EP1546053A1 - Titan-aluminium-oxidschicht umfassendes schichtsystem - Google Patents

Titan-aluminium-oxidschicht umfassendes schichtsystem

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EP1546053A1
EP1546053A1 EP03750543A EP03750543A EP1546053A1 EP 1546053 A1 EP1546053 A1 EP 1546053A1 EP 03750543 A EP03750543 A EP 03750543A EP 03750543 A EP03750543 A EP 03750543A EP 1546053 A1 EP1546053 A1 EP 1546053A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
layer system
titanium
functional
layers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03750543A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph MÖLLE
Lars Bewig
Frank Koppe
Thomas Küpper
Stefan Geisler
Stefan Bauer
Jürgen DZICK
Christian Henn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP1546053A1 publication Critical patent/EP1546053A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/12611—Oxide-containing component

Definitions

  • the invention relates to a layer system with at least one metal oxide layer, the metal oxide comprising a titanium-aluminum oxide.
  • the layer system has a high structural and. Temperature resistance, especially at operating temperatures of over 600 ° C and is particularly suitable for optical coatings, but is not limited to this.
  • Optical layer systems in particular alternating layer systems, which are made up of alternately superimposed thin high and low refractive layers have been known for many years for a large number of applications. They act as a light interference film, the optical properties of which are determined by the choice of the material for the high or low refractive index layer and thus the corresponding refractive index, by the arrangement of the individual layers and by the choice of the individual layer thicknesses. The selection is made essentially using known optical
  • Suitable starting materials for the production of such coatings for, for example, reflectors, mirrors, filters, lamps, IRC burners / lamps, etc. include Ti0 2 and Si0 2 .
  • Thin layers of these materials are usually applied using CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition) or Sol-Gel processes and are characterized by the fact that they are hard and chemically stable as well as a have a high refractive index difference.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • Sol-Gel Sol-Gel processes
  • DE 3227069 AI discloses an optical coating suitable for high temperatures, which consists of a Alternating layer system with Si0 2 as a low-refractive layer material and Ta 2 0 5 as a high-refractive layer material. This coating is resistant to high temperatures and is designed to improve the working efficiency of the coated object, in particular of halogen lamps.
  • the object of the invention is to provide a coating which is essentially structurally stable at high operating temperatures and remains low or free from haze.
  • the layer system according to the invention has at least one layer made of a metal oxide which comprises titanium-aluminum oxide.
  • the individual layers of the layer system which are required, for example, to create a specific optical design of the layer system, are referred to below as functional layers.
  • Functional layers made of titanium-aluminum oxide have a significantly higher temperature and structural stability than the known functional layers made of metal oxides. Since a functional layer comprising titanium-aluminum oxide inherently guarantees high temperature resistance, an additional interruption with an intermediate layer made of another metal oxide contributes to the fulfillment of the task in that it can be additionally stabilized, but mainly the mechanical and further improve the optical properties of functional layers comprising titanium aluminum oxide. To avoid optically undesirable influences
  • the intermediate layer either choose the thickness or the refractive index of the intermediate layer so that it is not optically effective.
  • such layers also have, for example, increased brilliance, an improvement in the desired optical parameters, such as reflectivity or transmittance, and increased scratch resistance.
  • Another layer system according to the invention likewise consists at least of one functional layer from one
  • a thickness of 50 nm remains, no crystallization behavior when exposed to high temperatures.
  • a particular effect of the invention is the adjustability of the refractive index of the layer comprising titanium-aluminum oxide by adjusting the quantitative ratio of aluminum to titanium.
  • the refractive index n can be varied in a range from 1.55 ⁇ n ⁇ 2.50. As the aluminum content increases, the refractive index n of the layer decreases. You can achieve this with only a small amount
  • the adjustability of the refractive index of the layer comprising titanium aluminum oxide can be used particularly advantageously for adapting the refractive index of the functional layer to that of the intermediate layer or vice versa.
  • Functional layers made of metal oxides with a refractive index n in the range of 1.55 n n 2,5 2.50 for example made of zirconium oxide or stabilized zirconium oxide, that by adding a stabilizer material such as Yttrium oxide etc. was stabilized, with n approx. 2.1
  • an intermediate layer made of titanium-aluminum oxide without being influenced optically.
  • the intermediate layers no longer have to have the small thicknesses, such as intermediate layers with a different refractive index, which must remain below a thickness at which they can be optically effective.
  • intermediate layers with a different refractive index which must remain below a thickness at which they can be optically effective.
  • the layer systems according to the invention can consist of a single functional layer as well as a layer system with several functional layers, preferably of an alternating layer system of high and low refractive index functional layers.
