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Die Erfindung betrifft allgemein Deckgläser, insbesondere Deckgläser für Displays solcher Geräte. Im Speziellen betrifft die Erfindung Deckgläser, die mit einer funktionellen Beschichtung versehen sind.
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An die Deckgläser mobiler Elektronikgeräte, wie sogenannte Smart-Phones und Tablet-PCs werden hohe Anforderungen an die Festigkeit und Dauerhaftigkeit gestellt, damit die Displays auch nach längerer Nutzungsdauer nicht reißen und verkratzen. Insbesondere werden auch herstellerseitig sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Verformung solcher Deckgläser gestellt. Je nach Ausführungsform des Displays sollten auf eine Länge (Diagonale) von 6 Zoll (ca. 150 mm) maximal 50–100µm Durchbiegung vorhanden sein. Es werden daher viele Anstrengungen unternommen, ein möglichst ebenes Glassubstrat zu produzieren, das auch nach einer chemischen Vorspannung und auch nach möglicherweise angewendeten ein- oder beidseitigen Politurschritten derart eben ist, dass eine Prozessierung zu einem Produkt möglich ist. Ebene, chemisch vorgespannte Deckgläser, zumeist aus Alumosilikatgläsern sind bekannt und Stand der Technik. Ein Nachteil gewöhnlicher Gläser ist allerdings, dass diese vergleichsweise hohe Reflektivitäten aufweisen. Gerade beim mobilen Einsatz wirken Reflexe auf dem Display aber sehr störend. So werden mobile Elektronikgeräte oft im Freien in einer sehr hellen Umgebung bedient. Die Reflexe sind entsprechend stark, so dass sich das Display gegebenenfalls kaum noch oder gar nicht mehr ablesen lässt.
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Abhilfe können hier insbesondere auch Antireflex-Beschichtungen schaffen. Auch können Beschichtungen dazu dienen, das Deckglas vor schnellem Verkratzen zu schützen.
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Beschichtungen, die z.B. über das Sputterverfahren aufgebracht werden, haben allerdings im Allgemeinen eine Eigenspannung, die zu einer Verformung des Substrates führt. Die Stärke der Verformung ist von vielen Faktoren abhängig, wie z.B. Prozessparamtern (Temperatur, Leistungsdichte, Druck, Prozessgas, etc.), vom Substratmaterial (CTE, Dicke, etc.) und Beschichtungsmaterial (CTE, Schichtdicke).
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Eine geschickte Prozessführung kann unter Umständen zu einer Reduktion der Verformung führen – allerdings ist die Wahl der Prozessparameter nicht immer frei möglich oder günstig, da gegebenenfalls Schichtdicken durch ein spezielles optisches Design vorgegeben oder weitere Schichteigenschaften, wie hohe mechanische Beständigkeit gefordert sind.
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Typischerweise stehen mechanisch beständige Schichten, sogenannte Hartstoffschichten oder Verschleißschutzschichten unter einer hohen Eigenspannung – ihre Performance ist gerade durch die hohe Eigenspannung gegeben, und die Beschichtungsparameter sind derart gewählt, dass eine hohe Eigenspannung der Schicht erzielt wird.
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Somit können nicht ohne Weiteres dünne, ebene Glassubstrate, wie sie in Smartphones oder Tablet-PCs eingesetzt werden, mit einer Hartstoffschicht oder einer mechanisch beständigen Antireflex-System beschichtet werden, da diese Schichten bei einer guten mechanischen Performance unweigerlich zu einer starken Verformung des Glases führen und eine weitere Prozessierung nach Beschichtung nicht ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die durch eine Beschichtung (beispielsweise eine Hartstoffschicht oder ein mechanisch stabiles Antireflexsystem) herbeigeführte Verformung eines (gegebenenfalls chemisch vorgespannten) Glassubstrates zu verhindern oder mindestens derart zu minimieren, so dass eine Weiterverarbeitung zu einem Produkt möglich wird.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Deckglas-Elements für eine optische Anzeige, insbesondere für eine optische Anzeige eines mobilen elektronischen Geräts, vor, wobei
- – ein flächiges, chemisch vorgespanntes Glassubstrat bereitgestellt wird, welches beidseitig unter Druckspannung stehende Austauschschichten (11, 12) aufweist und wobei
- – auf das Glassubstrat auf einer Seitenfläche eine anorganische Beschichtung abgeschieden wird, welche zumindest eine Hartstoffschicht umfasst, und welche eine Eigenspannung aufweist, derart, dass auf das Glassubstrat durch die Eigenspannung ein Biegemoment ausgeübt wird,
- – und wobei dem Deckglas mit dem Glassubstrat ein Biegemoment entgegengesetzten Vorzeichens aufgeprägt wird, welches einer Verwölbung des Glassubstrats durch die Eigenspannung der anorganischen Beschichtung entgegenwirkt, wobei das Biegemoment entgegengesetzten Vorzeichens ein intrinsisches Biegemoment des Deckglas-Elements ist oder die Eigenspannung nach dem Beschichten reduziert, so dass eine verbleibende Verformung kleiner als 300 µm, vorzugsweise kleiner 200 µm, besonders bevorzugt kleiner als 100 µm auf einer Strecke von 150 Millimetern gemessen entlang der Oberfläche des Glassubstrats ist.
