EP3515871A1 - Substrat revêtu d'un revêtement bas-émissif - Google Patents

Substrat revêtu d'un revêtement bas-émissif

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EP3515871A1
EP3515871A1 EP17780503.3A EP17780503A EP3515871A1 EP 3515871 A1 EP3515871 A1 EP 3515871A1 EP 17780503 A EP17780503 A EP 17780503A EP 3515871 A1 EP3515871 A1 EP 3515871A1
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EP
European Patent Office
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layer
dielectric layer
oxide
substrate
oxygen barrier
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17780503.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis Guimard
Johann SKOLSKI
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.)
Saint Gobain Glass France SAS
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C03C2218/30—Aspects of methods for coating glass not covered above
    • C03C2218/32—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to the field of inorganic thin films, in particular deposited on glass substrates. It relates more particularly to a process for obtaining a material comprising a substrate coated on at least one face of a low-emissive thin film stack.
  • optical properties for example reflection or absorption of radiation of a wavelength range data
  • properties of particular electrical conduction or properties related to the ease of cleaning or the possibility for the material to self-clean.
  • a plasma is created under a high vacuum near a target comprising the chemical elements to be deposited.
  • the active species of the plasma by bombarding the target, tear off said elements, which are deposited on the substrate forming the desired thin layer.
  • This process is called “reactive" when the layer consists of a material resulting from a chemical reaction between the elements torn from the target and the gas contained in the plasma.
  • the major advantage of this method lies in the possibility of depositing on the same line a very complex stack of layers by making successively scroll the substrate under different targets, usually in a single device.
  • thin layers are most often based on inorganic compounds: oxides, nitrides, or even metals. Their thickness generally varies from a few nanometers to a few hundred nanometers, hence their term "thin".
  • the thin layers based on metallic silver which have properties of electrical conduction and reflection of infrared radiation, hence their use in solar control glazing, especially anti-solar (to reduce the amount of incoming solar energy) and / or low emissivity (aimed at decreasing the amount of energy dissipated to the outside of a building or a vehicle).
  • the or each layer of silver is generally inserted into a stack of layers.
  • the or each silver-based thin layer is generally arranged between two thin dielectric layers based on oxide or nitride (for example Ti0 2 , Sn0 2 or S1 3 N 4 ).
  • a very thin layer may also be arranged under the silver layer to promote wetting and nucleation of the silver (for example zinc oxide ZnO) and on the silver layer a very thin second layer (sacrificial, for example in titanium) intended to protect the silver layer in the case where the deposition of the subsequent layer is carried out in an oxidizing atmosphere or in the case of heat treatments leading to an oxygen migration within the stack.
  • These layers are respectively called wetting layer and blocking layer.
  • the silver layers have the particularity of seeing some of their improved properties when in an at least partially crystallized state. It is generally sought to maximize the crystallization rate of these layers (the mass or volume proportion of crystallized material) and the size of the crystalline grains (or the size of coherent diffraction domains measured by X-ray diffraction methods).
  • the silver layers having a high crystallization rate and consequently a low content of nanometric grains have a lower emissivity and resistivity as well as a higher visible transmission than predominantly silver layers. nano-crystallized.
  • the electrical conductivity and the low emissivity properties of these layers are thus improved.
  • the increase in grain size is accompanied by a decrease in grain boundaries, which favors the mobility of electric charge carriers.
  • the magnetron-deposited silver layers are generally predominantly even totally nano-crystallized (the average size of the crystalline grains being less than a few nanometers), and thermal treatments are necessary to obtain the desired degree of crystallization or grain size. desired.
  • the oxide-based dielectric thin films are generally deposited by a magnetron reactive process from a metal target or substoichiometric oxide in an oxygen-containing plasma.
  • the process parameters are then generally adjusted to obtain the desired oxide in stoichiometric proportion.
  • the deposited oxide layer may have a substoichiometric composition. It was observed that, in this case, the resistivity gain of the silver layers after laser annealing was not as good as expected. Indeed, below a certain threshold of scrolling speed, the resistivity gain may tend to decrease with the decrease of the scrolling speed whereas it should instead increase.
  • the object of the invention is to propose a method making it possible to obviate the disadvantages mentioned above.
  • the subject of the invention is a process for obtaining a material comprising a substrate coated on at least one face of a stack of thin layers comprising the following steps:
  • At least one face of said substrate is deposited on a stack of thin layers comprising a first dielectric layer, a wetting layer, a silver layer and a second dielectric layer, the at least one coated surface is thermally treated with at least one laser radiation emitting in at least one wavelength between 100 and 2000 nm, preferably so that the square resistance of the stack is reduced at least 5%;
  • first and second dielectric layers are an oxide-based dielectric layer and an oxygen barrier layer is disposed between the oxide-based dielectric layer and the oxide layer. wetting.
  • first dielectric layer is a di-stoichiometric oxide-based dielectric layer and an oxygen barrier layer is disposed between the first dielectric layer and the wetting layer.
