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Die Erfindung betrifft allgemein ein transparentes Infrarotstrahlung (IR) reflektierendes Schichtsystem auf einem transparenten, dielektrischen Substrat sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems.
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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.
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Ein Schichtsystem weist zur Erzielung der beschriebenen Eigenschaften transparente, funktionell unterscheidbare Schichtanordnungen auf.
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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.
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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.
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Über der Grundschichtanordnung folgt eine Funktionsschichtanordnung, welche mindestens eine metallische Funktionsschicht als IR-Reflexionsschicht sowie optional weitere, an die Funktionsschicht direkt angrenzende Blockerschichten umfasst, die regelmäßig metallisch (
EP 1463689 B1 ) oder auch dielektrisch (
EP 1851354 B1 ) ausgebildet sein können. Letztere werden dann verwendet, wenn eine sehr hohe Transmission gewünscht ist. Die ergänzenden Schichten unterstützen die Funktion der IR-Reflexionsschicht und beeinflussen die optischen und damit verknüpften elektrischen Eigenschaften sowie der chemischen und mechanischen Eigenschaften der Funktionsschicht und/oder dienen der Haftungsverbesserung. So ist es insbesondere bekannt, dass mittels Keimschicht der Flächenwiderstand der darüber abgeschiedenen Funktionsschicht herabgesetzt und damit deren IR-Reflexion positiv beeinflusst werden kann.
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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.
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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.
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Im Verlauf der Abscheidung, der Verwendung und in verschiedenen Anwendungsfällen auch während der nachfolgenden Bearbeitung des abgeschiedenen Schichtsystems kommt es, häufig aufgrund der damit verknüpften Temperaturbelastungen, 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.
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Infolge dessen können Oxidationsprozesse die Funktion der Funktionsschicht negativ beeinflussen.
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Zur Vermeidung solcher Diffusions- und Oxidationsvorgänge werden angrenzend zur Funktionsschicht Blockerschichten eingefügt, die als Puffer für die diffundierenden Komponenten dient. Diese Blockerschichten sind entsprechend der zu erwartenden Temperaturbelastung strukturiert und angeordnet und schützen die empfindliche, oft sehr dünne Funktionsschicht vor dem Einfluss benachbarter Schichten. Durch das Einfügen der Blockerschichten können insbesondere die Oxidation der Funktionsschicht sowie die damit zusammenhängende Zunahme des Flächenwiderstandes oder auch starke Farbverschiebungen des Schichtsystems verhindert werden.
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Als Blockerschichten sind z. B. Nickel und/oder Chrom enthaltende Schichten bekannt, welche die IR-reflektierenden Silberschichten einschließen.
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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.
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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 später sichtbar werden.
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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.
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Die Deckschichtanordnung besteht üblicherweise aus einer oder mehreren Schichten eines dielektrischen Oxids, Nitrids oder Oxinitrids eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung, beispielsweise mit hohem Brechungsindex. In der
US 2012/007060672 A1 werden hingegen niedrigbrechende Schichten als obere Schichten der Deckschichtanordnung verwendet, wie beispielsweise Zinnoxid oder Siliziumnitrid. Zum Schutz des Schichtsystems wird darüber eine abschließende Schutzschicht angeordnet, welche mit Brechungsindizes von 1,9 bis 2,2 ebenfalls zu den niedrigbrechenden Schichten zu zählen sind. Im Ergebnis wird dieses Schichtsystem durch zwei niedrigbrechende Schichten mit relativ hoher Dicke im Bereich von gesamt 9 bis 115 nm abgeschlossen.
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„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, bis zu 10%, Prozent betragen.
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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.
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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), 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.
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Derartige Single- oder Multi-Low-E sind beispielsweise in der
US 2013/0319847 A1 beschrieben. Dort werden durch ein spezielles, maskiertes Sputtern sehr glatte Keim- und Funktionsschichten erzeugt, um deren Dicke zu reduzieren und so bei geringer Emissivität auch eine hohe Transmission zu erzielen. Ergänzend werden auch verschiedene dielektrische Schichten über der Funktionsschicht zu Erhöhung der Transmission und Verminderung der Reflexion miteinander kombiniert.