  • the high refractive index functional layer comprises a titanium-aluminum oxide. It preferably consists of Ti ⁇ l ⁇ J ⁇ y with 0 ⁇ x ⁇ 1, preferably with 0.3 ⁇ x ⁇ 1, particularly advantageously with
  • the low-index functional layer then comprises a silicon oxide, preferably silicon dioxide. Silicon dioxide is also resistant to high temperatures and has a low refractive index compared to titanium-aluminum oxide.
  • the values of the layer thicknesses d p of the functional layers for applications of the layer system according to the invention in the near IR and visible range are then preferably 5 nm d d F 200 200 nm.
  • Such layer systems for optical applications are for use in high-temperature ranges, ie at operating temperatures above 600 ° C, well suited.
  • the high-index functional layers are also characterized by low-index. Interrupted intermediate layers and vice versa, it is particularly important in the case of optical layer systems that the intermediate layers interrupting the functional layers remain below a thickness at which they could become optically effective in the overall layer system.
  • Useful thicknesses d z of the intermediate layers are then in the range of 0.3 nm ⁇ d z 10 10 nm, preferably in the range of 0.5 nm d d z 4,0 4.0 nm and particularly suitable in the range of 1.0 nm d d z 2,5 2.5 nm.
  • the use and the number of intermediate layers should preferably be chosen such that the thickness dp of the partial layers resulting from the functional layer is approximately 20 nm d dp 250 250 nm.
  • a reasonable layer thickness of functional layers to be interrupted is d p ⁇ 40 nm. It is particularly optimal for the procedural process if, in an alternating layer system made of high and low refractive index functional layers, the high refractive index functional layers are interrupted by intermediate layers made of the low refractive index layer material. There is also the possibility that the low-index functional layers are interrupted by intermediate layers made of the high-index layer material. It is not absolutely necessary to interrupt each functional layer.
  • the intermediate layer it is not essential for the intermediate layer that it has a different refractive index than the functional layer, but that it is suitable for influencing the structure formation in the functional layer, so that high temperatures cannot cause any deterioration in the optical properties of the coating. It is therefore also possible for high-index functional layers, for example made of titanium oxide, to have high-index
  • Sol-gel processes are also advantageously suitable for industrial production of the coating.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the substrate materials can be very diverse and essentially depend on the area of application of the coated article. For use in the high temperature range, the associated temperature load must be taken into account. Metals, glass and glass ceramics as well as plastics come into consideration as substrate materials.
  • the layer systems are used for the coating of reflectors, in particular for the coating of glass ceramic reflectors.
  • excellent optical and mechanical properties of the reflectors can be achieved even with long and extreme temperature loads due to the structure and temperature stability of the coating.
  • the layer systems are used according to the invention for the coating of lighting fixtures, in particular IRC lamps / burners.
  • these coatings can be used to achieve excellent optical and mechanical properties of the lighting fixtures due to the structure and temperature stability of the coating under long and extreme temperature loads.
  • the invention will be explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments and figures.
  • Fig.l a layer system according to the invention for a reflector coating
  • Fig. 2 the reflection behavior of the reflector at temperatures of 450 ° C, 650 ° C and 750 ° C
  • Fig. 3 the diffractograms of titanium aluminum oxide layers with different refractive indices after tempering at 650 ° C and 850 ° C
  • FIG. 1 shows an optical layer system according to the invention for a reflector.
  • the reflector has a high
  • the layer system is an alternating layer system and consists of 43 functional layers.
  • the low-index functional layer is made of Si0 2 and the high-index functional layer is made of t U ⁇ O y .
  • the individual functional layers were produced using the PICVD process. With this procedure.
  • the person skilled in the art succeeds in controlling the aluminum content in a customary manner, so that the refractive index of the titanium-aluminum oxide layer could be set in a targeted manner.
  • Reflectors produced in this way were then subjected to temperature loads of 450 ° C, '650 ° C and 750 ° C. The reflectors showed no turbidity after these temperature loads.
  • FIG. 2 shows the reflection behavior of the reflectors under the various temperature loads mentioned above. Also when examining the reflection behavior of the reflector coating according to the invention, it could be shown that the high operating temperatures have a negligible effect on the reflection behavior, especially in the desired wavelength range of 370 nm ⁇ ⁇ 800 nm, the reflection behavior of the reflectors remains stable.
  • the reflector described by way of example with a structure and temperature-stable coating according to the invention can be used in digital projectors, but is also for lighting purposes in high and
  • Low voltage technology for example suitable for use in halogen lighting technology.
  • substrates made of quartz glass were coated using the PICVD method, each with a Ti ⁇ l ⁇ O y individual layer (0 ⁇ x ⁇ 1) with a layer thickness of 500 nm.
