung verstanden sein, die als wesentlichen und die elektro-optischen Merkmale bestimmenden Bestandteil Kupfer oder Silber oder deren Legierungen aufweist. Das schließt ein, dass technologisch bedingte Verunreinigungen oder von technologisch bedingten Beimengungen, die zur Prozessführung während der Abscheidung oder, z.B. bei der Kathodenzerstäubung, zur Targetherstellung dienlich sind, enthalten sein können. Derartige Verunreinigungen oder technologische Beimengungen liegen meist im Bereich von kleiner als 1 %, können aber auch einige wenige Prozent betragen. Dementsprechend kann eine Silberschicht, die kein Kupfer enthält geringe, deutlich unter 1% liegende Verunreinigungen von Kupfer aufweisen.
Ein Vorteil der Verwendung von Kupfer oder kupferhaltigen Materialien besteht neben den deutlich geringeren Materialkosten in dem im Vergleich zu Silber abweichenden Dispersionseigenschaften des Brechungsindex und des Extinktionskoeffizienten insbesondere im sichtbaren Bereich. Die 1A und 1B bzw. 2A und 2B zeigen das wellenlängenabhängige glasseitige Transmissions- und Reflexionsverhalten einer 20nm dünnen Kupfer- bzw. Silber-Schicht im Wellenlängenbereich der Solarstrahlung von ca. 350nm bis 2500nm.
Es ist festgestellt worden, dass trotz der rötlichen Farberscheinung von Kupfer bei Schichtsystemen mit den für Low-E und Low-E-Sun gewünschten Spezifikationen hinsichtlich Transmission und Emissivität bei geeigneter Material- und Schichtdickenkombination der Einzelschichten des Schichtsystems neutralere Farben der Transmission und auch Reflexion bei insgesamt geringeren Reflexionswerten erzielt werden können, als es mit Silber möglich wäre.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die im Vergleich zu Silber höhere Absorption von Kupfer im sichtbaren Bereich des Spektrums, die die Licht-Transmission des Schichtsystems reduziert. Daher sind durch die Dicke der Silber-Kupfer-Schicht und deren Anzahl oder weitere die Transmission erhöhende Schichten ein Optimum in der Transmission einzustellen. Alternativ kann dieser Effekt für ein Low-E-Sun-System gezielt ausgenutzt werden. Die im Low-E-Sun-Schichtsystem gewünschte geringere Transmission in Verbindung mit einer niedrigen Emissivität können bei der Verwendung von Kupfer für zumindest eine IR-Reflexionsschicht gut erreicht werden. So sind Emissivitäten im Bereich von kleiner 3% bereits durch Double-Low-E-Systeme erzielbar. Für Low-E-Sun-Schichtsysteme können mittels der Anzahl der Silber-Kupfer-Funktionsschichten und/oder der Dicken zumindest einer Blockerschicht die Transmission des Schichtsystems auf Werte im Bereich von 25 ≤ Y(T) ≤ 75% auch bei neutraler Farberscheinung erzielt werden. Die Verminderung der Transmission mittels einer Blockerschicht unterhalb einer IR-Reflexionsschicht kann dabei auch entfallen, woraus sich sowohl bei einem Verzicht auf diese Schicht als auch bei deren Verwendung, z.B. für temperfähige Schichtsysteme zur Realisierung der oben beschriebenen Schutzfunktion oder zur Einstellung der Transmission, weitere Optionen für das optische und thermische Verhalten des Schichtsystems ergeben.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist bei einer Anordnung der Silber-Kupfer-Funktionsschicht eine neutrale bis blaue substratseitige Reflexionsfarbe auf, d.h. dass die a*(Rg)-und b*(Rg)-Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem der substratseitigen Reflexion im Bereich von –5 ≤ a* ≤ 1 und –10 ≤ b* ≤ 1 liegen. Diese Eigenschaft kann z.B. über eine Schichtdickenvariation der Einzelschichten des Schichtsystems als reine Farboptimierung oder auch über eine Schichtdickenvariation einer Zwischenschichtanordnung erzielt werden. Eine Schichtdickenvariation einer Zwischenschichtanordnung gestattet zudem die Farboptimierung über nahezu den gesamten Betrachtungswinkel, so dass ein Farbwechsel in den rötlichen Farbraum in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel nicht erfolgt.