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Auch in der
US 2013/0164464 A1 werden in einem Low-E-Schichtsystem, welches unter der Funktionsschicht eine Keimschicht und darüber eine Blockerschicht angeordnet und zudem darüber verschiedene dielektrische Schichten bei Erhaltung der Gesamtschichtdicke kombiniert, um möglichst viele, die Beständigkeit des Schichtsystems erhöhende Grenzflächen zu erhalten.
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Low-E-Schichtsysteme können auch derart modifiziert werden, dass sie neben der niedrigen Emissivität auch dem Sonnenschutz dienen. Zu diesem Zweck wird die Transmission des Schichtsystems, die sonst sehr hoch gewünscht ist, gezielt reduziert wird. In der
US 2011/0135955 A1 wird dazu über der IR-Reflexionsschicht eine Barriereschicht angeordnet, die ergänzt wird durch eine absorbierende Barriereschicht oder die selbst absorbierend ist. Diese Schicht besteht bspw. aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid von NiCr oder aus Titanoxid.
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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 andere Reflexionsfarben oder definierte Transmissionsfarben gefordert sein.
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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.
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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 nachfolgenden Prozessschritte, wie z. B. Schneiden, Grinden oder Waschen, beispielsweise mit alkoholhaltigen Reinigungsmitteln, 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. Des Weiteren kann eine solche Beschichtung auch vermehrt Schaden beim Transport zwischen Hersteller und Weiterverarbeiter nehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, ein niedrig-emittierendes Schichtsystem mit den bisher erzielbaren optischen Eigenschaften hinsichtlich hoher Transmission und Farbstabilität sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, das mechanisch widerstandsfähig ist und selbst bei unzureichenden Verarbeitungsbedingungen ohne Beschädigung verarbeitet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Die jeweiligen Unteransprüche geben Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen wieder.
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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.
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Erfindungsgemäß wird der oxydische metallhaltige Blocker, entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung ein unterstöchiometrisches Oxid von Nickelchrom, direkt oberhalb angrenzend an die Funktionsschicht mit einer Keimschicht mit intrinsischem oder dotiertem Zinkoxid als wesentlichem Bestandteil direkt unterhalb an die Funktionsschicht angrenzend kombiniert. Durch den Verzicht auf den unteren Blocker, der regelmäßig die Transmission vermindert, kann eine höhere Transmission erzielt werden, im Vergleich zu den bekannten Schichtsystemen mit unterem Blocker.
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Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Deckschichtanordnung mit zumindest einer Siliziumoxinitridschicht als erste dielektrische Deckschicht und eine direkt darüber angeordneten oberen, dielektrischen Deckschicht aus Siliziumoxid in Verbindung mit der darüber abgeschiedenen und an die obere dielektrische Deckschicht angrenzende Schutzschicht aus Titanoxid, wird trotz des fehlenden unteren Blockers die gewünschte mechanische Beständigkeit des Schichtsystems erzielt.
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Für die Grundschichtanordnungen können die bekannten Schichten verwendet werden, welche eine geeignete Barriere gegenüber Migrationsprozessen aus dem Substrat darstellen und/oder die Transmission erhöhen und/oder die Farberscheinung einstellen. Beispielsweise ist Zinkstannat ein geeignetes Material einer Grundschicht.
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Sofern das Schichtsystem temperfähig oder biegbar sein soll, d.h. Temperaturbelastungen von über 600°C, auch über 680°C, mehrere Minuten, auch bis zu 10 Minuten, ohne signifikante Änderungen der optischen Leistungsfähigkeit bestehen soll, ist als direkt auf dem Substrat angeordnete Grundschicht beispielsweise auch aus Siliziumnitrid geeignet. Auch diese Grundschicht verhindert weitgehend eine Diffusion von Natriumionen in darüber liegende Schichten, insbesondere während des Temperns, und trägt dadurch zur Stabilität des Schichtsystems bei. Auch andere dielektrische Oxide, Nitride oder Oxinitride wie z. B. SnO2 AlN oder ZnSnO3 können eingesetzt werden.
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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.