  • PICVD method PICVD method
  • different proportions of aluminum and titanium were set in the coating process.
  • the conditions in the layers were measured using EDX. The respective is from the measured proportions in at%
  • Quantity ratio can be determined. The individual values for the proportions in at% titanium and aluminum, the associated quantitative ratio of Ti: Al and the corresponding refractive indices can be found in the overview in FIG. 4.
  • the refractive index n of the layer is reduced.
  • the coated substrates were then exposed to a temperature load of 650 ° C. or 850 ° C. for 1 hour.
  • n 2.34 approaches for the formation of the anatase phase.
  • even small amounts of aluminum are sufficient to prevent crystal formation under high temperature loads.
  • both the crystallization of an amorphous layer in anatase at low temperatures and the recrystallization into the rutile phase at temperatures above 600 ° C. are prevented. All examined layers showed no signs of cloudiness.
  • substrates coated with a single functional layer according to the invention can also be used for a wide variety of applications, preferably in the high-temperature range, since they remain structurally stable even under extreme temperature loads of more than 600 ° C. and have no cloudiness.
  • the layer system consists of an alternating layer system of high and low refractive index functional layers. These interference layer systems typically consist of more than 30 functional layers.
  • the temperature of the lamp bulb or burner can, under certain circumstances, be more than 1000 ° C.
  • thermal load capacity of known alternating layer systems has hitherto been around 600 ° C., which was primarily due to the insufficient temperature stability of the highly refractive layer.
  • the temperature stability of the IRC lamps / burners can be increased significantly above 600 ° C.

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Description

TITAN-ALUMINIUM-OXIDSCHICHT UMFASSENDES SCHICHTSYSTEM
Besehreibung
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit mindestens einer Metalloxidschicht, wobei das Metalloxid ein Titan-Aluminium- Oxid umfasst. Das Schichtsystem weist eine hohe Struktur- und. Temperaturbeständigkeit auf, insbesondere bei Betriebstemperaturen von über 600°C und ist besonders für optische Beschichtungen geeignet, jedoch darauf nicht beschränkt .
Optische SchichtSysteme, insbesondere WechselschichtSysteme, die aus wechselnd übereinander liegenden dünnen hoch- und niedrigbrechenden Schichten aufgebaut sind, sind .seit Jahren für eine Vielzahl von Anwendungen bekannt. Sie wirken dabei als Lichtinterferenzfilm, dessen optische Eigenschaften durch die Wahl des Materials für die hoch- bzw. niedrigbrechende Schicht und damit des entsprechenden Brechungsindex, durch die Anordnung der einzelnen Schichten und durch die Wahl der einzelnen Schichtdicken bestimmt sind. Die Auswahl erfolgt im wesentlichen unter Ausnutzung bekannter optischer
Designregeln und Deseignhilfsmittel nach Maßgabe der angestrebten optischen Eigenschaften' und der Verarbeitbarkeit . Als Ausgangsmaterialien zur Herstellung derartiger Beschichtungen für beispielsweise Reflektoren, Spiegel, Filter, Lampen, IRC-Brenner/Lämpchen etc. eignen sich unter anderen Ti02 und Si02.
Dünne Schichten dieser Materialen werden üblicherweise mit CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapour Deposition) , PVD- Verfahren (PVD = Physical Vapour Deposition) oder Sol-Gel- Verfahren aufgebracht und zeichnen sich dadurch aus, dass sie hart und chemisch stabil sind sowie einen hohen Brechungsindexunterschied aufweisen.
In Hinblick auf eine Stabilität gegenüber hohen Temperaturen sind bei Siliziumoxiden wenig Probleme zu erwarten.
Bei der Verwendung von Titanoxid als hochbrechendes Schichtmaterial treten jedoch bei hohen Betriebstemperaturen (> 600°C) , wie sie z.B. bei bestimmten Glaskeramikreflektoren oder IRC-Lämpchen erreicht werden können, Probleme auf. Bei diesen hohen Temperaturen verändert sich das Titanoxid. Das ist vor allem, wie von H.Sankur und W. Gunning in J.Appl.Phys.66 (1989) ausführlich beschrieben, auf die Phasenumwandlung des im amorphen Zustand aufgebrachten Ti02 zurückzuführen. Bei Temperaturen über 350°C kristallisiert Ti02 in die anatase Phase und bei Temperaturen um 600°C in die rutile Phase. Dadurch treten Trübungen in der Beschichtung auf und ihre über ein bestimmtes optisches Design optimierten optischen Eigenschaften verschlechtern sich.