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Hartstoffschichten können insbesondere durch Nitride, Carbide und/oder Boride, sowie einige harte Oxide, wie Al2O3 oder Wolframoxid gebildet werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Glassubstrat mit einer anorganischen Beschichtung beschichtet, welche zumindest eine nitridhaltige Hartstoffschicht umfasst. Nitride sind nicht nur sehr hart, sondern bieten auch vorteilhafte optische Eigenschaften. Insbesondere Siliziumnitrid ist sehr transparent und damit als optische funktionale Schicht geeignet. Eine Siliziumnitridhaltige Hartstoffschicht wird daher besonders bevorzugt. Auch Aluminiumnitrid ist geeignet. Insbesondere kann eine Schicht verwendet werden, die sowohl Siliziumnitrid, als auch Aluminiumnitrid enthält.
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Das Aufprägen eines Biegemoments entgegengesetzten Vorzeichens kann dabei vor, während oder nach dem Abscheiden der anorganischen Beschichtung erfolgen.
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Das Deckglas-Element wird gebildet durch das Glassubstrat und der oder den darauf abgeschiedenen Beschichtungen.
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Unter einem intrinsischen Biegemoment wird ein Biegemoment verstanden, welches dem Deckglas-Element selbst innewohnt und von einem Teil oder Abschnitt des Deckglas-Elements, insbesondere einer Schicht im Glas oder einer Beschichtung ausgeübt wird. Das Biegemoment wird also nicht von außen, etwa durch Aufpressen auf eine Unterlage oder Einspannen in einer Halterung erzeugt.
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Mit der Erfindung wird es damit möglich, Beschichtungen, die unter Druck- oder Zugspannung stehen, selbst auf dünne Gläser aufzubringen und das Deckglas-Element mit der Beschichtung dennoch eben zu halten. Besondere Vorteile bringt die Erfindung daher insbesondere bei dünnen Glassubstraten mit einer Dicke von kleiner als 2 Millimetern, vorzugsweise kleiner 1,5 Millimetern, insbesondere bevorzugt kleiner 1,1 Millimetern.
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Die Erfindung wird nachfolgend, auch anhand der Figuren genauer erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:
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1 ein Deckglas-Element umfassend ein mit einer anorganischen, unter Eigenspannung stehenden Beschichtung versehenes Dünnglas, wobei die beschichtete Seite des Dünnglases konvex verwölbt ist,
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2 ein Deckglas-Element umfassend ein mit einer anorganischen, unter Eigenspannung stehenden Beschichtung versehenes Dünnglas, wobei die beschichtete Seite des Dünnglases konkav verwölbt ist,
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3 eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Beschichtung zur Kompensation einer Verwölbung,
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4 und 5 Ausführungsformen, bei welchen eine Austauschschicht teilweise abgetragen wird,
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6 bis 9 Verfahrensschritte gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Glassubstrat während der Beschichtung unter mechanische Spannung gesetzt wird,
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10 und 11 Antireflex-Beschichtungen auf Deckglas-Elementen, und
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12 schematisch einen Verlauf der mechanischen Spannung in Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Deckglas-Elements.
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In 1 ist ein beschichtetes, flächiges Glassubstrat 10 dargestellt. Das Glassubstrat 10 besteht aus einem für den Ionenaustausch geeigneten Glas, also insbesondere einem Glas, welches Alkalioxid als Glaskomponente enthält. Das Glassubstrat ist chemisch vorgespannt, indem Alkali-Ionen des Glassubstrats 10 durch größere Homologe in oberflächlichen Austauschschichten 11, 12 an beiden Seitenflächen 13, 14 zumindest teilweise ausgetauscht werden. Die durch die Austauschtiefe definierten Grenzen der Austauschschichten sind durch gestrichelte Linien in 1 gekennzeichnet. Durch das chemische Vorspannen erhält das Glassubstrat 10 eine höhere Festigkeit, was das Glassubstrat 10 insbesondere auch für Deckgläser von mobilen elektronischen medialen Geräten, wie Smartphones und Tablet-PCs geeignet macht.
