DE102013111845B4

DE102013111845B4 - Kratzfestes Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102013111845B4
Application number: DE102013111845.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Köckert; Markus Berendt
Original assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: DE102013111845A1

Abstract

Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat (S) mit folgenden transparenten Schichtanordnungen, vom Substrat (S) aufwärts betrachtet:- eine Grundschichtanordnung (GA) mit mindestens einer dielektrischen Grundschicht (GA1) aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung,- eine Funktionsschichtanordnung (FA) mit mindestens einer metallischen Funktionsschicht (FAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung, mit einer Keimschicht (FAK) aus intrinsischem oder dotiertem Zinkoxid zur Einstellung der opto-elektrischen Eigenschaften der Funktionsschicht und mit einer zwischen der Funktionsschicht (FAF) und der Keimschicht (FAK) angeordneten und direkt unter der Funktionsschicht (FAF) angeordneten unteren Blockerschicht (FAUB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung,- eine Deckschichtanordnung (DA) mit mindestens einer ersten dielektrischen Deckschicht (DA1) aus Siliziumoxinitrid mit einem Brechungsindex von 1,8 ± 0,1 bei einer Wellenlänge von 550 nm,- wobei direkt über der metallischen Funktionsschicht (FAF) eine obere Blockerschicht (FAOB) aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid eines Metalls, einer Metallmischung oder Metalllegierung und direkt über der oberen Blockerschicht (FAOB) eine Interface-Schicht (FAIS) aus intrinsischem Zinkoxid oder dotiertem Zinkoxid oder Zinkstannat angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Infrarotstrahlung (IR) reflektierendes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat 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 >> 3 µm) 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.
Ein Schichtsystem weist zur Erzielung der beschriebenen Eigenschaften transparente, funktionell unterscheidbare Schichtanordnungen auf.
Der Begriff der „Schichtanordnung“ umfasst 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. Eine solche Schichtanordnung kann sowohl homogene Einzelschichten als auch solche mit graduellen Schwankungen der Zusammensetzung über die Schichtdicke, so genannte Gradientenschichten umfassen. 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. Die Zuordnung einer Schicht zu einer bestimmten Schichtanordnung erfolgt anhand ihrer Funktion.
Allgemein umfasst ein Schichtsystem vom Substrat aufwärts betrachtet zunächst eine Grundschichtanordnung, welche primär als Mittler zwischen dem Substrat und der weiteren Schichtenfolge, insbesondere der Haftung des Systems auf dem Substrat, dient. Die Schichten der Grundschichtanordnung können auch die Eigenschaften des Schichtsystems als Ganzes beeinflussen, wie z. B. die chemische und/oder mechanische Beständigkeit, sowie der Einstellung optischer Eigenschaften und der Entspiegelung dienen. Grundschichtanordnungen, welche Zinkoxid enthalten, sind beispielsweise aus der WO 2010/073042 A1 und der US 2006/0275613 A1 bekannt.
Über der Grundschichtanordnung folgt eine Funktionsschichtanordnung, welche mindestens eine metallische Funktionsschicht als IR-Reflexionsschicht sowie optional weitere, an die Funktionsschicht direkt angrenzende Schichten, z. B. Blockerschichten ( EP 1463689 B1 , DE 4412318 C1 ) oder Keimschichten ( EP 1851354 B1 ) umfasst, welche diese Funktion unterstützen und die Beeinflussung der optischen und damit verknüpften elektrischen Eigenschaften sowie der chemischen und mechanischen Eigenschaften der Funktionsschicht ermöglichen und/oder der Haftungsverbesserung dienen. So ist es insbesondere bekannt, dass mittels der Keimschicht der Flächenwiderstand herabgesetzt und damit die IR-Reflexion der direkt darauf abgeschiedenen Funktionsschicht positiv beeinflusst werden kann. Bei geeigneter Materialwahl können mehrere der Funktionen durch eine Schicht realisiert werden.
Die hohe Reflexion im IR-Bereich wird für die genannten Schichtsysteme allgemein durch ein oder mehrere metallische Funktionsschichten erzielt. In der Regel wird die oben beschriebene Flanke im spektralen Transmissions- und Reflexionsverhalten mit steigender Zahl der IR-reflektierenden Funktionsschichten steiler, das heißt die Selektivität steigt, weshalb zunehmend Schichtsysteme mit zwei oder mehr Funktionsschichten verwendet werden. Dies stellt allerdings erhöhte Anforderungen an die Herstellungs- und Verarbeitungsbedingungen sowie an nachgelagerte Prozessschritte bei der Weiterverarbeitung der beschichteten Substrate.
Zur Herstellung von niedrig emittierenden Schichtsystemen für Architekturglasanwendungen wird in der Regel reines Silber oder Silberlegierungen als Material für die Funktionsschicht verwendet. Dieses Material hat schon bei geringen Schichtdicken besonders im Infrarotbereich eine hohe Reflexion, verbunden mit einer geringen Absorption im sichtbaren Spektralbereich des Lichtes. Ein einfaches Low-E-Schichtsystem enthält üblicherweise eine etwa 10 - 15 nm dicke Silberschicht.