In der DE 3227069 AI wird eine für hohe Temperaturen geeignete optische Beschichtung offenbart, die aus einem Wechselschichtsystem mit Si02 als niedrig brechendes Schichtmaterial und Ta205 als hoch brechendes Schichtmaterial besteht . Diese Beschichtung ist hochtemperaturbeständig und darauf ausgerichtet, den Arbeitswirkungsgrad des beschichteten Objektes, insbesondere von Halogenlampen zu verbessern.
Eine Verbesserung des Arbeitswirkungsgrades und eine höhere Temperaturbeständigkeit gegenüber dem Einsatz von Ti02 als hochbrechende Schicht kann sicherlich erreicht werden, jedoch treten auch bei der Verwendung von Ta2Os im
Hochtemperaturbereich erhebliche Trübungen der Schichten auf, so dass diese Beschichtungen für viele Anwendungsgebiete nicht geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschichtung anzugeben, die bei hohen Betriebstemperaturen im wesentlichen strukturstabil ist und trübungsarm bzw. trübungsfrei bleibt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Schichtsystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 24 gelöst .
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist zumindest eine Schicht aus einem Metalloxid auf, welches Titan-Aluminium- Oxid umfasst. Die einzelnen Schichten des Schichtsystems, die beispielsweise zur Erstellung eines bestimmten optischen Designs des Schichtsystems erforderlich sind, werden im weiteren Funktionsschichten genannt.
Funktionsschichten aus Titan-Aluminium-Oxid weisen gegenüber den bekannten Funktionsschichten aus Metalloxiden eine wesentlich höhere Temperatur- und Strukturstabilität auf. Da eine Titan-Aluminium-Oxid umfassende FunktionsSchicht von sich aus schon eine hohe Temperaturbeständigkeit gewährleistet, leistet eine zusätzliche Unterbrechung mit einer Zwischenschicht aus einem anderen Metalloxid insofern einen Beitrag zur Erfüllung der Aufgabe, als dass diese zusätzlich stabilisiert werden können, hauptsächlich jedoch die mechanischen und optischen Eigenschaften von Titan- Aluminium-Oxid umfassenden Funktionsschichten weiter verbessern. Um optisch unerwünschte Einflüsse der
Zwischenschicht zu vermeiden, ist entweder die Dicke oder die Brechzahl der Zwischenschicht so zu wählen, dass diese optisch nicht wirksam wird. Derartige Schichten weisen zu ihrer erhöhten Temperaturbeständigkeit beispielsweise auch eine erhöhte Brillanz, eine Verbesserung von angestrebten optischen Kennwerten wie beispielsweise Reflexions- bzw. Transmissionsvermögen sowie eine erhöhte Kratzfestigkeit auf.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem besteht ebenfalls zumindest aus einer Funktionsschicht aus einem
Metalloxid, bei welchem zumindest eine Titan-Aluminium-Oxid umfassende Zwischenschicht zumindest eine FunktionsSchicht aus einem von der Zwischenschicht verschiedenen Metalloxid unterbricht . Dabei ist entweder die Dicke oder die Brechzahl der Zwischenschicht so zu wählen, dass diese optisch nicht wirksam wird.
Mit einer Unterbrechung der Morphologie von Funktionsschichten aus Metalloxiden mittels Zwischenschichten, die Titan-Aluminium-Oxid umfassen, ist es ebenfalls möglich, die angestrebte Temperatur- und Strukturstabilität von Funktionsschichten aus Metalloxiden zu erzielen. Des weiteren können durch die Unterbrechung mit diesen Zwischenschichten die mechanischen und optischen Eigenschaften der Funktionsschichten aus einem Metalloxid wesentlich verbessert werden. Damit bietet sich ein breites Anwendungsfeld erfindungsgemäßer Schichtsysteme.
' Sinnvoll ist eine Unterbrechung von Funktionsschichten derart, dass Teilschichten entstehen, die bei hohen Temperaturbelastungen keine Strukturveränderungen zeigen. So zeigen beispielsweise amorphe Funktionsschichten aus Metalloxiden, deren einzelne Teilschichten unterhalb einer
Dicke von 50 nm bleiben, kein Kristallisationsverhalten unter Einwirkung hoher Temperaturen.