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Oft ist es wünschenswert, dem Glas bestimmte Eigenschaften, wie eine hohe Kratzbeständigkeit oder geringe Lichtreflexion zu verleihen. Dazu wird eine der Seitenflächen 13, 14, im dargestellten Beispiel die Seitenfläche 13 mit einer funktionalen anorganischen Beschichtung 20 beschichtet, welche zumindest eine Hartstoffschicht umfasst. Die Beschichtung 20 kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Antireflex-Beschichtung sein. Hier können insbesondere eine oder mehrere Hartstoffschichten Bestandteil einer mehrlagigen Antireflexbeschichtung sein. Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung kann das Glassubstrat 10 mit einer anorganischen Beschichtung 20 beschichtet werden, welche zumindest eine Hartstoffschicht umfasst. Nitridhaltige oder nitridbasierte Hartstoffschichten, wie Nitride oder Oxinitride zeichnen sich durch eine hohe Transparenz aus. Besonders geeignet sind Nidride oder Oxinitride von Silizium und/oder Aluminium.
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Allerdings weisen viele anorganische Beschichtungen eine Eigenspannung auf. Diese führt dazu, dass nach dem Abscheiden der Beschichtung ein Biegemoment auf das Substrat, hier also das Glassubstrat 10 ausgeübt wird. Dieses Biegemoment führt dann zu einer Verwölbung des flächigen Glassubstrats 10. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel hat die anorganische Beschichtung 20 eine Druck-Eigenspannung. Durch diese Druck-Eigenspannung wird das Glassubstrat 10, beziehungsweise die Seitenfläche 13 mit der Beschichtung 20 konvex verwölbt. Entsprechend würde bei einer Zug-Eigenspannung eine konkave Verwölbung der beschichteten Seitenfläche 13 auftreten. Diesen Fall zeigt 2.
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Für viele Anwendungen, insbesondere auch als Deckglas für Anzeigen mobiler elektronischer Geräte sind solche Verwölbungen nachteilig. Mit der Erfindung wird nun die Verwölbung beseitigt oder zumindest verringert, indem im Deckglas-Element 1 umfassend das Glassubstrat 10 und die anorganische Beschichtung 20 ein Biegemoment erzeugt wird, welches der Eigenspannung der Beschichtung 20 entgegenwirkt. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird also nun dementsprechend ein Biegemoment aufgeprägt, welches ohne die Eigenspannung der Beschichtung 20 zu einer konvexen Verwölbung der beschichteten Seitenfläche 13 führt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wie schematisch in 3 dargestellt, auf der der Beschichtung 20 gegenüberliegenden Seitenfläche 14 des Glassubstrats 10 eine Verformungskompensations-Beschichtung 30 abgeschieden, welche ebenfalls eine Eigenspannung aufweist, wobei die Eigenspannung der Beschichtung 20 und die Eigenspannung der Verformungskompensations-Beschichtung 30 gleiches Vorzeichen aufweisen, so dass bei einer Druckspannung der anorganischen Beschichtung (20) auch die Verformungskompensations-Beschichtung (30) eine Druckspannung aufweist und umgekehrt bei einer Zugspannung der anorganischen Beschichtung (20) auch die Verformungskompensations-Beschichtung (30) eine Zugspannung aufweist. Im Idealfall sind die Eigenspannungen der Beschichtung 20 und der Verformungskompensations-Beschichtung 30 gleich groß. In diesem Fall würde die von der Beschichtung 20 hervorgerufene Verwölbung vollständig kompensiert. Sollte die Eigenspannung der Verformungskompensations-Beschichtung 30 nicht exakt identisch mit der Eigenspannung der funktionalen Beschichtung 20 sein sondern sich lediglich in Nähe, mit beispielsweise 20% Abweichung, befinden, erhält man durch Anwendung der Verformungskompensations-Beschichtung 30 trotzdem ein mit einer funktionalen Schicht versehenes Deckglas-Element 1 mit einer deutlich reduzierten Verformung. Die Anwendung einer Verformungskompensations-Beschichtung 30 stellt also eine robuste Möglichkeit zur Reduktion der Verformung eines beschichteten Glassubstrates dar.
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Die Verformungskompensations-Beschichtung 30 muss dabei nicht gleichartig zur funktionalen anorganischen Beschichtung 20 sein. Vielmehr kann sich die Verformungskompensations-Beschichtung 30 von der Beschichtung 20 hinsichtlich der Schichtdicke, des Schichtmaterials und gegebenenfalls der Schichtabfolge von einzelnen Schichten innerhalb der Beschichtungen 20, 30 unterscheiden.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es auch gegebenenfalls, die Verwölbung während des Abscheidens der Verformungskompensations-Beschichtung 30 zu kontrollieren.