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Optional kann auf der direkt auf dem Substrat angeordneten Grundschicht eine weitere Schicht in Form einer Haft- oder Ausgleichsschicht, z. B. aus Titandioxid alternativ auch aus Siliziumoxid 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.
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Die über der Grundschichtanordnung angeordnete Funktionsschichtanordnung umfasst eine metallische Funktionsschicht zur Reflexion von Infrarotstrahlung 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.
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Erfindungsgemäß ist direkt über der Funktionsschicht eine obere Blockerschicht aus einem Metall, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid davon angeordnet. Vorzugsweise besteht die Blockerschicht aus NiCr, alternativ aus NiV, Cr, Ni, Ti, Nb oder anderen Metallen. Dabei kann eine metallisch abgeschiedene Blockerschicht durch Diffusionsprozesse, die nach der Abscheidung erfolgen, auch teilweise oxidieren. Erfindungsgemäß grenzt die Blockerschicht direkt an die Funktionsschicht an.
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Die Keimschicht direkt unterhalb 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. Trotz einer, im Vergleich zum Stand der Technik, zwischen Funktions- und Keimschicht fehlenden haftvermittelnden Schicht, häufig einer sehr dünnen unteren Blockerschicht, weist das erfindungsgemäße Schichtsystem überraschenderweise eine sehr hohe mechanische Stabilität auf.
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Die Deckschichtanordnung des erfindungsgemäßen Schichtsystems umfasst mindestens eine dielektrische erste Deckschicht aus Siliziumoxinitrid SiOxNy. Diese weist einen im Vergleich zu dem üblicherweise verwendeten Siliziumnitrid Si3N4 mit einem Brechungsindex nSi3N4 = 2,03 geringeren Brechungsindex im Bereich von 1,46 ≤ nSiOxNy ≤ 2,03, bevorzugt einen Brechungsindex nSiOxNy von ca. 1,8 - 1,9 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 20 nm, weiter bevorzugt mehr als 25 nm oder mehr als 30 nm.
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Die Deckschichtanordnung umfasst zusätzlich über der ersten, bevorzugt an diese angrenzend, eine zweite dielektrische Deckschicht, die hier zur Unterscheidung als obere dielektrische Deckschicht bezeichnet werden soll und damit die erste als untere Deckschicht klassifiziert. Diese zweite, obere dielektrische Deckschicht besteht aus Siliziumoxid, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO2. Siliziumdioxid weist im Vergleich zu den für Low-E-Schichtsysteme verwendeten Materialien, einen besonders geringen Brechungsindex nSiO2 im Bereich von 1,46 ≤ nSiO2 ≤ 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.
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Erfindungsgemäß ist über der Deckschichtanordnung und an die obere dielektrische Deckschicht angrenzend eine Schutzschicht aus Titanoxid TiO2, alternativ aus amorphem Titanoxinitrid TiOxNy angeordnet. Diese weist eine Schichtdicke von 0 bis 5 nm, bevorzugt 1 bis 3 nm, auf und dient vordergründig der Glättung der Oberfläche sowie der Verringerung der Kratzempfindlichkeit. Beide Funktionen tragen zudem zu der gewünschten hohen Abriebfestigkeit bei. Solche Schutzschichten weisen 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.
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Das Substrat bildet ein transparentes, dielektrisches Material, insbesondere Glas oder ein Polymermaterial.
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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. Insbesondere wurde eine Verbesserung der Bürstenbeständigkeit und der im TABER Abraser-Test ermittelten mechanischen Beständigkeit nachgewiesen. Die Beständigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung unter Einwirkung alkoholhaltiger Reinigungsmittel konnte ebenfalls verbessert werden.