Ein besonderer Effekt der Erfindung ist die Eiristellbarkeit des Brechungsindex der Titan-Aluminium-Oxid umfassenden Schicht über die Einstellung des Mengenverhältnisses von Aluminium zu Titan. Die Brechzahl n kann in einem Bereich von 1,55 ≤ n ≤ 2,50 variiert werden. Mit der Erhöhung des Aluminiumgehaltes verringert sich die Brechzahl n der Schicht. Dabei erreicht man bereits mit geringen
Mengenanteilen von Aluminium (AI : Ti beispielsweise ca. 1 : 3,84; mit n = 2,34) eine deutliche Verbesserung der Strukturstabilität und Temperaturbeständigkeit einer Funktionsschicht. Das macht den Einsatz dieser Schichten sehr flexibel.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Einstellbarkeit des Brechungsindex der Titan-Aluminium-Oxid umfassenden Schicht für die Anpassung des Brechungsindex der FunktionsSchicht an den der Zwischenschicht bzw. umgekehrt nutzen. Somit können Funktionsschichten aus Metalloxiden mit einem Brechungsindex n im Bereich von 1,55 ≤ n ≤ 2,50 (beispielsweise aus Zirkonoxid bzw. stabilisiertem Zirkonoxid, dass durch Zugabe eines Stabilisatormaterials wie bsp. Yttriumoxid etc. stabilisert wurde, mit n ca. 2,1) mit einer Zwischenschicht aus Titan-Aluminium-Oxid unterbrochen werden, ohne optisch dadurch beinflusst zu werden. In diesem Fall müssen die Zwischenschichten nicht mehr die geringen Dicken haben, wie Zwischenschichten mit abweichendem Brechungsindex, die unterhalb einer Dicke bleiben müssen, bei der sie optisch wirksam werden können. Analoges gilt für die Unterbrechung von Titan-Aluminum-Oxid Funktionsschichten durch Zwischenschichten aus einem Metalloxid.
Die erfindungsgemäßen SchichtSysteme können sowohl aus einer einzelnen FunktionsSchicht als auch als Schichtsystem mit mehreren Funktionsschichten, vorzugsweise aus einem Wechselschichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten bestehen.
Dabei sind Wechselschichtsysteme mit Titan-Aluminium-Oxid umfassenden Funktionsschichten als hochbrechende Funktionsschichten ebenso möglich wie auch durch
Zwischenschichten unterbrochene Titan-Aluminium-Oxid Funktionsschichten oder teilweise durch Titan-Aluminium-Oxid Zwischenschichten unterbrochene Funktionsschichten aus hochbrechenden Metalloxiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen SchichtSysteme als Wechselschichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten, umfasst die hochbrechende FunktionsSchicht ein Titan-Aluminium-Oxid. Sie besteht vorzugsweise aus Ti ^l^J^y mit 0 < x < 1, vorzugsweise mit 0,3 < x < 1, besonders vorteilhaft mit
0,5 < x < 1. Je geringer der Anteil an Aluminium ist, desto höher wird der Brechungsindex der Funktionsschicht . Die niedrigbrechende Funktionsschicht umfasst dann ein Siliziumoxid, vorzugsweise Siliziumdioxid. Siliziumdioxid ist ebenfalls hochtemperaturbeständig und weist im Verhältnis zum Titan-Aluminium-Oxid einen niedrigen Brechungsindex auf.
In Hinblick auf das optische Design ist ein bestimmter Schichtaufbau bezüglich der Abfolge und Dicke der Funktionsschichten vorgegeben. Die entsprechenden optischen Schichtdicken n*d liegen in der Größenordnung von λ/4 (n = Brechungsindex der Schicht; λ = Designwellenlänge) bzw. darunter. Die Werte der Schichtdicken dp der Funktionsschichten für Anwendungen des erfindungsgemäßen Schichtsystems im nahen IR und sichtbaren Bereich betragen dann vorzugsweise 5 nm ≤ dF ≤ 200 nm. Derartige Schichtsysteme für optische Anwendungen sind für den Einsatz in Hochtemperaturbereichen, d.h. bei Betriebstemperaturen oberhalb von 600°C, gut geeignet.
Werden die hochbrechenden Funktionsschichten außerdem durch niedrigbrechende . Zwischenschichten unterbrochen und umgekehrt, ist es insbesondere bei optischen Schichtsystemen von Bedeutung, dass die die Funktionsschichten unterbrechenden Zwischenschichten unter einer Dicke bleiben, bei der sie optisch wirksam im GesamtschichtSystem werden könnten. Sinnvolle Dicken dz der Zwischenschichten liegen dann im Bereich von 0,3 nm ≤ dz ≤ 10 nm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 nm ≤ dz ≤ 4,0 nm und besonders geeignet im Bereich von 1,0 nm ≤ dz ≤ 2,5 nm. Der Einsatz und die Anzahl der Zwischenschichten sollte vorzugsweise so gewählt werden, dass die Dicke dp der aus der Funktionsschicht entstehenden Teilschichten etwa 20 nm ≤ dp ≤ 250 nm beträgt. Somit liegen sinnvolle Schichtdicke von zu unterbrechenden Funktionsschichten bei dp ≥ 40 nm. Dabei ist es besonders für den verfahrenstechnischen Ablauf optimal, wenn in einem Wechselschichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten, die hochbrechenden Funktionsschichten von Zwischenschichten aus dem niedrigbrechenden Schichtmaterial unterbrochen werden. Weiter besteht die Möglichkeit, dass die niedrigbrechenden Funktionsschichten von Zwischenschichten aus dem hochbrechenden Schichtmaterial unterbrochen werden. Dabei ist es nicht zwangsläufig erforderlich, jede Funktionsschicht zu unterbrechen.