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Dabei kann der Abscheidevorgang auch unterbrochen, die Verwölbung gemessen und bei einer verbleibenden Verwölbung eine weitere Schicht als Bestandteil der Verformungskompensations-Beschichtung 30 abgeschieden werden. Gemäß einer Weiterbildung der anhand von 2 beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also nach dem Beginn und vor dem Ende des Abscheidens der Verformungskompensations-Beschichtung 30 die Verwölbung gemessen und die Abscheideparameter bei der weiteren Abscheidung der Verformungskompensations-Beschichtung 30 anhand der gemessenen verbleibenden Verwölbung eingestellt, um die verbleibende Verwölbung zu kompensieren. Bevorzugt wird als Abscheideparameter die Schichtdicke verwendet. Gegebenenfalls ist es aber auch möglich, die Eigenspannung durch andere Parameter, wie etwa die Energiedichte des Plasmas bei einer Sputterbeschichtung einzustellen.
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In Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung weist die Verformungskompensations-Beschichtung 30 einen ähnlichem Brechungsindex, vorzugsweise auch einen niedrigen oder ähnlichen Absorptionskoeffizienten wie das Glassubstrat 10 auf, unabhängig von der Art und dem Aufbau der funktionalen anorganischen Beschichtung 20. Dadurch ist sichergestellt, dass die Schicht optisch nicht auffällig ist. Weiterhin ist sichergestellt, dass die Schicht auch nach dem anbinden (bonden, laminieren) an eine Polymerfolie nicht optisch auffällig wird. Als ähnlicher Brechungsindex wird insbesondere ein Brechungsindex erachtet, dessen Differenz zum Brechungsindex des Glases betragsmäßig nicht größer als 0,2, vorzugsweise nicht größer als 0,1 ist.
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Idealerweise besitzt die Verformungskompensations-Beschichtung 30 gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung eine dem Glas ähnliche chemische Zusammensetzung. Dadurch ist sichergestellt, dass das Verfahren des Bondens/Laminierens an eine Polymerfolie genauso gut funktioniert wie an das Glas selbst.
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Idealerweise besitzt die Verformungskompensations-Beschichtung 30 eine Eigenspannung, die bei gleicher Schichtdicke vom Betrag her mindestens so hoch ist wie die der funktionalen Schicht. Vorzugsweise ist die Eigenspannung bei gleicher Schichtdicke sogar größer. Dadurch lässt sich die Verformungskompensationsschicht dünner ausführen als die funktionale anorganische Beschichtung 20.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform basiert darauf, dass das intrinsische Biegemoment durch teilweisen Abtrag einer der Austauschschichten 11, 12 erfolgt, so dass die Druckspannungen der Austauschschichten (11, 12) unterschiedlich werden. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders bei einer wie in 2 gezeigten konkaven Verwölbung der beschichteten Seitenfläche 13 geeignet. Wie anhand von 4 dargestellt, wurde die Austauschschicht 12 an der der beschichteten Seitenfläche 13 gegenüberliegenden Seitenfläche 14 teilweise abgetragen, so dass die Glasdicke um einen Betrag ∆d reduziert ist. Demgemäß ist in 4 die Austauschschicht 12 dünner als die Austauschschicht 11 unter der Beschichtung 20.
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Entsprechend erniedrigt sich die Druckspannung an der Seitenfläche 14, so dass durch die unterschiedlichen Druckspannungen der beiden Austauschschichten nun ein Biegemoment erzeugt wird, welches dem durch die anorganische Beschichtung 20 erzeugten Biegemoment entgegenwirkt. Durch das Entfernen des chemisch vorgespannten Glasmaterials via Politur um einen Dickenbetrag ∆d wird die chemische Vorspannung auf der unbeschichteten Seite reduziert, so dass sich die auf das System wirkende Kraftkomponente reduziert. Mit voranschreitender Politurdauer oder Politurtiefe wird das System aus Substrat 10 und Beschichtung 20 zunehmend eben.
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Im Idealfall wird ein ebenes Deckglas-Element 1 erhalten. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Korrektur einer Verwölbung nach dem Abscheiden der Beschichtung 20 erfolgen. Denkbar wäre aber auch, den Abtrag vor dem Abscheiden der Beschichtung 20 vorzunehmen.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird also eine anorganische Beschichtung 20, welche eine Zug-Eigenspannung aufweist, auf einer Seitenfläche 13 abgeschieden, wobei auf der dieser Seitenfläche 13 gegenüberliegenden Seitenfläche 14 des Glassubstrats 10 die Austauschschicht 12 zuvor teilweise abgetragen wurde.