Die beschriebene Materialkombination von Kupfer und Silber innerhalb einer IR-Reflexionsschicht ist mit den beschriebenen Vorteilen und Effekten für Einfach- und Mehrfach-Low-E bzw. -Low-E-Sun verwendbar, indem in einer oder mehr der IR-Reflexionsschichten Silber mit Kupfer kombiniert wird.
Sofern entsprechend weiterer Ausgestaltungen des Schichtsystems die Kupfer-Funktionsschicht als erste über dem Substrat angeordnet ist, können für die Transmissions- und Farbwerte der substratseitigen Reflexion und damit für die Intensität einer substratseitigen Farberscheinung bessere oder zumindest ähnliche Werte erzielt werden, verglichen zu bekannten Schichtsystemen. Z.B. kann in einem Mehrfach-Low-E oder Mehrfach-Low-E-Sun eine oder jede weitere Funktionsschicht, die über der Kupfer-Schicht angeordnet ist, als Silber-Schicht ausgeführt sein. Insbesondere in letzterer Ausgestaltung ist eine neutrale Farberscheinung bei geforderter Emissivität bis zu unter 2% erzielt worden.
Der Schutz der Funktionsschichten ist in der für Silber bekannten Art durch eine unter der untersten Funktionsschicht liegenden Barriereschicht sowie durch unter und/oder über den einzelnen Funktionsschichten angeordnete Blockerschichten ist auch für die Aufrechterhaltung der IR-reflektierenden Eigenschaften der Kupferschicht erforderlich. Eine ausreichende Unterbindung der Degradation einer kupferhaltigen Funktionsschicht kann durch eine dichte, z.B. stickstoffhaltige Barriereschicht gegen Diffusionsvorgänge aus dem Substrat in Verbindung mit einer im Vergleich zu Silber höheren Schichtdicke und/oder eine über der Funktionsschicht angeordneten Blockerschicht sowie einer chemisch stabilen Deckschichtanordnung erzielt werden.
Die funktionell und strukturell für eine Barriereschicht verwendbaren Materialien hängen wesentlich von diesen Eigenschaften ab und zwar bezogen auf die zu erwartenden Diffusionsprozesse, so dass für die jeweils gegebenen Substrat-Schicht-Kombinationen und thermischen Anforderungen die geeigneten Materialien durch Versuche zu ermitteln sind. In Bezug auf die Natriumionendiffusion aus Glas wurde z.B. herausgefunden, dass einige Metalloxide wie z.B. Zinnoxid, Zinkstannat oder Titanoxid nur eine vernachlässigbare Barrierewirkung zeigen.
Je nach verwendetem Material kann die Grundschicht durchaus auch hoch brechend sein. In diesem Fall kann die Grundschicht gleichzeitig der Entspiegelung dienen.
Ergänzend können entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung zumindest eine, auch die Kupfer enthaltende, Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) eine Blockerschicht (UFAB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem unterstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon enthalten, zum Schutz der Funktionsschicht (UFAF) gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen.
Kann mit der Barrierewirkung durch die Grundschicht bereits eine ausreichende Stabilisierung des Schichtsystems gegenüber thermischen Einflüssen, die durch das Substrat begründet sind, erzielt werden, dann ist es entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise für eine gewünschte höhere Transmission der Schichtsysteme nicht erforderlich, eine untere Blockerschicht anzuordnen. Diese Möglichkeit wirkt sich positiv auf die Transmission im sichtbaren Spektralbereich aus, ohne jedoch Einbußen in der thermischen Beständigkeit hinzunehmen. Von den beidseitig einer Funktionsschicht angeordneten Blockerschichten verbleibt somit lediglich die obere, die über der Funktionsschicht liegt und einen Schutz gegenüber Diffusions- und damit verbundenen Oxidationsprozessen von über der Funktionsschicht abgeschiedenen Schichten bildet.