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, wie z. B. eine Strukturierung, abgeschiedener Schichten bedingt sind. Darüber hinaus können IR-reflektierende Schichtsysteme zur Härtung und/oder Verformung des Substrates auch Temperprozessen unterzogen werden. 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.
Insbesondere aufgrund solcher Temperaturbelastungen kommt es zu verschiedenen, das Reflexionsvermögen der Funktionsschicht und die Transmission des Schichtsystems ändernden Vorgängen, insbesondere zur Diffusion von Bestandteilen der Schichten der Grund- oder Deckschichtanordnung in die Funktionsschicht und umgekehrt. Infolge dessen können Oxidationsprozesse die Funktion der Funktionsschicht negativ beeinflussen.
Zur Vermeidung solcher Diffusions- und Oxidationsvorgänge wird ein- oder beidseitig der Funktionsschicht 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 Funktionsschicht vor dem Einfluss benachbarter Schichten. Durch das Einfügen einer oder mehrerer Blockerschichten können insbesondere die Oxidation der Funktionsschicht sowie die damit zusammenhängende Zunahme des Flächenwiderstandes oder auch starke Farbverschiebungen des Schichtsystems während der Beschichtungsprozesse selbst oder infolge eines Temperprozesses verhindert werden.
Als Blockerschichten sind z. B. Nickel und/oder Chrom enthaltende Schichten bekannt, welche die IR-reflektierenden Silberschichten einschließen ( DE 035 43 178 A1 , DE 44 12 318 C1 und EP 1 174 397 A1 , EP 1 463 689 B1 ) oder sie zumindest einseitig schützen.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Schichtsystems auch durch Diffusionsprozesse beeinflusst werden, die vom Substrat ausgehen. Um hierauf Einfluss zu nehmen, wird, insbesondere für temperfähige Schichtsysteme, bei Verwendung von Glas als Substratmaterial 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 Ausgangszustände beim Rohglas, das heißt eine schwankende chemische Zusammensetzung des Glases, oder andere Glaseinflüsse zurückzuführen sind.
Darüber hinaus verursachen andere Glaseinflüsse, wie Korrosion oder Abdrücke der dem Handling des Glases dienenden Sauger, die durch visuelle Kontrollen oftmals nicht feststellbar und durch übliche Reinigung nicht zu beseitigen sind, unerwünschte Änderungen der Eigenschaften des Schichtsystems. Besonders nachteilig ist bei solchen Glaseinflüssen, dass deren Auswirkungen auf die Eigenschaften des Schichtsystems erst nach einem Temperprozess sichtbar werden.
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 optischen Eigenschaften des Schichtsystems beeinflussen, z. B. durch eine Entspiegelung. Die Entspiegelung wird regelmäßig durch destruktive Interferenz erreicht, wobei die optische Dicke (Produkt aus Schichtdicke d und Brechungsindex n der Schicht) einzelner oder einer Folge von Entspiegelungsschichten so bemessen ist, dass sich an den jeweiligen Grenzflächen reflektierte Anteile des einfallenden Lichts durch Interferenz auslöschen. Im Ergebnis gelingt es, gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer entspiegelnden Grundschicht, die Transmission des Gesamtsystems zu erhöhen.
Die Deckschichtanordnung besteht üblicherweise aus einer oder mehreren Schichten eines dielektrischen Oxids, Nitrids oder Oxinitrids eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, meist mit hohem, bei mehr als einer Schicht auch mit wechselndem, Brechungsindex. Letzteres ist als High-Low-Deckschichtanordnung bekannt. Die genannten dielektrischen Materialien gelten als absorptionsfrei, was sie für die beschriebene optische Funktion qualifiziert. In der EP 1 463 689 B1 werden verschiedene Ausführungen der Deckschichtanordnung beschrieben, welche Siliziumoxinitrid an verschiedenen Positionen in Kombination mit Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid verwenden.
„Bestehen aus“ bedeutet, dass es sich um den wesentlichen Bestandteil, welcher die funktionellen Eigenschaften bestimmt, handelt. Das schließt ein, dass zusätzlich technologisch bedingte Verunreinigungen oder technologisch bedingte 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 1 %, können aber auch einige wenige Prozent betragen.
Eine das IR-reflektierende Schichtsystem nach oben abschließende Schutzschicht soll das Schichtsystem vor mechanisch oder chemisch verursachter Veränderung schützen. Aus diesem Grund wird die Materialwahl der entspiegelnden Schichten der Deckschichtanordnung so vorgenommen, dass als abschließende Schutzschicht ein Material mit höherer mechanischer und/oder chemischer Festigkeit verwendet wird. Die Materialwahl ist aufgrund der gewünschten entspiegelnden Wirkung jedoch abhängig von den Schichten der Deckschichtanordnung und insbesondere von der direkt benachbarten Schicht.