Wesentlich für die -Zwischenschicht ist jedoch nicht, dass sie einen anderen Brechungsindex als die Funktionsschicht aufweist, sondern dass sie geeignet ist, die Strukturbildung in der Funktionsschicht zu beeinflussen, so dass hohe Temperaturen keine Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Beschichtung bewirken können. Es ist also ebenso möglich, dass hochbrechende Funktionsschichten beispielsweise aus Titan-Oxid durch hochbrechende
Zwischenschichten aus Titan-Aluminium-Oxid unterbrochen werden.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schichtsysteme eignen sich in vorteilhafter Weise chemische Gasphasen- Abscheidungsverfahren, vorzugsweise plasma-unterstützt, insbesondere das PICVD-Verfahren (PICVD = Plasma-Impulse- Chemical-Vapour-Deposition) .
Mit diesen Verfahren gelingt eine gleichmäßige und genaue Herstellung von Schichten, und es ist für industrielle Beschichtungsprozesse gut geeignet. Des weiteren kann das Verhältnis von Aluminiumgehalt zu Titangehalt mit diesem Verfahren besonders einfach gesteuert werden.
Ebenso eignen sich in vorteilhafter Weise Sol-Gel-Verfahren für' eine industrielle Herstellung der Beschichtung.
Prinzipiell besteht aber auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Schichtsystem mit PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapour Deposition) wie zum Beispiel mit Aufdampfen, Sputtern oder anderen Verfahren herzustellen.
Die Substratmaterialien können sehr vielfältig sein und hängen im wesentlichen vom Einsatzgebiet des beschichteten Gegenstandes ab. Für den Einsatz im Hochtemperaturbereich ist auf die damit verbundene Temperaturbelaεtung abzustellen. Als Substratmaterialien kommen sowohl Metalle, Glas und Glaskeramiken als auch Kunststoffe in Frage.
Erfindungsgemäß finden die SchichtSysteme für die Beschichtung von Reflektoren, insbesondere für die Beschichtung von Glaskeramikreflektoren Verwendung. Mit diesen Beschichtungen können auch bei langer und extremer Temperaturbelastung hervorragende optische und mechanische Eigenschaften der Reflektoren durch die Struktur- und TemperaturStabilität der Beschichtung erreicht werden.
Weiterhin finden die Schichtsysteme erfindungsgemäß für die Beschichtung von Beleuchtungskörpern, insbesondere von IRC- Lämpchen/Brennern Verwendung. Auch hier können mit diesen Beschichtungen bei langer und extremer Temperaturbelastung hervorragende optische und mechanische Eigenschaften der Beleuchtungskörper durch die Struktur- und Temperaturstabilität der Beschichtung erreicht werden. Die Erfindung soll nachfolgend an Hand der Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig.l: ein erfindungsgemäßes Schichtsystem für eine ReflektorbeSchichtung
Fig.2: das Reflexionsverhalten des Reflektors bei Temperaturen von 450°C, 650°C und 750°C
Fig.3: die Diffraktogramme von Titan- luminium-Oxid- Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes nach Temperungen bei 650°C und 850°C
Fig.4: eine tabellarische Übersicht der Mengenverhältnisse Al:Ti zu den in Fig. 3 dargestellten Diffraktogrammen von Titan-Aluminium-Oxid-Schichten
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes optisches Schichtsystem für einen Reflektor gezeigt. Der Reflektor weist eine hohe
Reflexion im 'Wellenlängenbereich für sichtbares Licht auf und ist deshalb für Beleuchtungszwecke gut geeignet. Durch seine hohe Transmission im nahen IR und einer daraus resultierenden geringen Wärmereflexion ist er besonders geeignet für temperaturintensive Beleuchtungen und kann beispielsweise in digitalen Projektoren eingesetzt werden. Das Schichtsystem ist ein Wechselschichtsystem und besteht aus 43 Funktionsschichten. Dabei ist die niedrigbrechende Funktionsschicht aus Si02 und die hochbrechende Funktionsschicht aus t U^Oy.
Das Mengenverhältnis von Aluminium zu Titan beträgt Al:Ti = 1:2,09. Bei diesem Mengenverhältnis hat die Ti^ l^Oy-Schicht einen Brechungsindex n = 2,26. Die genaue Anordnung und die einzelnen Schichtdicken sind der Tabelle in Figur 1 zu entnehmen.