Im Übrigen liegen der Konfiguration des erfindungsgemäßen Schichtsystems die bekannten Anforderungen zugrunde, so dass weitere Schichten angeordnet sein können. Dazu zählen auch Zwischenschichtanordnungen. Diese umfassen regelmäßig eine oder mehr Zwischenschichten und können aus verschiedenen dielektrischen Materialien aus Oxiden, Nitriden oder Oxinitriden von Metallen, Metalllegierungen oder Metallmischungen oder Halbleitern oder Verbindungen davon bestehen.
Des Weiteren kann unterhalb von Funktionsschichten, auch als oberer Abschluss einer Zwischenschichtanordnung, eine Keimschicht angeordnet sein. Eine Keimschicht ist geeignet, die Abscheidung und die Reflexionseigenschaften der IR-reflektierenden Funktionsschicht positiv zu beeinflussen. Mit einer Keimschicht kann die Haftung der über der Keimschicht abgeschiedenen IR-reflektierenden Funktionsschicht verbessert und der Flächenwiderstand herabgesetzt und so die IR-Reflexionseigenschaften verbessert werden. Die Keimschicht besteht aus einem Metall oder aus einem Oxid oder Nitrid eines Metalls oder einer Metallmischung oder Metall-Legierung und ist als eine Schicht im Sinne eines Seed-Layers eingefügt, der den Schichtaufbau der Funktionsschicht während der Abscheidung derart beeinflusst, dass der gewünschte, niedrige Flächenwiderstand erzielt wird. Ist unter der Funktionsschicht eine Blockerschicht angeordnet, kann die Keimschicht auch entfallen oder sie ist zwischen der unteren Blockerschicht und der Funktionsschicht angeordnet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt in der
1A, 1B Reflexion und Transmission einer Kupferschicht im Bereich der Solarstrahlung,
2A, 2B Reflexion und Transmission einer Silber-Schicht im Bereich der Solarstrahlung,
3 eine Schichtenabfolge eines Double-Low-E-Sun-Schichtsystems,
3 stellt ein erfindungsgemäßes IR-reflektierendes Schichtsystem mit zwei Funktionsschichtanordnungen FA (Double-Low-E) dar, dessen nachfolgend beschriebene Einzelschichten auf einem Substrat S0 nacheinander in einer Vakuumdurchlaufbeschichtungsanlage mittels DC- oder MF-Magnetronsputtern abgeschieden sind.
Auf dem Substrat S0, im Ausführungsbeispiel Floatglas mit einem Brechungsindex von ca. 1,52, ist eine einzige Grundschicht GAG mit einer Dicke im Bereich von 10–40 nm, bevorzugt 15–35 nm angeordnet, die als Barriere- und Entspiegelungsschicht dient und aus einem Siliziumnitrid, z.B. Si₃N₄, besteht, welches einen geringen Aluminiumanteil von wenigen Prozent aufweist, hier bevorzugt in Höhe von ca. acht Gewichtsprozent. Die Grundschicht GAG des Ausführungsbeispiels hat einem Brechungsindex von 2.12 ± 0.05. Siliziumnitrid hat sich auch für kupferhaltige Funktionsschichten als geeignete Barriereschicht zum Substrat hin erwiesen. Die Schicht wird reaktiv unter Anwesenheit von Stickstoff als Reaktivgasanteil in der Argon-Arbeitsatmosphäre von einem Si:Al-Target mit 6–10% Aluminiumanteil gesputtert. Alternativ kann die Schicht auch ohne Aluminiumanteil und/oder unter einer anderen Reaktivgasatmosphäre abgeschieden oder auch per PECVD hergestellt worden sein.
Alternativ kann die Grundschichtanordnung GA weitere Schichten umfassen, die z.B. aus Titanoxid oder Nioboxid besteht, wodurch deren gegenüber der Grundschicht GAG höherer Brechungsindex und dessen Wellenlängenabhängigkeit nutzbar wären. Auch eine Keimschicht kann direkt unterhalb der unteren Funktionsschichtanordnung UFA angeordnet sein. In einer weiteren Alternative ist die Grundschicht GAG als unterstöchiometrische Schicht abgeschieden.
Über der Grundschichtanordnung GA ist die erste, untere Funktionsschichtanordnung UFA abgeschieden. Sie umfasst direkt über der Grundschicht GAG eine erste untere Blockerschicht UFAB mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern, bevorzugt weniger als 1 nm, sofern diese Blockerschicht nicht ergänzend zur Kupferschicht zur weiteren Verminderung der Transmission verwendet wird. Andernfalls kann die Blockerschicht auch höhere Schichtdicken aufweisen, die z.B. bei Chrom-Nitrid bei 2–10nm liegen können. In der beschriebenen Ausführungsform, in der Silber mit Kupfer für die untere Funktionsschicht UFAF verwendet wird, kann diese untere Blockerschicht UFAB auch entfallen.