Ein wie beschrieben aufgebautes Schichtsystem, welches nur eine Funktionsschichtanordnung umfasst, kann durch Einfügung einer oder mehrerer weiterer Funktionsschichtanordnungen 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 der Entspiegelung im sichtbaren Bereich durch funktionelle Separierung der beiden Funktionsschichtanordnungen voneinander und deren Verbindung aufeinander. Zudem kann bei geeigneter Materialkombination durch eine Zwischenschichtanordnung auch eine mechanische Stabilisierung des Schichtsystems erzielt werden.
Eine weitere Anforderung an 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*(Rg)- und b*(Rg)-Farbwerte von ca. Null gekennzeichnet, während blaue Farben durch negative b*-Farbwerte und rote sowie violette Farben durch positive a*-Farbwerte charakterisiert sind. Weiterhin können in einigen Anwendungsfällen auch neutrale oder graue Transmissionsfarben gefordert sein.
Die Abscheidung der verschiedenen Schichtsysteme erfolgt häufig mittels Sputtern, was die Erzeugung von geeigneten Einzelschichten auch mit nur sehr geringen Schichtdicken mit der erforderlichen Homogenität ermöglicht, deren Zusammensetzung und Eigenschaften mittels der Targetmaterialien, der Art des Sputtern und der Sputterparameter bekanntermaßen sehr gut und reproduzierbar eingestellt werden können.
Viele reaktiv betriebene Sputterprozesse weisen in Abhängigkeit vom Reaktivgaszufluss zwei stabil betreibbare Zustände. Der metallische Mode ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Sputterprozess zugeführtes Reaktivgas vollständig vom Prozess verbraucht wird. Bei Überschreiten eines Targetmaterial- und prozessleistungsabhängigen Reaktivgasflusses kippt der Sputterprozess spontan in den reaktiven Mode (auch als Oxide Mode bezeichnet). Der Prozessbereich zwischen metallischem und reaktivem Mode wird als Übergangsmode bzw. transition mode bezeichnet. Beim Sputtern in diesem Bereich können nahezu beliebige Schichtzusammensetzungen, mit entsprechenden Folgen für die Schichteigenschaften, realisiert werden. Der Übergangsmode wird beispielsweise zur Herstellung absorptionsfreier Schichten bei Materialien wie Aluminium, Silizium oder Titan mit höherer Rate als im Oxide-Mode verwendet oder um gezielt Stöchiometrien bei absorbierenden Schichten einzustellen und stabil zu halten. Dazu bedarf es einer schnellen, aktiven Regelung des Reaktivgasflusses in Abhängigkeit der aktuellen Prozessparameter, z. B. der Brennspannung.
Es hat sich gezeigt, dass die beschriebenen verschiedenartigen Low-E-Schichtsysteme trotz der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten immer noch mechanisch empfindlich und entsprechend schwierig zu verarbeiten sind. Insbesondere, falls die geforderten Verarbeitungsbedingungen für die einzelnen Prozessschritte, wie z. B. Schneiden, Grinden, Waschen und Tempern, aufgrund älterer und nicht ausreichend geeigneter Anlagen nicht oder nicht vollständig realisierbar sind, kommt es häufig zur Schichtzerstörung und entsprechend hohen Ausschussraten. So kann die Beschichtung bei mangelhaften Verarbeitungsbedingungen schnell zerkratzt und/oder teilweise abgelöst werden. Zudem können erhöhte HAZE-Werte, das heißt eine Eintrübung, nach dem Tempern auftreten. Des Weiteren kann eine solche Beschichtung auch vermehrt Schaden beim Transport zwischen Hersteller und Weiterverarbeiter nehmen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein niedrig-emittierendes Schichtsystem, das mechanisch widerstandsfähig ist und selbst bei unzureichenden Verarbeitungsbedingungen ohne Beschädigung verarbeitet werden kann, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Die jeweiligen Unteransprüche geben Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen wieder.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem umfasst eine Grundschichtanordnung mit mindestens einer dielektrischen Grundschicht aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, welche geeignet ist, Diffusionsvorgänge aus dem Substrat in das darüber liegende Schichtsystem und hier insbesondere in eine Funktionsschichtanordnung zu vermindern und auch der Entspiegelung dienen kann.
Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung, beispielsweise für temperfähige Schichtsysteme, kann die direkt auf dem Substrat angeordnete Grundschicht aus Siliziumnitrid Si₃N₄ bestehen. Diese Grundschicht verhindert weitgehend eine Diffusion von Natriumionen in darüber liegende Schichten, insbesondere während des Temperns, und trägt dadurch zur Stabilität des Schichtsystems bei.