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Es ist in der beschriebenen Schichtenfolge sowohl für solche Anwendungen geeignet, bei denen eine Temperung erfolgt oder keine. Auch eine Anpassung zur Verwendung als Low-E-Schichtsystem mit Sonnenschutzeigenschaften ist allein durch eine Anpassung der Schichtdicken, insbesondere der Funktions- und der Blockerschicht, möglich. Ergänzend kann auch durch höhere Schichtdicken von Schichten der Deckschichtanordnung die Transmission verringert oder feinabgestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst die Deckschichtanordnung zusätzlich zur beschriebenen, als erste bezeichneten, Deckschicht aus Siliziumoxinitrid eine zweite dielektrische Deckschicht. Diese ist unter der ersten, bevorzugt an diese angrenzend, angeordnet und soll hier als untere dielektrische Deckschicht bezeichnet sein. Die untere dielektrische Deckschicht besteht aus Titandioxid TiO2, welches einen Brechungsindex von ca. 2,5 hat und damit im Vergleich zu den hier verwendeten Materialien den höchsten Wert aufweist. Damit ist es möglich, die Transmission des Schichtsystems weiter zu erhöhen, insbesondere wenn entsprechend einer weiteren Ausgestaltung auch unterhalb der Funktionsschichtanordnung eine dielektrische Schicht mit einem ähnlich hohen Brechungsindex angeordnet ist, bevorzugt ebenfalls eine Titandioxidschicht. So konnte mit einem Schichtsystem, welches je eine Titandioxidschicht in der Grundschichtanordnung und der Deckschichtanordnung aufweist, trotz höherer Schichtdicke der metallischen IR-Reflexionsschicht im Vergleich zu einem sonst gleich aufgebautem Schichtsystem eine höhere Transmission erzielt werden. Die höhere Schichtdicke der IR-Reflexionsschicht ist dabei von Vorteil, weil mit dieser ein geringerer Flächenwiderstand und damit eine höhere IR-Reflexion erreicht werden.
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In einer Ausführungsvariante ist angrenzend an eine unterstöchiometrische Blockerschicht eine Schicht aus einem Oxid oder Oxinitrid eines Metalls, einer Metallmischung oder Metalllegierung oder eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung angeordnet. Auch diese Maßnahme dient der Erhöhung der Transmission aufgrund der damit geringen Erhöhung des Oxidationsgrades der Blockerschicht im Verlauf der Abscheidung von darüber folgenden Schichten des Schichtsystems und/oder einer thermischen Belastung. Verwendet werden können beispielsweise Titandioxid, gegebenenfalls jenes der unteren Deckschichtanordnung, oder Zinkstannat oder Zinkoxid oder aluminiumdotiertes Zinkoxid.
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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 auch ein, dass sie zwar die Schichtenfolge aufweisen, sich aber in den verwendeten Materialien auch unterscheiden können, sofern sie in die oben beschriebene Charakterisierung der Funktionsschicht, Blockerschicht und Keimschicht einzuordnen sind.
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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. Auch Zinkstannat in Verbindung mit einer Schicht aus Zinnoxid erweist sich als geeignet.
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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. Auch gepulstes Magnetronsputtern in den verschiedenen bekannten Formen, wie unipolar oder bipolar gepulst, oder Kombinationen von verschiedenen elektrischen Anregungsformen, wie z.B. die Überlagerung von RF- und DC-Sputtern sind möglich.
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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 x 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.
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Im Falle einer Deckschicht aus Siliziumdioxidschicht kann diese im Übergangsmode abgeschieden werden, womit auch nahezu absorptionsfreie Schichten bei hohen Abscheideraten erzielbar sind. Die Abscheidung im Übergangsmode wird durch eine geeignete Regelung, z. B. eine Spannungsregelung, PEM-Regelung (Plasma emission monitoring) oder Lambdasonden-Regelung ermöglicht.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnungen zeigt in
- 3 ein erfindungsgemäßes Double-Low-E-Schichtsystem.