Für eine Blockerschicht kommen unterschiedliche Materialien in Betracht. Neben den bekannten Nickel-Chrom, das im Ausführungsbeispiel verwendet ist, oder stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Oxid- bzw. -Nitrid-Schichten von Nickel oder Nickelchrom sind auch andere Materialien verwendbar, z.B. um die optischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Schichtsystems zu beeinflussen. So ist z.B. eine Zirkonoxidschicht verschiedener Stöchiometrie geeignet, die Transmission des Schichtsystems gegenüber der Verwendung einer Nickel-Chrom-Oxid-Schicht zu erhöhen und den Flächenwiderstand des Schichtsystems zu vermindern. Eine weitere Erhöhung der Transmission und Verringerung des Flächenwiderstands wäre z.B. mit einer von einem keramischen ZnOx:Al-Target mit 2% Aluminium gesputterten Blockerschicht mit x < 1 ohne zusätzlichen Sauerstoffeinlass möglich. Wie oben dargelegt sind auch Titanoxid TiOx mit x ≤ 2 oder eine Nioboxidschicht NbxOy mit y/x < 2,5 als Blockermaterial möglich, wobei letztere auch vom keramischen Target ohne zusätzlichen Sauerstoffeinlass als unterstöchiometrische Schicht abgeschieden werden. Eine so abgeschiedene Schicht enthält mehr Sauerstoff, als mit der Abscheidung von einem metallischen Target realisierbar wäre, woraus eine deutlich geringere Absorption resultiert, die zu einer von vornhinein höheren Transmission, verbunden mit einer geringeren Zunahme der Transmission bei Wärmeeinwirkungen, z.B. infolge eines Temperprozesses führt.
Darüber hinaus ist auch stöchiometrischen und unterstöchiometrisches Chromnitrid, Silizium, Molybdän enthaltendes Material oder Stainless-Steel-Nitrid SST_xN_y für eine Blockerschicht verwendbar, wobei mit diesen Materialien auch eine Verringerung der Transmission des Schichtsystems im sichtbaren Bereich erzielbar ist, z.B. zur Verwendung in einem Low-E-Sun-Schichtsystem. Hierbei sinkt die sichtbare Transmission mit steigenden, von den oben genannten auch abweichenden Blockerschichtdicken, was durch die Verwendung dieser Materialien in ein oder mehreren Blockerschichten eines ein oder mehrere Funktionsschichtanordnungen umfassenden Schichtsystems noch gezielter eingestellt werden kann. Hinzu kommt bei diesen Materialien die Stabilität der Schicht auch gegenüber Temperprozessen, da sie nicht so leicht oxidiert und bei den geforderten geringen Schichtdicken auch nicht rekristallisiert.
Über der unteren Blockerschicht UFAB folgt die untere Funktionsschicht UFAF als IR-Reflexionsschicht, die im Ausführungsbeispiel aus einer 8nm dicken Teilschicht T aus Silber mit einer darüber liegenden 4nm dicken Teilschicht T aus Kupfer besteht. Die Gesamtdicke der Silber-Kupfer-Funktionsschicht liegt im Bereich von 5–15 nm, bevorzugt 7–13 nm, wobei die Dickenanteile z.B. zur Einstellung der Transmission des Schichtsystems variierbar sind. Auch die Reihenfolge der Silber- und der Kupfer-Teilschichten können vertauscht sein, so dass die Kupfer enthaltende Teilschicht T über der Silber enthaltenden Teilschicht T liegt. Alternativ können auch andere kupferhaltige Mischungen oder Legierungen verwendet werden. Die Silber-Kupfer-Schicht wird im DC-Mode in reiner Argon-Atmosphäre gesputtert.
Über der unteren Funktionsschicht UFAF folgt eine weitere untere Blockerschicht UFAB aus einem Nickelchromoxid mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern, bevorzugt weniger als 1 nm. Auch für diese untere Blockerschicht UFAB können, wie oben zur ersten Blockerschicht beschrieben, auch andere Materialien und Schichtdicken zum Einsatz kommen.