Da unerwünschte Diffusionsprozesse auch bereits durch den Wärmeeintrag in bereits abgeschiedene Schichten während nachfolgender Abscheidungsprozesse erfolgen können, sind mit der Grundschicht die beschriebenen Vorteile auch bei nicht zu tempernden Schichtsystemen erzielbar.
Alternativ können auch andere Materialien für die Grundschichtanordnung verwendet werden. Für nicht temperfähige Schichtsysteme kann beispielsweise auch Titandioxid TiO₂ als Grundschichtmaterial dienen, wodurch sich auch hier die Transmission des Schichtsystems erhöhen lässt. Es können aber auch andere dielektrische Oxide, Nitride oder Oxinitride wie z. B. SnO₂, AlN oder ZnSnO₃ eingesetzt werden.
Optional kann auf der direkt auf dem Substrat angeordneten Grundschicht eine weitere Schicht in Form einer Haft- oder Ausgleichsschicht, z. B. aus Siliziumoxid, Titandioxid oder Aluminiumnitrid angeordnet sein. Die Verwendung von Titandioxid führt dabei zu einer Erhöhung der Transmission des Schichtsystems. Sofern die Grundschicht die optionale weitere Schicht aufweist, erweist es sich von Vorteil, wenn die Dicke der Grundschicht an die zusätzliche Schicht angepasst wird, so dass die resultierende optische Dicke für die veränderte Grundschichtanordnung zumindest annähernd der optischen Dicke der einfachen Grundschichtanordnung entspricht. Dazu wird die Dicke der Grundschicht in Abhängigkeit von den Brechungsindizes der verwendeten Materialien und der Dicken der Schichten reduziert.
Die über der Grundschichtanordnung angeordnete Funktionsschichtanordnung umfasst eine metallische Funktionsschicht zur Reflexion von Infrarotstrahlung. Das heißt, von der einfallenden Solarstrahlung wird der Strahlungsanteil mit Wellenlängen im IR-Bereich weitestgehend reflektiert, während die Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchgelassen wird.
Die metallische Funktionsschicht besteht vorzugsweise aus Silber. Sie kann jedoch auch aus anderen IR-reflektierenden Materialien wie Kupfer oder Gold oder aus den entsprechenden Legierungen aufgebaut sein. Weiterhin kann die Funktionsschicht auch aus mehreren Teilschichten, z. B. einer Silber- und einer Kupferschicht bestehen.
Erfindungsgemäß ist direkt unter der Funktionsschicht eine untere Blockerschicht aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung angeordnet. Vorzugsweise besteht die untere Blockerschicht aus NiCr, alternativ aus NiV, Cr, Ni, Ti, Nb oder anderen Metallen. Dabei kann eine metallisch abgeschiedene untere Blockerschicht durch Diffusionsprozesse, die nach der Abscheidung erfolgen, auch teilweise oxidieren.
Diese Blockerschicht dient neben dem Schutz der Funktionsschicht gegenüber Oxidations- und Diffusionsprozessen auch der Haftungsverbesserung für die Funktionsschicht auf der darunter liegenden Keimschicht und trägt zu einer Verbesserung der Bürstenbeständigkeit und der im TABER Abraser-Test ermittelten mechanischen Beständigkeit bei.
Erfindungsgemäß ist die Blockerschicht zwischen einer unter der unteren Blockerschicht liegenden Keimschicht und der Funktionsschicht angeordnet, wobei die untere Blockerschicht direkt an die Funktionsschicht angrenzt. Die Keimschicht besteht aus intrinsischem oder dotiertem Zinkoxid und gestattet auch in dieser Position die oben beschriebene Beeinflussung der Eigenschaften der Funktionsschicht. Sie ist als eine Schicht im Sinne eines Seed-Layers ausgebildet, der den Schichtaufbau der Funktionsschicht während der Abscheidung derart beeinflusst, dass der gewünschte, niedrige Flächenwiderstand erzielt wird. Bevorzugt besteht die Keimschicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid, welches mittels eines Sputterprozesses von einem Target mit einem Aluminiumanteil von ca. 2 Gew.-% abgeschieden wurde. Die bevorzugte Schichtdicke der Keimschicht liegt zwischen 7 nm und 10 nm, kann aber, wie im Ausführungsbeispiel angeführt, auch höhere Werte annehmen.
Direkt über der metallischen Funktionsschicht ist eine obere Blockerschicht angeordnet, die aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid, bevorzugt einem unterstöchiometrischen, jenes Metalls oder jener Metallmischung oder Metalllegierung besteht, welche die untere Blockerschicht bildet. Direkt über der oberen Blockerschicht befindet sich eine Interface-Schicht aus intrinsischem oder dotiertem Zinkoxid oder Zinkstannat, wobei das Zinkstannat jeden beliebigen Zinnanteil enthalten kann. Dieser optionale Aufbau der Funktionsschichtanordnung trägt zu einer weiteren Verbesserung der Widerstandsfähigkeit bei.