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Weist die Beschichtung 20 eine Druck-Eigenspannung auf, so dass es zu einer wie in 1 dargestellten konvexen Verwölbung käme, kann eine solche Verwölbung aber ebenfalls korrigiert werden. In diesem Fall wird die Austauschschicht 11 an der Seitenfläche 13 teilweise abgetragen. Der Abtrag erfolgt hier vor dem Abscheiden der Beschichtung 20, jedoch wie erfindungsgemäß vorgesehen ebenfalls nach dem chemischen Vorspannen. 5 zeigt ein Deckglas-Element 1 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, bei welcher entsprechend die Austauschschicht 11 eine geringere Dicke aufweist, als die Austauschschicht 12. Allgemein basiert also diese Ausführungsform darauf, dass an einer Seitenfläche 13 des chemisch vorgespannten Glassubstrats 10 zunächst die Austauschschicht 11 teilweise abgetragen und anschließend auf diese Seitenfläche die Beschichtung 20 abgeschieden wird, wobei die Beschichtung 20 eine Druck-Eigenspannung aufweist.
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Allgemein, ohne Beschränkung auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele erfolgt der teilweise Abtrag vorzugsweise durch Polieren der jeweiligen Seitenfläche 13, 14.
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Um eine Druck-Eigenspannung einer Beschichtung 20 durch Beeinflussung der Austauschschichten 11, 12 zu kompensieren, gibt es noch eine weitere Möglichkeit. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird auf das chemisch vorgespannte Glassubstrat 10 eine Beschichtung aufgebracht und das Glassubstrat 10 danach zusätzlich, beziehungsweise nochmals chemisch vorgespannt. Die Beschichtung wirkt als Diffusionsbarriere, so dass durch das chemische Vorspannen auf der unbeschichteten Seitenfläche 13, 14 eine höhere Druckspannung erzeugt wird, als auf der gegenüberliegenden Seitenfläche 14. Dieses Verfahren ist dann besonders einfach, wenn die funktionale anorganische Beschichtung 20 selbst diese als Diffusionsbarriere wirkende Beschichtung bildet. Diese Weiterbildung der Erfindung basiert demgemäß dann darauf, dass die anorganische Beschichtung 20 eine Druckspannung ausübt, wobei nach dem Abscheiden der anorganischen Beschichtung 20 ein zusätzliches, beziehungsweise nochmaliges chemisches Vorspannen des Glassubstrats 10 durchgeführt wird, wobei die anorganische Beschichtung 20 als Diffusionsbarriere wirkt, so dass durch das chemische Vorspannen auf der mit der anorganischen Beschichtung 20 beschichteten Seitenfläche 13 eine geringere Druckspannung erzeugt wird, als auf der gegenüberliegenden Seitenfläche 14. Ebenso wie in 5 dargestellt, ergibt sich damit eine gegenüber der Austauschschicht 11 tieferreichende Austauschschicht 12 an der der beschichteten Seitenfläche 13 gegenüberliegenden Seitenfläche 14.
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Gemäß noch einer Weiterbildung kann auch eine andere Beschichtung als Diffusionsbarriere wirken. Diese Beschichtung kann auch nach dem nochmaligen chemischen Vorspannen wieder entfernt werden. Auf diese Weise ist es auch möglich, eine Zug-Eigenspannung der anorganischen Beschichtung 20 zu kompensieren, wenn die andere Beschichtung auf der mit der anorganischen Beschichtung 20 zu versehenden Seitenfläche 13 aufgebracht, die nochmalige chemische Vorspannung durchgeführt, die weitere Beschichtung entfernt und dann die funktionale anorganische Beschichtung 20 auf dieser Seitenfläche abgeschieden wird.
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Bei den bisherig erläuterten Ausführungsbeispielen wurde jeweils ein intrinsisches Biegemoment erzeugt, welches entgegengesetztes Vorzeichen gegenüber dem Biegemoment der Eigenspannung hat. Es ist auch möglich, dass das Biegemoment die Eigenspannung nach dem Beschichten reduziert, indem das Biegemoment nach dem Beschichten relaxiert wird.
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Es ist weiterhin auch möglich, die durch eine Eigenspannung entstehenden Biegemomente direkt in der anorganischen Beschichtung 20 und/oder der angrenzenden Seitenfläche zu kompensieren. Die Kompensation kann dabei insbesondere bereits beim Abscheideprozess der anorganischen Beschichtung 20 erfolgen. Diese Ausführungsform der Erfindung basiert darauf, dass das intrinsische Biegemoment erzeugt wird, indem das Glassubstrat 10 während des Beschichtens mit der anorganischen Beschichtung 20 gebogen, beziehungsweise verformt und damit unter mechanische Spannung gesetzt wird, und das Glassubstrat (10) nach dem Beschichten entlastet wird. Das intrinsische Biegemoment wird damit insbesondere auch in der Beschichtung 20 zumindest teilweise selbst erzeugt.