Die einzelnen Funktionsschichten wurden mittels PICVD- Verfahren hergestellt. Mit diesem Verfahren. gelingt es dem Fachmann, den Aluminiumgehalt auf gebräuchliche Weise zu steuern, so dass der Brechungsindex der Titan-Aluminium-Oxid- Schicht gezielt eingestellt werden konnte.
Derart hergestellte Reflektoren wurden anschließend Temperaturbelastungen von 450°C,' 650°C und 750°C ausgesetzt. Die Reflektoren zeigten nach diesen Temperaturbelastungen keinerlei Trübungen.
Figur 2 zeigt das Reflexionsverhalten der Reflektoren unter den vor genannten verschiedenen Temperaturbelastungen. Auch bei der Untersuchung des Reflexionsverhaltens der erfindungsgemäßen Reflektorbeschichtung konnte gezeigt werden, dass die hohen Betriebstemperaturen sich kaum merklich auf das Reflexionsverhalten auswirken, vor allem im gewünschten Wellenlängenbereich von 370 nm < λ < 800 nm bleibt das Reflexionsverhalten der Reflektoren stabil.
Gleichzeitig bleibt die hohe Transmission der Reflektoren im nahen IR erhalten. Der beispielhaft beschriebene Reflektor mit einer erfindungsgemäßen Struktur- und temperaturstabilen Beschichtung kann in digitalen Projektoren eingesetzt werden, ist aber auch für Beleuchtungszwecke in Hoch- und
Niedervolttechnik, beispielsweise für den Einsatz in der Halogen-Beleuchtungstechnik geeignet.
Des weiteren wurden die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Einzelschicht untersucht .
Dazu wurden Substrate aus Quarzglas mittels PICVD-Verfahren mit jeweils einer Ti^l^Oy-Einzelschichten (0 < x < 1 ) mit einer Schichtdicke von 500 nm beschichtet. Zur Variation des Brechungsindex zwischen den minimal und maximal möglichen Werten von 1,55 ≤ n ≤ 2,50 wurden unterschiedliche Mengenanteile von Aluminium und Titan im Beschichtungsprozess eingestellt. Die sich in den Schichten einstellenden Verhältnisse wurden mittels EDX vermessen. Aus den gemessenen Anteilen in at% ist das jeweilige
Mengenverhältnis bestimmbar. Die einzelnen Werte für die Mengenanteile in at% Titan und Aluminium, das zugehörige Mengenverhältnis von Ti:Al sowie die entsprechenden Brechzahlen sind der Übersicht in Figur 4 zu entnehmen.
Mit der Steigerung des Aluminiumgehaltes wird die Brechzahl n der Schicht verringert .
Anschließend wurden die beschichteten Substrate für 1 Stunde einer Temperaturbelastung von 650°C bzw. 850°C ausgesetzt. Die in Figur 3 dargestellten Röntgenuntersuchungen der einzelnen Proben nach der Temperung mit 650°C bzw. mit 850°C zeigen, dass lediglich die jeweils aluminiumärmste Schicht mit n = 2,34 Ansätze für die Ausbildung der Anatas-Phase zeigt. Es reichen jedoch schon geringe Mengen von Aluminium aus, um eine Kristallbildung bei Hochtemperaturbelastungen zu verhindern. Im. Vergleich zu reinem Titandioxid wird sowohl die Kristallisation einer amorphen Schicht in Anatas bei niedrigen Temperaturen als auch die Umkristallisation in die Rutil-Phase bei Temperaturen oberhalb 600°C unterbunden. Alle untersuchten Schichten zeigten keinerlei Trübungserscheinungen.
Damit können auch mit einer erfindungsgemäßen einzelnen Funktionsschicht beschichtete Substrate für unterschiedlichste Anwendungen, vorzugsweise im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden, da sie auch unter extremen Temperaturbelastungen von mehr als 600°C strukturstabil bleiben und keine Trübungen aufweisen.
Ein weiteres mögliches Anwendungsbeispiel stellt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems auf IRC- Lämpchen/Brennern dar. Das Schichtsystem besteht dabei aus einem Wechselschichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten. Typischerweise bestehen diese Interferenzschichtsysteme aus mehr als 30 Funktionsschichten.
Die Designs von Wechselschichtsystemen für derartige Lämpchen bzw. Brenner sind hinlänglich bekannt. Sie sind derart ausgebildet, dass das von der Lampe im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugte Licht transmittiert wird und die gleichzeitig erzeugte IR-Strahlung in den lichterzeugenden Körper reflektiert wird (IRC-System = „Infrared-reflective coating) . Die reflektierte Strahlung stellt einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der Betriebstemperatur des Leuchtkörpers dar. Dabei kann die Temperatur des Lampenkolbens bzw. Brenners unter Umständen mehr als 1000°C betragen.