Die Deckschichtanordnung des erfindungsgemäßen Schichtsystems umfasst mindestens eine dielektrische erste Deckschicht aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, welche insbesondere dem mechanischen und chemischen Schutz des Schichtsystems und der Entspiegelung dient. Bevorzugt finden dafür siliziumhaltige Deckschichten Verwendung.
Erfindungsgemäß umfasst die Deckschichtanordnung eine erste Deckschicht aus Siliziumoxinitrid SiO_xN_y. Diese weist einen im Vergleich zu dem üblicherweise verwendeten Siliziumnitrid Si₃N₄ mit einem Brechungsindex n_Si3N4 = 2,03 geringeren Brechungsindex n_SiOxNy von ca. 1,8 bei einer Wellenlänge von 550 nm auf. Da die optische Dicke n*d für die Erzielung der gleichen optischen Eigenschaften gleich sein muss, ermöglicht die Verringerung des Brechungsindex eine Erhöhung der geometrischen Dicke d. Entsprechend weist die Siliziumoxinitridschicht eine höhere Dicke im Vergleich zu den bekannten Schichtsystemen mit einer Siliziumnitridschicht auf, wodurch die Kratzfestigkeit des Schichtsystems deutlich verbessert wird. Die Schichtdicke einer Siliziumoxinitridschicht als alleiniger Deckschicht beträgt bevorzugt mehr als 30 nm, weiter bevorzugt mehr als 35 nm oder mehr als 40 nm.
Das Substrat bildet ein transparentes, dielektrisches Material, insbesondere Glas oder ein Polymermaterial.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem zeichnet sich durch eine besonders hohe mechanische Widerstandfähigkeit im Vergleich zu den bekannten Schichtsystemen aus, so dass es auch unter unzureichenden Verarbeitungsbedingungen ohne Beschädigung prozessiert werden kann.
Die im Stand der Technik übliche Dicke der Interface-Schicht beträgt 10 bis 15 nm. Um eine möglichst hohe Dicke der Deckschichtanordnung unter Beibehaltung der optischen Eigenschaften, insbesondere bei Verwendung von Siliziumoxinitrid als Material für die erste Deckschicht, zu ermöglichen, kann die Dicke der Interface-Schicht jedoch auch sehr gering, beispielsweise geringer als 5 nm, sein. Die optischen Eigenschaften des Schichtsystems ergeben sich aus der optischen Gesamtdicke der oberhalb der metallischen Funktionsschicht angeordneten dielektrischen Schichten. Eine weitere Verbesserung der mechanischen Widerstandsfähigkeit mittels einer möglichst dicken Deckschichtanordnung kann erzielt werden, wenn die Schichtdicke der Interface-Schicht entsprechend verringert wird.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten ist die Funktionsschichtanordnung in gewissem Sinne symmetrisch aufgebaut, indem die obere Blockerschicht das gleiche Metall bzw. Metallmischung oder Metalllegierung verwendet, wie die untere Blockerschicht und/oder die Interface-Schicht aus dem gleichen Material wie die Keimschicht besteht. Dadurch wird die Anzahl der verschiedenen Materialquellen, wie z. B. Sputtertargets, verringert und die Herstellung des Schichtsystems kann kostengünstiger erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst die Deckschichtanordnung zusätzlich zur unteren Deckschicht aus Siliziumoxinitrid eine zweite Deckschicht, die auch als obere Deckschicht bezeichnet werden soll und in diesem Fall die erste als untere Deckschicht klassifiziert. Diese zweite Deckschicht besteht aus Siliziumdioxid SiO₂. Siliziumdioxid weist im Vergleich zu den für Low-E-Schichtsysteme verwendeten Materialien, einen besonders geringen Brechungsindex n_SiO2 im Bereich von 1,46 ≤ n_SiO2 ≤ 1,5 auf. Die Verwendung von Siliziumdioxid als zweite Deckschicht ermöglicht daher eine noch größere Gesamtdicke der Deckschichtanordnung ohne signifikante Änderung der optischen Leistungsfähigkeit des Schichtsystems. Je dicker die Siliziumdioxidschicht ist, desto größer wird die für die Erzielung der gleichen optischen Eigenschaften resultierende Gesamtschichtdicke der Deckschichtanordnung. Eine höhere Gesamtschichtdicke verbessert die mechanische Widerstandsfähigkeit des gesamten Schichtsystems.
In einer Ausführungsvariante ist über der Deckschichtanordnung eine Schutzschicht aus Titanoxid angeordnet. Diese weist eine Schichtdicke von ca. 3 bis 5 nm auf und dient vordergründig der Glättung der Oberfläche sowie der Verringerung der Kratzempfindlichkeit. Beide Funktionen tragen zudem zu einer Erhöhung der Abriebfestigkeit bei.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante der Schutzschicht ist über der Deckschichtanordnung eine Schutzschicht aus amorphem Titanoxinitrid angeordnet. Eine solche Schutzschicht weist im Vergleich zu bekannten Deckschichten bereits bei sehr geringen Schichtdicken eine verbesserte mechanische und auch chemische Beständigkeit auf, wobei der optische Einfluss auf das darunter liegende Schichtsystem vernachlässigbar oder zumindest kompensierbar ist.