Über der unteren Funktionsschichtanordnung UFA ist eine Zwischenschichtanordnung ZA abgeschieden. Sie besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei Schichten, einer Zwischenschicht ZAZ und einer darüber abgeschiedenen Keimschicht ZAK. Die Zwischenschicht ZAZ besteht, insbesondere aufgrund dessen besonderer mechanisch stabilisierender Eigenschaften, aus einem Oxid eines Zink-Stannats mit einer Dicke im Bereich von 50–85 nm, bevorzugt 60–75 nm. Sie wird von einem Zink-Stannat-Target, das 50% Zink und 50% Zinn enthält, reaktiv unter Anwesenheit von Sauerstoff im Arbeitsgas Argon gesputtert.
Die Keimschicht ZAK der Zwischenschichtanordnung ZA weist eine Dicke von kleiner oder gleich 15 nm, bevorzugt ≤ 10 nm auf. Sie besteht aus einem Zinkaluminiumoxid, das von einem Zn:Al-Target mit ca. 2% Aluminiumanteil oder von einem keramischen Zinkalumiumoxid-Target gesputtert wird. Alternativ kann die Schicht auch ohne Aluminiumanteil oder einem keramischen Zinkoxid (sog. Intrinsisches Zinkoxid) Target abgeschieden sein. Alternativ sind auch andere Materialien für eine oder mehrere der Einzelschichten verwendbar, sofern diese die beschriebenen Funktionen erfüllen. Alternativ können anstelle der einen Zwischenschicht auch mehrere dielektrische Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung abgeschieden sein.
Über der Zwischenschichtanordnung ZA, unmittelbar an die Keimschicht ZAK der Zwischenschichtanordnung ZA angrenzend, ist eine obere Funktionsschichtanordnung OFA abgeschieden, die wie zur unteren Funktionsschichtanordnung UFA beschrieben eine obere Funktionsschicht OFAF, jedoch nur eine obere Blockerschicht OFAB und zwar über der oberen Funktionsschicht OFAF umfasst. Die obere Blockerschicht OFAB entspricht im Ausführungsbeispiel jener aus der unteren Funktionsschichtanordnung UFA, die ebenfalls über der Funktionsschicht angeordnet ist, so dass diesbezüglich auf die dortigen Darlegungen verwiesen werden kann. Auch die Schichtdickenbereiche der oberen Blockerschicht OFAB entsprechen denen der unteren Funktionsschichtanordnung UFA. Alternativ sind auch eine unterhalb der Funktionsschicht liegende Blockerschicht möglich und andere Materialien für eine oder mehrere der Einzelschichten verwendbar, sofern diese die beschriebenen Funktionen erfüllen.
Die obere Funktionsschicht OFAF als IR-Reflexionsschicht weist eine Dicke im Bereich von 10–20 nm, bevorzugt 12–18 nm auf und besteht im Ausführungsbeispiel aus Silber. Alternativ können auch andere silberhaltige Mischungen oder Legierungen verwendet werden. Die Silber- oder silberhaltige Schicht wird im DC-Mode in reiner Argon-Atmosphäre gesputtert.
Das IR-reflektierende Schichtsystem wird nach oben durch eine Deckschichtanordnung DA abgeschlossen. Diese umfasst eine erste Deckschicht DA1, die auf der oberen Blockerschicht OFAB abgeschieden ist. Sie besteht aus einem Oxid oder Oxinitrid mit niedrigem Stickstoffanteil eines Zink-Stannats, weist eine Dicke im Bereich von 10–20 nm, bevorzugt 12–18 nm auf und wird unter sauerstoffhaltiger oder unter sauerstoff- und stickstoffhaltiger Atmosphäre von einem Zink-Stannat-Target, das 50% Zink und 50% Zinn enthält, abgeschieden.
Hierbei ist es bei einer Reaktivgaszusammensetzung mit einem Verhältnis der Volumenanteile von Stickstoff zu Sauerstoff von kleiner oder gleich 0,2 durchaus möglich, dass trotz eines Stickstoffanteils in der Reaktivgasatmosphäre kein Stickstoff in der ersten Deckschicht DA1 eingebaut ist. Dies trifft auch für Zink-Stannat enthaltende Schichten der Zwischenschichtanordnung ZA zu.
Über der ersten Deckschicht DA1 wird eine zweite Deckschicht DA2 aus Siliziumaluminiumnitrid mit einer Dicke im Bereich von 10–30 nm, bevorzugt 15–25 nm abgeschieden. Dies erfolgt vergleichbar der Grundschicht GAG von einem Si:Al-Target mit 6–10% Aluminiumanteil. Auch der Brechungsindex ist dem der Grundschicht GAG vergleichbar. Alternativ kann die Schicht auch ohne Aluminiumanteil und/oder unter einer anderen Reaktivgasatmosphäre abgeschieden sein. Für den Fall, das eine Farbkorrektur der Reflexionsfarberscheinung erforderlich ist, bei der auch die Deckschicht herangezogen wird, kann die Dicke auch andere als die hier genannten Werte annehmen.