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Ein Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem mit zwei Funktionsschichten (Double-Low-E) kann folgende Schichtenfolge mit den entsprechenden Schichtdicken vom Substrat aufwärts aufweisen (3):
- - eine Titandioxidschicht als dielektrische Grundschicht GA1 mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 25 nm, bevorzugt 15 - 20 nm;
- - eine Zinkoxidschicht als Keimschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 3 - 8 nm;
- - eine Silberschicht als untere Funktionsschicht FAF mit einer Schichtdicke im Bereich von 7 - 15 nm,
- - eine unterstöchiometrische Nickelchromoxidschicht als Blockerschicht FAB mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 - 2,5 nm, bevorzugt 1,0 - 2,0 nm;
- - eine Zwischenschichtanordnung mit einer Zinkstannatschicht als Zwischenschicht ZAZ mit einer Schichtdicke im Bereich von 30 - 70 nm, bevorzugt 40 - 60 nm;
- - eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht als Keimschicht FAK mit einer Schichtdicke im Bereich von 3 - 10 nm;
- - eine Silberschicht als Funktionsschicht FAF mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 15 nm,
- - eine unterstöchiometrische Nickelchromoxidschicht als Blockerschicht FAB mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 - 2,5 nm, bevorzugt 1,0 - 2,0 nm;
- - eine Siliziumoxinitridschicht als erste Deckschicht DAD mit einer Schichtdicke im Bereich von 15 - 40 nm, bevorzugt 20 - 35 nm;
- - optional eine Siliziumdioxidschicht als obere Deckschicht DAO mit einer Schichtdicke im Bereich von 8
- - 18 nm, bevorzugt 10 - 15 nm;
- - eine Titandioxidschicht als Schutzschicht SS mit einer Schichtdicke im Bereich von größer 0 - 5 nm, bevorzugt 1 - 3 nm.
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Optional kann hier, wie auch in den nachfolgenden Schichtsystemen beschrieben, eine Titandioxidschicht als untere Deckschicht DAU ergänzt werden, deren Schichtdicke im nachfolgend angeführten Bereich liegen kann.
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Weiter kann in alternativen Ausgestaltungen dieses Ausführungsbeispiels direkt auf dem Substrat S ergänzend oder anstelle der Titandioxidschicht der Grundschichtanordnung GA als Grundschicht eine Siliziumnitridschicht verwendet werden.
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Lediglich zur Information, jedoch nicht zur Erfindung gehörig, sind nachfolgend zwei Single-LowE-Schichtsysteme beschrieben, welche ebenfalls ohne Blockerschicht unterhalb der einzigen Funktionsschicht FAF und mit einer Schutzschicht SS aus Titandioxid ausgebildet sind. Die zugehörige Zeichnung, zeigt in
- 1 ein Single-Low-E-Schichtsystem, mit einer Grundschichtanordnung sowie einer Deckschichtanordnung mit jeweils zwei Teilschichten und
- 2 eine alternative Ausgestaltung eines Single-Low-E-Schichtsystems mit einer Grundschicht und einer Deckschichtanordnung mit drei Teilschichten.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel (1) ist auf einem, beispielsweise 4 mm dicken, Glassubstrat zunächst eine Grundschichtanordnung GA bestehend aus einer ersten Grundschicht GA1 aus Zinkstannat ZnSnO3 mit einer Schichtdicke von ca. 15 nm abgeschieden. Darüber folgt eine zweite Grundschicht GA2 aus Titandioxid TiO2 mit einer Schichtdicke von ca. 20 nm.
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Direkt über der Grundschichtanordnung GA befindet sich die Funktionsschichtanordnung aus einer metallischen Funktionsschicht FAF aus Silber mit einer Schichtdicke von ca. 12 nm, einer direkt unter der metallischen Funktionsschicht FAF angeordneten Keimschicht FAK aus aluminiumdotiertem Zinkoxid Al:ZnO mit einer Schichtdicke von ca. 1,5 nm. Weiterhin befinden sich als Teil der Funktionsschichtanordnung direkt über der metallischen Funktionsschicht FAF eine Blockerschicht FAB aus einem unterstöchiometrischen Nickel-Chrom-Oxid NiCrOx mit einer Schichtdicke von ca. 2 nm oder etwas kleiner.
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Direkt über der Blockerschicht FAB schließt sich die Deckschichtanordnung DA an, bestehend aus einer unteren dielektrischen Deckschicht DAU aus Titanoxid TiO2 von ca. 20 nm und der darüber liegenden ersten Deckschicht DAD aus Siliziumoxinitrid SiOxNy mit einer Schichtdicke von ca. 25 nm.
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Direkt oberhalb der ersten Deckschicht DAD ist eine Schutzschicht SS aus Titandioxid mit einer Schichtdicke von ca. 2 nm angeordnet.
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Sämtliche Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems wurden mittels Magnetronsputtern abgeschieden. Die Abscheidung der ersten Deckschicht DAD aus Siliziumoxinitrid erfolgte bei einem erhöhten Druck zwischen 5 × 10-3 und 7 × 10-3 mbar.