In einer Ausführungsvariante beträgt die Schichtdicke einer Si₃N₄-Grundschicht zwischen 10 nm und 30 nm. Mit dieser Schichtdicke wird insbesondere die Temperfähigkeit des Schichtsystems verbessert, da eine solche Schichtdicke die Stabilität des Schichtsystems z. B. durch Verringerung der Diffusion von Natriumionen aus einem Glassubstrat in das darüber liegende Schichtsystem verhindert.
Die oben für Single-Low-E-Schichtsysteme beschriebenen Vorteile und Ausführungsformen sind in analoger Weise auch für eine Ausführungsvarianten mit zwei oder mehr Funktionsschichtanordnungen mit jeweils einer eigenen Funktionsschicht anwendbar, von denen zumindest eine, alternativ auch mehrere, die beschriebene erfindungsgemäße Funktionsschichtanordnung aufweist. Auch deren grundsätzlicher Aufbau entspricht dem im Single-Low-E-Schichtsystem beschriebenen. Grundsätzlich übereinstimmende Funktionsschichtanordnungen schließen jedoch ein, dass sie sich in den verwendeten Materialien auch unterscheiden können, sofern sie in die oben beschriebene Charakterisierung der Funktionsschicht, Blockerschicht, Keimschicht und gegebenenfalls Interface-Schicht einzuordnen sind.
Eine zweite und jede weitere Funktionsschichtanordnung wird unter der Deckschichtanordnung und über der darunter liegenden Funktionsschichtanordnung eingefügt. Die Trennung zwischen beiden Funktionsschichtanordnungen und demzufolge auch deren Verknüpfung miteinander erfolgt durch eine Zwischenschichtanordnung, so dass die Schichtenfolge eine Funktionsschichtanordnung, darüber eine Zwischenschichtanordnung und eine weitere Funktionsschichtanordnung und gegebenenfalls weitere, sich abwechselnde Zwischen- und Funktionsschichtanordnungen umfasst. Eine Zwischenschichtanordnung kann jeweils eine oder mehrere dielektrische Zwischenschichten umfassen. Beispielsweise umfassen Zwischenschichtanordnungen eine Zinkstannatschicht oder eine Siliziumnitridschicht oder eine Aluminiumnitridschicht.
Die Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems werden mittels Vakuumbeschichtung im Durchlaufverfahren aus der Gasphase auf einem dielektrischen Substrat oder einer bereits abgeschiedenen Schicht nacheinander abgeschieden. Die Abscheidung zumindest einer der Schichten, bevorzugt aller Schichten, erfolgt mittels DC- oder MF-Magnetronsputtern.
Bevorzugt erfolgt die Abscheidung der dicken dielektrischen Deckschichten, bei denen ab einer materialabhängigen Dicke nachteilige Schichtspannungen zu verzeichnen sind, mittels MF-Magnetronsputtern bei einem erhöhten Druck zwischen 5 × 10^-3 und 7 × 10^-3 mbar. Bei den hier besprochenen Materialien sind das Schichtdicken von mehr als etwa 30 nm, bevorzugt mehr als 40 nm. Mittels der Druckerhöhung kann die Schichtspannung verringert werden, wodurch die Stabilität des Schichtsystems ebenfalls zunimmt. Insbesondere die Abriebfestigkeit und die Alkoholwischbeständigkeit des Schichtsystems können mit diesem Verfahren verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Deckschicht eine Siliziumdioxidschicht im Übergangsmode abgeschieden. Vorteilhaft können dadurch auch nahezu absorptionsfreie Schichten bei hohen Abscheideraten abgeschieden werden. Die Abscheidung im Übergangsmode wird durch eine geeignete Regelung, z. B. eine Spannungsregelung, PEM-Regelung (Plasma emission monitoring) oder Lambdasonden-Regelung ermöglicht.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

1 ein erfindungsgemäßes Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem
2 ein weiteres erfindungsgemäßes Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem

In einem ersten Ausführungsbeispiel ist auf einem Glassubstrat zunächst eine Grundschichtanordnung GA bestehend aus einer Si₃N₄-Grundschicht GAG mit einer Schichtdicke von ca. 20 nm abgeschieden.