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Verfahrensschritte gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung werden beispielhaft anhand der 6 bis 9 erläutert. Das Beispiel basiert darauf, dass eine Beschichtung 20 aufgebracht wird, die eine Druck-Eigenspannung aufweist. Das Glassubstrat 10 wird zunächst, wie in 6 gezeigt, auf einem Substrathalter 4 vor einer Schichtabscheidevorrichtung 3 angeordnet. Um die Druck-Eigenspannung einer Beschichtung 20 zu kompensieren, wird das Glassubstrat 10 nun so gebogen, dass die zu beschichtende Seitenfläche 13 konkav verformt wird. Dazu wird wie in 7 dargestellt eine Zugeinrichtung 6 an der gegenüberliegenden Seitenfläche 14 angesetzt und das Glassubstrat 10 durch Ziehen mittels der Zugeinrichtung 6 verformt. Anschließend wird wie in 8 dargestellt die anorganische Beschichtung mittels der Schichtabscheidevorrichtung 3 abgeschieden. Vorzugsweise wird die Beschichtung 20 durch Sputtern erzeugt. Demgemäß ist in diesem Fall die Schichtabscheidevorrichtung 3 eine Sputtervorrichtung. Nach dem Abscheiden wird, wie in 9 gezeigt, das Glassubstrat 10 entspannt und die Zugeinrichtung 6 gelöst. Dabei wird gleichzeitig nun die abgeschiedene Beschichtung 20 verformt und erzeugt ein intrinsisches Biegemoment, welches der Druck-Eigenspannung entgegenwirkt.
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Wie bereits ausgeführt wird als anorganische Beschichtung 20 besonders bevorzugt ein Antireflex-Schichtsystem aufgebracht. Insbesondere kann ein solches AR-Schichtsystem auch ein oder mehrere Hartstoff-Schichten Schicht enthalten, die gleichzeitig als hochbrechende Schicht des AR-Schichtsystems dient. Auf diese Weise können dem Deckglas-Element gleichzeitig gute Antireflexeigenschaften und eine hohe Kratzbeständigkeit verliehen werden. Besonders geeignet sind dabei wie gesagt nitridhaltige Hartstoffschichten. Besonders Nitride oder Oxinitride von Silizium und/oder Aluminium sind einerseits hart, andererseits auch hinreichend transparent und weisen einen hohen Brechungsindex auf, so dass diese Materialien besonders geeignet für harte Antireflex-Beschichtungen sind. Allerdings entwickeln diese Beschichtungen im Allgemeinen hohe Eigenspannungen. Gerade für den Einsatz solcher Beschichtungen bringt die Erfindung große Vorteile, weil die Erfindung die Abscheidung dieser harten AR-Beschichtungen auch auf dünnen Substraten in einfacher Weise möglich macht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst dabei die anorganische Beschichtung 20 eine mehrlagige Antireflexbeschichtung, welche
- – Lagen mit verschiedenen Brechungsindizes aufweist, wobei sich vorzugsweise Lagen mit höherem Brechungsindex und Lagen mit niedrigerem Brechungsindex abwechseln, wobei
- – die Lagen mit niedrigerem Brechungsindex Siliziumoxid enthalten, und wobei
- – die Lagen mit höherem Brechungsindex ein Nitrid, vorzugsweise von Silizium und/oder Aluminium enthalten. Dabei kann das Nitrid auch ein Oxinitrid sein.
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Besonders bevorzugt enthalten die Lagen sowohl Silizium, also auch Aluminium. Insbesondere kann dabei das Verhältnis der Stoffmengen von Aluminium zu Silizium größer als 0,05, vorzugsweise größer als 0,08 betragen, wobei die Stoffmenge von Silizium aber gegenüber der Stoffmenge von Aluminium überwiegt.
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Diese Antireflex-Beschichtung kann in einfacher Weise durch reaktives Sputtern hergestellt werden. Insbesondere kann die Beschichtung durch Sputtern von einem einzelnen Target abgeschieden werden, wobei hoch- und niedrigbrechende Lagen durch Wechsel des Prozessgases erzeugbar sind.