Damit ergibt sich folgende Zusammensetzung des Schichtsystems vom Substrat S0 aufwärts betrachtet:

GAG	Si₃N₄ mit 6–10% Al;
UFAB	NiCr;
UFAF	Ag und darüber Cu;
UFAB	NiCrOx;
ZAZ	Oxid eines Zink-Stannats;
ZAK	ZnO mit ca. 2% Al;
OFAF	Ag;
OFAB	NiCrOx;
DA1	Oxid oder Oxinitrid eines Zink-Stannats;
DA2	Si₃N₄ mit 6–10% Al;

Ein mit einem solchen Schichtsystem versehenes Substrat S0 und ebenso eine Isolierglaseinheit, die eine Scheibe mit diesem Schichtsystem verwendet, weist die gewünschte neutrale bis leicht blaue Farberscheinung der Reflexion auf, deren Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem bei senkrechter Blickrichtung (Blickrichtung in 3 durch drei Pfeile dargestellt), in den beanspruchten Bereichen liegen.
In einer Ausgestaltung kann eine (Triple-Low-E oder Triple-Low-E-Sun) oder mehr (Multi-Low-E oder Multi-Low-E-Sun) Funktionsschichtanordnungen unter der Deckschichtanordnung angeordnet werden, je jeweils mit einer weiteren Zwischenschichtanordnung mit der darunter liegenden Funktionsschichtanordnung verbunden sind. Diese weiteren Funktionsschichtanordnungen können Funktionsschichten sein, die Silber und/oder Kupfer enthalten. Aber auch andere Materialien mit der IR-reflektierenden Eigenschaft, wie z.B. Gold oder Legierungen davon, ein Halbedelmetall oder Tantal, sind verwendbar, soweit zumindest eine Funktionsschicht Silber und eine weitere Kupfer enthält.
Die mit dem Schichtsystem gemäß Ausführungsbeispiel erzielte Emissivität liegt für ein Double-Low-E bei kleiner 3% und bei einem Triple-Low-E bei kleiner 2%.
Bezugszeichenliste