Direkt über der Grundschichtanordnung GA befindet sich die Funktionsschichtanordnung FA aus einer metallischen Funktionsschicht FAF aus Silber mit einer Schichtdicke von ca. 14 nm, einer direkt unter der metallischen Funktionsschicht FAF angeordneten unteren Blockerschicht FAUB aus Nickelchrom NiCr mit einer Schichtdicke von ca. 1 nm sowie einer direkt unter der unteren Blockerschicht FAUB angeordneten Keimschicht (FAK) aus aluminiumdotiertem Zinkoxid Al:ZnO mit einer Schichtdicke von ca. 22 nm. Weiterhin befinden sich als Teil der Funktionsschichtanordnung FA direkt über der metallischen Funktionsschicht FAF eine obere Blockerschicht FAOB aus einem unterstöchiometrischen Nickel-Chrom-Oxid NiCrO_x mit einer etwas größeren Schichtdicke als die untere Blockerschicht FAUB, die jedoch kleiner als 2 nm ist. Direkt über der oberen Blockerschicht FAOB befindet sich eine Interface-Schicht FAIS aus aluminiumdotiertem Zinkoxid mit einer Schichtdicke von ca. 14 nm.
Direkt über der Funktionsschichtanordnung FA ist die Deckschichtanordnung DA angeordnet, bestehend aus einer direkt über der Interface-Schicht FAIS angeordneten unteren, ersten dielektrischen Deckschicht DA1 aus Siliziumoxinitrid mit einer Schichtdicke von ca. 34 nm und einer direkt über der unteren Deckschicht DA1 angeordneten oberen, zweiten dielektrischen Deckschicht DA2 aus Siliziumdioxid mit einer Schichtdicke von ca. 13 nm.
Direkt oberhalb der oberen Deckschicht DA2 ist eine Schutzschicht aus Titandioxid mit einer Schichtdicke von ca. 4 nm angeordnet.
Sämtliche Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems wurden mittels Magnetronsputtern abgeschieden. Die Abscheidung der unteren Deckschicht DA1 aus Siliziumoxinitrid erfolgte bei einem erhöhten Druck zwischen 5 × 10^-3 und 7 × 10^-3 mbar. Die Abscheidung der oberen Deckschicht DA2 aus Siliziumdioxid erfolgte im Transition-Mode.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist folgende Farbwerte auf: a*(Rg) = -0,6; b*(Rg) = -7,0.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist auf einem Glassubstrat zunächst eine Grundschichtanordnung GA bestehend aus einer Si₃N₄-Grundschicht GAG mit einer Schichtdicke von ca. 18 nm abgeschieden.
Direkt über der Grundschichtanordnung GA befindet sich die Funktionsschichtanordnung FA aus einer metallischen Funktionsschicht FAF aus Silber mit einer Schichtdicke von ca. 14 nm, einer direkt unter der metallischen Funktionsschicht FAF angeordneten unteren Blockerschicht FAUB aus Nickelchrom NiCr mit einer relativ dicken Schichtdicke von ca. 1 nm sowie einer direkt unter der unteren Blockerschicht FAUB angeordneten Keimschicht (FAK) aus aluminiumdotiertem Zinkoxid Al:ZnO mit einer Schichtdicke von ca. 22 nm. Weiterhin befinden sich als Teil der Funktionsschichtanordnung FA direkt über der metallischen Funktionsschicht FAF eine obere Blockerschicht FAOB aus einem unterstöchiometrischen Nickel-Chrom-Oxid NiCrO_x ebenfalls mit einer Schichtdicke von ca. 1 nm, die bevorzugt geringfügig dünner ausgebildet sein kann, als die untere Blockerschicht FAUB und direkt über der oberen Blockerschicht FAOB eine Interface-Schicht FAIS aus aluminiumdotiertem Zinkoxid mit einer Schichtdicke von ca. 14 nm.
Direkt über der Funktionsschichtanordnung FA ist die Deckschichtanordnung DA angeordnet, bestehend aus einer direkt über der Interface-Schicht FAIS angeordneten ersten dielektrischen Deckschicht DA1 aus Siliziumoxinitrid mit einer Schichtdicke von ca. 40 nm.
Direkt oberhalb der ersten Deckschicht DA1 ist eine Schutzschicht aus Titandioxid mit einer Schichtdicke von 3,8 nm angeordnet.
Sämtliche Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems wurden mittels Magnetronsputtern abgeschieden. Die Abscheidung der ersten Deckschicht DA1 aus Siliziumoxinitrid erfolgte bei einem erhöhten Druck zwischen 5 x 10^-3 und 7 x 10^-3 mbar.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist folgende Farbwerte auf: a*(Rg) = -1,1; b*(Rg) = -7,0.
Ein bevorzugtes Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem weist somit auf einem transparenten, dielektrischen Substrat (S) die folgenden transparenten Schichten, vom Substrat (S) aufwärts betrachtet, auf:

- eine Siliziumnitridschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 15 - 25 nm, bevorzugt 15 - 20 nm
- eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 25 nm, bevorzugt 20 - 25 nm
- eine Nickelchromschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,5 - 1,5 nm, bevorzugt 0,8 - 1,5 nm
- eine Silberschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 18 nm,
- eine unterstöchiometrische Nickelchromoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 - 1,5 nm,
- eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 - 16 nm, bevorzugt 12 - 16 nm
- eine Siliziumoxinitridschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 35 - 45 nm, bevorzugt 40 - 45 nm
- eine Titandioxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 2 - 5 nm.