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Vorzugsweise weist die Antireflexbeschichtung eine Schichtdicke im Bereich von insgesamt 200 bis 1000 Nanometern, bevorzugt im Bereich 200 bis 700 Nanometern auf.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Antireflexbeschichtung weiterhin zumindest zwei Lagen mit höherem Brechungsindex und zumindest zwei Lagen mit niedrigerem Brechungsindex auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, auf welcher auch die Ausführungsbeispiele der 10 und 11 beruhen, ist eine Antireflexbeschichtung 23 mit einem Schichtstapel aus vier aufeinanderfolgenden Lagen 24, 25, 26, 27 vorgesehen, bei welcher die unterste Lage 24 eine Siliziumnitrid-haltige höherbrechende Lage ist, wobei die weitere Siliziumnitrid-haltige höherbrechende Lage 26, welche die oberste hochbrechende Lage des Schichtstapels bildet, die größte Schichtdicke innerhalb des Schichtstapels aufweist, und wobei die oberste Lage 27 des Schichtstapels eine Lage mit niedrigerem Brechungsindex aus Siliziumoxid, vorzugsweise mit einem Anteil von Aluminium bildet und die zweitgrößte Schichtdicke unter den Lagen des Schichtstapels aufweist, wobei die erste Lage 24 und die zweite Lage 25, welche wie die oberste Lage eine Lage mit niedrigerem Brechungsindex aus Siliziumoxid mit einem Anteil von Aluminium ist, zusammengesetzt eine Schichtdicke aufweisen, die dünner als die Schichtdicke der obersten Lage ist.
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Insbesondere bei dem in 11 gezeigten Beispiel ist die Schichtdicke der obersten hochbrechenden Lage sehr groß. Das in 11 gezeigte Beispiel ist auf eine sehr hohe Kratzbeständigkeit optimiert. Überraschend sind jedoch die Entspiegelungseigenschaften nur geringfügig schlechter, als bei dem in 10 dargestellten, auf niedrige Reflektivität optimierten Beispiel.
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Die in beiden Beispielen vorhandene dicke dritte Lage der vierlagigen Antireflexbeschichtung in Form einer Hartstoffschicht sorgt für eine hohe ABrasiosnresistenz. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher allgemein, ohne Beschränkung auf die dargestellten Beispiele vorgesehen, dass die anorganische Beschichtung 20 eine Antireflexbeschichtung 23 mit einem Schichtstapel aus vier aufeinanderfolgenden Lagen 24, 25, 26, 27 umfasst, bei welcher die dritte Lage 26 eine siliziumnitrid-haltige höherbrechende Lage ist, deren Schichtdicke mindestens 40% des gesamten Schichtstapels 24, 25, 26, 27, bevorzugt mindestens 60% des gesamten Schichtstapels 24, 25, 26, 27, besonders bevorzugt mindestens 70% des gesamten Schichtstapels 24, 25, 26, 27 beträgt. Bei dem in 11 gezeigten Beispiel beträgt dabei die Schichtdicke der Lage 26 mehr als 70% der Dicke der gesamten vierlagigen Antireflexbeschichtung.
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Die anorganische Beschichtung 20 kann neben dem Schichtstapel der Antireflex-Beschichtung auch noch weitere Schichten umfassen. Bevorzugt wird dabei eine Haftvermittler-Schicht 28 vor dem Abscheiden der Antireflex-Beschichtung aufgebracht. Geeignet ist beispielsweise eine dünne Siliziumoxid-Schicht, insbesondere eine Schicht mit einer Zusammensetzung, wie sie auch die niedrigbrechenden Lagen 25, 26 der Antireflex-Beschichtung 23 aufweisen.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Deckglas-Elemente 1 zeichnen sich nun dadurch aus, dass das Spannungsprofil in Richtung senkrecht zur Oberfläche nicht symmetrisch zur Mittenebene ist. Im Allgemeinen gilt dies auch für den Spannungsverlauf im Glaselement gegenüber dessen Mittenebene. Dabei gleichen sich aber dennoch die durch die Spannungen erzeugten Biegemomente im Wesentlichen aus, so dass ein ebenes Deckglas erhalten wird. Wird beispielsweise einseitig zusätzlich vorgespannt, so wird die Druckspannung auf dieser Seite erhöht. Der Spannungsverlauf ist aber bereits deshalb typischerweise asymmetrisch, weil die Schichtdicke der anorganischen Beschichtung 20 sich von der Tiefe der Austauschschicht unterscheidet. Im Glaselement 10 ergibt sich durch die unterschiedliche chemische Vorspannung an beiden Seitenflächen ein asymmetrischer Spannungsverlauf. Im Idealfall sind dann bei ebenem Deckglas die Momente ausgeglichen.