Die thermische Belastbarkeit bekannter Wechselschichtsysteme lag bisher bei etwa 600°C, was vor allem auf die ungenügende Temperaturstabilität der hochbrechenden Schicht zurückzuführen war.
Mit dem Einsatz von geeigneten hochbrechenden Funktionsschichten aus Aluminium-Titan-Oxid und/oder von Metalloxid-Funktionsschichten mit unterbrechenden Zwischenschichten in der Beschichtung kann die Temperaturstabilität der IRC-Lämpchen/Brenner deutlich über 600°C gesteigert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem mit mindestens einer Funktionsschicht aus einem Metalloxid, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschicht aus einem Metalloxid Titan-Aluminium-Oxid umfasst.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Titan-Aluminium-Oxid umfassende Funktionsschicht mindestens eine sie unterbrechende Zwischenschicht aus einem von der Funktionsschicht verschiedenen Metalloxid aufweist, wobei die •Zwischenschicht optisch nicht wirksam ist.
3. Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht unter einer Dicke bleibt, bei der sie optisch wirksam werden kann.
4. Schichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke dz der Zwischenschichten 0,3 bis 10 nm, vorzugsweise 0,5. bis 4 nm, besonders bevorzugt 1,0 bis '2,5 nm beträgt.
5. Schichtsystem nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Siliziumoxid umfasst .
6. Schichtsystem nach Anspruch 2, durch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht die gleiche Brechzahl aufweist wie die Titan-Aluminium-Oxid umfassende Funktionsschicht, so dass die Zwischenschicht optisch nicht wirksam werden kann.
7. Schichtsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Zirkonoxid umfasst.
8. Schichtsystem mit mindestens einer Funktionsschicht aus einem Metalloxid, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Titan-Aluminium-Oxid umfassende Zwischenschicht zumindest eine Funktionsschicht aus einem von der Zwischenschicht verschiedenen Metalloxid unterbricht, wobei die Zwischenschicht optisch nicht wirksam ist.
9. Schichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Aluminium-Oxid umfassende Zwischenschicht unter einer Dicke bleibt, bei der sie optisch wirksam werden kann.
10. Schichtsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke dz der Zwischenschichten 0,3 bis 10 nm, vorzugsweise 0,5 bis 4 nm, besonders bevorzugt 1,0 bis 2,5 nm beträgt.
11. Schichtsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht Siliziumoxid umfasst .
12. Schichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht die gleiche Brechzahl aufweist wie die Titan-Aluminium-Oxid umfassende Zwischenschicht, so dass die Zwischenschicht optisch nicht wirksam werden kann.
13. Schichtsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht Zirkonoxid umfasst.
14. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Titan-Aluminium-Oxid umfassende Schicht aus mit 0 < x < 1 besteht .
15. Schichtsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die* Brechzahl n der Titan-Aluminium-Oxid umfassenden Schicht über das Mengenverhältnis Titan zu Aluminium mit 1,55 ≤ n ≤ 2,50 einstellbar ist.
16. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem aus mehreren Funktionsschichten, vorzugsweise aus einem Wechselschichtsystem mit hoch- und niedrigbrechenden Funktionsschichten aus Metalloxiden besteht.
17. Schichtsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die hochbrechenden Funktionsschichten Titan- Aluminium-Oxid umfassen.
18. Schichtsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigbrechenden Funktionsschichten Siliziumoxid umfassen.
19. Schichtsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass hochbrechende Titan-Aluminium-Oxid umfassende Funktionsschichten durch niedrigbrechende Siliziumoxid umfassende Zwischenschichten und/oder niedrigbrechende Siliziumoxid umfassende Funktionsschichten durch hochbrechende Titan-Aluminium-Oxid umfassende Zwischenschichten unterbrochen werden.
20. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mittels chemischer. Gasphasen-Abscheidungsverfahren, vorzugsweise plasma-unterstützt, insbesondere mittels gepulsten plasma-unterstützten CVD-Verfahren hergestellt sind.
21. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mittels PVD- Verfahren hergestellt sind.
22. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mittels Sol- Gel-Verfahren hergestellt sind.
23. Beleuchtungskörpern, gekennzeichnet durch eine Beschichtung mit einem Schichtsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22.
24. Beleuchtungskörper nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein IRC-Lämpchen oder IRC- Brenner ist .
25. Reflektor, gekennzeichnet durch eine Beschichtung mit einem Schichtsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22.
26. Reflektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Glaskeramik-Reflektor ist.
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