Bezugszeichenliste

S: Substrat
GA: Grundschichtanordnung
GAG: Grundschicht
FA: Funktionsschichtanordnung
FAK: Keimschicht
FAUB: untere Blockerschicht
FAF: metallische Funktionsschicht
FAOB: obere Blockerschicht
FAIS: Interface-Schicht
ZA: Zwischenschichtanordnung
ZAZ: Zwischenschicht
DA: Deckschichtanordnung
DA1: erste Deckschicht
DA2: zweite Deckschicht
SS: Schutzschicht

Claims

Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat (S) mit folgenden transparenten Schichtanordnungen, vom Substrat (S) aufwärts betrachtet: - eine Grundschichtanordnung (GA) mit mindestens einer dielektrischen Grundschicht (GA1) aus einem Nitrid, Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, - eine Funktionsschichtanordnung (FA) mit mindestens einer metallischen Funktionsschicht (FAF) zur Reflexion von Infrarotstrahlung, mit einer Keimschicht (FAK) aus intrinsischem oder dotiertem Zinkoxid zur Einstellung der opto-elektrischen Eigenschaften der Funktionsschicht und mit einer zwischen der Funktionsschicht (FAF) und der Keimschicht (FAK) angeordneten und direkt unter der Funktionsschicht (FAF) angeordneten unteren Blockerschicht (FAUB) aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung, - eine Deckschichtanordnung (DA) mit mindestens einer ersten dielektrischen Deckschicht (DA1) aus Siliziumoxinitrid mit einem Brechungsindex von 1,8 ± 0,1 bei einer Wellenlänge von 550 nm, - wobei direkt über der metallischen Funktionsschicht (FAF) eine obere Blockerschicht (FAOB) aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid eines Metalls, einer Metallmischung oder Metalllegierung und direkt über der oberen Blockerschicht (FAOB) eine Interface-Schicht (FAIS) aus intrinsischem Zinkoxid oder dotiertem Zinkoxid oder Zinkstannat angeordnet ist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, wobei die obere Blockerschicht (FAOB) ein unterstöchiometrisches Oxid des Metalls, der Metallmischung oder der Metalllegierung der unteren Blockerschicht (FAUB) ist.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Interface-Schicht (FAIS), wie die Keimschicht (FAK), intrinsisches oder dotiertes Zinkoxid als wesentlichen Bestandteil aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckschichtanordnung (DA) eine direkt über der ersten dielektrischen Deckschicht (DA1) angeordnete obere zweite dielektrische Deckschicht (DA2) aus Siliziumoxid umfasst.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei über der Deckschichtanordnung (DA) eine Schutzschicht (SS) aus Titandioxid angeordnet ist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei über der Deckschichtanordnung (DA) eine Schutzschicht (SS) aus amorphem Titanoxinitrid angeordnet ist.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundschicht (GA1) eine Siliziumnitridschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 30 nm abgeschieden ist.
Schichtsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: - zumindest eine weitere obere Funktionsschichtanordnung (FA), die unter der Deckschichtanordnung (DA) angeordnet und von einer darunter liegenden unteren Funktionsschichtanordnung (FA) durch eine Zwischenschichtanordnung (ZA) mit mindestens einer Zwischenschicht (ZAZ) getrennt ist.
Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat (S) mit folgenden transparenten Schichten, vom Substrat (S) aufwärts betrachtet: - eine Siliziumnitridschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 15 - 25 nm, bevorzugt 15 - 20 nm, - eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 25 nm, bevorzugt 20 - 25 nm, - eine Nickelchromschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,5 - 1,5 nm, bevorzugt 0,8 - 1,5 nm, - eine Silberschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 18 nm, - eine unterstöchiometrische Nickelchromoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 - 1,5 nm, - eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 - 16 nm, bevorzugt 12 - 16 nm, - eine Siliziumoxinitridschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 35 - 45 nm, bevorzugt 40 - 45 nm, - eine Titandioxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 2 - 5 nm.
Verfahren zur Beschichtung eines dielektrischen Substrats (S) mittels Vakuumbeschichtung im Durchlaufverfahren, wobei die Schichten eines Infrarotstrahlung reflektierenden Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 nacheinander aus der Gasphase auf dem Substrat (S) oder einer bereits auf dem Substrat (S) abgeschiedenen Schicht abgeschieden werden und die Abscheidung zumindest einer der Schichten mittels DC- oder MF-Magnetronsputtern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Abscheidung zumindest einer der dielektrischen Deckschichten (DA1, DA2) mittels MF-Magnetronsputtern bei einem Druck zwischen 5 x 10^-3 und 7 x 10^-3 mbar erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 soweit sich diese auf Schichtsysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beziehen, wobei als obere zweite Deckschicht (DA2) eine Siliziumdioxidschicht im Übergangsmode abgeschieden wird.