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Ein Beispiel hierzu zeigt der schematische Verlauf der Druckspannung σ als Funktion der Ortskoordinate z senkrecht zur Oberfläche des Deckglas-Elements 1 in 12. Die Positionen von anorganischer Beschichtung 20, den Seitenflächen 13, 14 des Glaselements 10, der Austauschschichten 11, 12 und der parallel zu den Seitenflächen 13, 14 liegenden Mittenebene 16 sind mit den entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Druckspannungen sind im Diagramm als positive Werte dargestellt. Demgemäß ist im Beispiel die anorganische Beschichtung druckvorspannend. Die sich anschließende Austauschschicht 11 steht ebenfalls unter Druckspannung, allerdings ist diese niedriger, als die Druckspannung der Austauschschicht 12 an der gegenüberliegenden Seitenfläche 14. Die Maximalwerte CS der Druckspannung unterscheiden sich damit, wie auch im Beispiel der 12 dargestellt, um einen Wert ∆CS. Mithin ist das Spannungsprofil im Glaselement 10 asymmetrisch bezüglich der Mittenebene 16. Ein solches Spannungsprofil ist etwa bei dem in 5 gezeigten Beispiel vorhanden. Auch bei den anderen dargestellten Beispielen ergeben sich je nach Ausführungsform des Verfahrens unterschiedliche asymmetrische Spannungsprofile.
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Demgemäß sieht die Erfindung ohne Beschränkung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele auch ein erfindungsgemäß herstellbares Deckglas-Element 1 für eine optische Anzeige, insbesondere für eine berührungsempfindliche optische Anzeige eines mobilen elektronischen Geräts vor, umfassend
- – ein flächiges Glassubstrat 10, welches
- – chemisch vorgespannt ist, indem Alkali-Ionen des Glassubstrats 10 durch größere Homologe in oberflächlichen Austauschschichten 11, 12 an dessen beiden Seitenflächen 13, 14 zumindest teilweise ausgetauscht sind, und wobei
- – auf das Glassubstrat 10 auf einer Seitenfläche 13 eine anorganische Beschichtung 20 abgeschieden ist, welche eine Eigenspannung aufweist, derart, dass auf das Glassubstrat 10 durch die Eigenspannung ein Biegemoment ausgeübt wird, wobei
- – sich die Maximalwerte der Druckspannungen an den Seitenflächen des Glassubstrats unterscheiden, und/oder
- – das Spannungsprofil der mechanischen Spannungen im Glassubstrat in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Glaselements 10 asymmetrisch bezüglich der parallel zu den Seitenflächen 13, 14 verlaufenden Mittenebene ist, derart, dass die Eigenspannung der anorganischen Beschichtung 20 zumindest teilweise ausgeglichen wird. Mit diesen vorgenannten Merkmalen ist das Glassubstrat 10 derart eben, beziehungsweise nicht verwölbt, dass eine verbleibende Verformung kleiner als 300 µm, vorzugsweise kleiner 200 µm, besonders bevorzugt kleiner als 100 µm auf einer Strecke von 150 Millimetern gemessen entlang der Oberfläche des Glassubstrats 10 ist.
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Für den Fall, dass sich die Maximalwerte der Druckspannungen an den Seitenflächen 13, 14 des Glassubstrats 10 unterscheiden, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Differenz der maximalen Druckspannungen an den Seitenflächen 13, 14 weniger als 30MPa, vorzugsweise weniger als 15MPa unterscheiden. Solche Druckspannungen können sowohl durch den oben genannten teilweisen Abtrag einer Austauschschicht, als auch durch ein zusätzliches einseitiges Vorspannen erzielt werden und können auf diese Weise auch hohe Eigenspannungen der anorganischen Beschichtung 20 ausgleichen.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr im Rahmen des Gegenstands der nachfolgenden Ansprüche variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. So ist es durchaus möglich, mehrere Verfahren zur Erzielung eines asymmetrischen Spannungsprofils miteinander zu kombinieren. Beispielsweise könnte bei einer druckvorspannenden anorganischen Beschichtung 20 und einem Abtrag auf der zu beschichtenden Seitenfläche eine verbleibende Verwölbung durch ein einseitiges zusätzliches Vorspannen beseitigt werden. Auch kann ein Beschichten unter Verwölbung des Glassubstrats 10, wie es anhand der 6 bis 9 beschrieben wurde, mit einer der anderen Ausführungsformen des Verfahrens kombiniert werden, um verbleibende Verwölbungen auszugleichen. So kann je nach Verwölbung die gegenüberliegende Austauschschicht teilweise abgetragen oder durch zusätzliches Vorspannen verstärkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Deckglas-Element
- 3
- Schichtabscheidevorrichtung
- 4
- Substrathalter
- 6
- Zugeinrichtung
- 10
- Glassubstrat
- 11, 12
- Austauschschicht
- 13, 14
- Seitenfläche von 10
- 16
- Mittenebene von 10
- 20
- anorganische Beschichtung
- 23
- Antireflex-Beschichtung
- 24, 25, 26, 27
- Lagen von 23
- 28
- Haftvermittler-Schicht