S0

Substrat

GA

Grundschichtanordnung

GAG

Grundschicht

UFA

untere Funktionsschichtanordnung

UFAF

untere Funktionsschicht

UFAB

untere Blockerschicht

ZA

Zwischenschichtanordnung

ZAZ

Zwischenschicht

ZAK

Keimschicht

OFA

obere Funktionsschichtanordnung

OFAF

obere Funktionsschicht

OFAB

obere Blockerschicht

DA

Deckschichtanordnung

DA1

erste Deckschicht

DA2

zweite Deckschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 03543178 A1 [0012]
EP 1174379 A1 [0012]

Claims

Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem auf einem transparenten Substrat (S0) mit folgenden Schichtanordnungen, vom Substrat (S0) aufwärts betrachtet: – eine Grundschichtanordnung (GA) mit einer dielektrischen Grundschicht (GAG) aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, – eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) mit einer metallischen Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung, und – eine Deckschichtanordnung (DA) mit einer dielektrischen, ein Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung enthaltenden Deckschicht (DA1, DA2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) zwei Teilschichten (T) umfasst, von denen eine Kupfer und eine andere Silber enthält.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der im Schichtsystem kombinierten Materialien und deren Schichtdicken die a*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte des CIE L*a*b*-Farbsystem der substratseitigen Reflexion im Bereich von –5 ≤ a* ≤ 1 und –10 ≤ b* ≤ 1 liegen.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Funktionsschichtanordnungen (UFA, MFA, OFA) und zumindest eine Zwischenschichtanordnung (ZA) angeordnet sind, wobei die Zwischenschichtanordnung (ZA) eine Funktionsschichtanordnung (MFA, OFA) von einer darunter liegenden Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA) trennt und eine Zwischenschicht (ZAZ, ZAK) oder mehr umfasst.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Funktionsschicht (UFAF) als Silber-Kupfer-Funktionsschicht ausgebildet ist.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede weitere über der unteren liegende Funktionsschicht (UFA, MFA, OFA) als Silberschicht ausgebildet ist.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) eine Blockerschicht (UFAB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem unterstöchiometrischen oder stöchiometrischen Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon enthält, zum Schutz der Funktionsschicht (UFAF) gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschichtanordnung (UFA, MFA, OFA) unter der Funktionsschicht (UFAF, MFAF, OFAF) keine Blockerschicht (UFAB, MFAB, OFAB) aufweist.
Infrarotstrahlung reflektierendes, transparentes Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der der Dicke und/oder der Anzahl der Kupfer enthaltenden Teilschichten (T) und/oder der Dicken zumindest einer Blockerschicht die Transmission des Schichtsystems auf Werte im Bereich von 25% ≤ Y(T) ≤ 75% eingestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Infrarotstrahlung reflektierenden Schichtsystems, wobei die Schichten der transparenten Schichtanordnungen (GA, ZA, DA, UFA, MFA, OFA) eines Schichtsystems nach einem der vorstehenden Ansprüche auf einem transparenten Substrats (S0) nacheinander mittels Vakuumbeschichtung abgeschieden werden.