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Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist folgende Farbwerte auf: a*(Rg) = -0,2; b*(Rg) = -5,6. Die Transmission lag bei nahezu 87%.
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Ein hochtransmissives Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem mit einer Funktionsschichtanordnung (Single-Low-E) weist somit auf einem transparenten, dielektrischen Substrat (S) die folgenden transparenten Schichten, vom Substrat (S) aufwärts betrachtet, auf:
- - eine Zinkstannatschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 25 nm, bevorzugt 15 - 20 nm;
- - eine Titandioxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 - 25 nm, bevorzugt 10 - 20 nm;
- - eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von größer 0 - 5 nm, bevorzugt 1 - 3 nm;
- - eine Silberschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 20 nm,
- - eine unterstöchiometrische Nickelchromoxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 - 2,5 nm, bevorzugt 1,0 - 2,0 nm;
- - eine Titandioxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 - 25 nm, bevorzugt 10 - 20 nm;
- - eine Siliziumoxinitridschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 15 - 40 nm, bevorzugt 20 - 35 nm;
- - eine Titandioxidschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von größer 0 - 5 nm, bevorzugt 1 - 3 nm.
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Zur Erzielung einer Sonnenschutzfunktion wurden die Schichtdicken folgender Schichten geändert: der Funktionsschicht FAF auf ca. 18 nm erhöht, der Blockerschicht um ca. 15% vermindert und die erste Deckschicht auf nahezu 30 nm erhöht. Bei vergleichbaren Farbwerten konnte damit eine Transmission von ca. 72 % eingestellt werden.
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In einer Alternative dieses Schichtsystems (2) kann auch die unterste Zinkstannatschicht, jene in der Grundschichtanordnung GA entfallen und die nächste nach der Nickelchromoxidschicht angeordnete Titandioxidschicht der Deckschichtanordnung DA durch eine Zinkstannatschicht ersetzt werden. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten sind dabei zum Erreichen der gewünschten Werte angepasst und unterscheiden sich von denen des ersten genannten Beispiels.
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Ein derart modifiziertes hochtransmissives Infrarotstrahlung reflektierendes Schichtsystem mit einer Funktionsschichtanordnung weist somit auf einem transparenten, dielektrischen Substrat (S) die folgenden transparenten Schichten auf, vom Substrat (S) aufwärts betrachtet und mit der nachfolgend entsprechend der verwendeten Bezugszeichen vorgenommenen Zuordnung der Schichten:
- - eine Titandioxidschicht GA1 mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 - 25 nm, bevorzugt 15 - 25 nm;
- - eine aluminiumdotierte Zinkoxidschicht FAK mit einer Schichtdicke im Bereich von größer 0 - 5 nm, bevorzugt 5 - 10 nm;
- - eine Silberschicht FAF mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 - 20 nm,
- - eine unterstöchiometrische Nickelchromoxidschicht FAB mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 - 2,5 nm, bevorzugt 1,0 - 2,0 nm;
- - eine Titandioxidschicht DAU mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 - 25 nm, bevorzugt 10 - 20 nm;
- - eine Zinkstannatschicht DAO mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 - 10 nm, bevorzugt 3 - 5 nm;
- - eine Siliziumoxinitridschicht DAD mit einer Schichtdicke im Bereich von 15 - 40 nm, bevorzugt 20 - 37 nm;
- - eine Titandioxidschicht SS mit einer Schichtdicke im Bereich von größer 0 - 5 nm, bevorzugt 1 - 3 nm.
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Bezugszeichenliste
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- S
- Substrat
- GA
- Grundschichtanordnung
- GA1
- erste Grundschicht
- GA2
- zweite Grundschicht
- FA
- Funktionsschichtanordnung
- FAK
- Keimschicht
- FAF
- metallische Funktionsschicht
- FAB
- Blockerschicht
- ZAZ
- Zwischenschicht
- DA
- Deckschichtanordnung
- DAD
- erste Deckschicht
- DAU
- untere Deckschicht
- DAO
- obere Deckschicht
- SS
- Schutzschicht