  • the second dielectric layer may also be an oxide-based dielectric layer, in particular substoichiometric layer. In this case, a second oxygen barrier layer may be disposed between the second dielectric layer and the wetting layer.
  • the substrate is preferably a sheet of glass, glass-ceramic, or polymeric organic material.
  • the substrate is preferably transparent, colorless (it is then a clear or extra-clear glass) or colored, for example blue, green, gray or bronze.
  • the glass is preferably of the silico-soda-lime type, but it may also be of borosilicate or alumino-borosilicate type glass.
  • Preferred polymeric organic materials are polycarbonate or polymethylmethacrylate or polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • the substrate advantageously has at least one dimension greater than or equal to 1 m, or even 2 m and even 3 m.
  • the thickness of the substrate generally varies between 0.5 mm and 19 mm, preferably between 0.7 and 9 mm, especially between 2 and 8 mm, or even between 4 and 6 mm.
  • the substrate may be flat or curved, or even flexible.
  • the glass substrate is preferably of the float type, that is to say likely to have been obtained by a process of pouring the molten glass on a bath of molten tin ("float" bath).
  • the layer to be treated may be deposited on the "tin” side as well as on the "atmosphere” side of the substrate.
  • the term "atmosphere” and “tin” faces means the faces of the substrate having respectively been in contact with the atmosphere prevailing in the float bath and in contact with molten tin.
  • the tin side contains a small surface amount of tin that has diffused into the glass structure.
  • the glass substrate can also be obtained by rolling between two rollers, a technique which makes it possible in particular to print patterns on the surface of the glass.
  • clear glass is meant a silico-soda-lime glass obtained by floating, not coated with layers, and having a light transmission of the order of 90%, a light reflection of the order of 8% and an energetic transmission of light. 83% for a thickness of 4 mm.
  • the light and energy transmissions and reflections are as defined by standard NF EN 410.
  • Typical clear glasses are, for example, sold under the name SGG Planilux by Saint-Gobain Glass France or under the name Planibel Clair by AGC Fiat. Glass Europe. These substrates are conventionally used for the manufacture of low-emissivity glazing.
  • the method according to the invention is obviously not limited to deposits made on a clear glass substrate or a substrate of 4 mm thick.
  • the coating may be deposited on any type of substrate, but the absorption of the stack as defined according to the invention is considered to have been deposited on a clear glass substrate whose thickness is 4 mm.
  • the stack of thin layers is deposited preferably by sputtering. It comprises successively from the substrate a first dielectric layer, a wetting layer, a silver layer and a second dielectric layer, at least one of said first and second dielectric layers being an oxide-based dielectric layer and a barrier layer oxygen is arranged between the oxide-based dielectric layer and the wetting layer.
  • the oxygen barrier layer makes it possible to prevent oxygen migration from the wetting layer to the oxide-based dielectric layer during the heat treatment according to the invention.
  • the oxygen barrier layer is disposed below the wetting layer, preferably in direct contact with the wetting layer.
  • the oxygen barrier layer is disposed above the silver layer, preferably in direct contact with the second oxide-based dielectric layer.
  • first layer and second layer associated with the position of a first layer relative to a second layer, mean that the first layer is closer to, or farther from, the substrate. than the second layer. These terms, however, do not exclude the presence of other layers between said first and second layers.
  • a first layer "in direct contact” with a second layer means that no other layer is disposed between them.
  • the expressions "directly above” and “directly below”. it is understood that, unless otherwise indicated, other layers may be interposed between each of the layers of the stack.
  • the oxygen barrier layer is preferably a layer based on silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbide, silicon oxy-carbide, aluminum nitride or titanium carbide. More preferably, the oxygen barrier layer is a layer based on silicon nitride.
  • the silicon nitride may be doped, for example with aluminum or boron, in order to facilitate its deposition by sputtering techniques. The doping rate (corresponding to the atomic percentage with respect to the amount of silicon) does not generally exceed 2%.
  • the oxygen barrier layer generally has a thickness of 1 to 30 nm, preferably at least 3, 4 or even 5 nm and at most 20 nm, see at most 15 nm or even 10 nm.
  • dielectric layer in the sense of the present invention denotes a non-metallic layer, that is to say which is not made of metal.
  • This expression means in particular a layer made of a material whose ratio between the refractive index and the extinction coefficient (n / k) over the entire visible wavelength range (from 380 nm to 780 nm) is equal to or greater than 5.
  • the oxide-based dielectric layer is generally substoichiometric, i.e., the oxygen content is lower than that of the stable form of the oxide of interest.
  • a sub-stoichiometric oxide may be defined by the formula MO x with x ranging from 0.6 to 0.99, preferably from 0.8 to 0, 99;
  • a substoichiometric oxide may be defined by the formula M 2 O x with x ranging from 2 to 2.99, preferably from 2.6 to 2.99;
  • a substoichiometric oxide may be defined by the formula MO x with x ranging from 1.5 to 1.99, preferably from 1.8 to 1.99;
  • a substoichiometric oxide may be defined by the formula M 2 O x with x ranging from 1.5 to 1.99, preferably from 1.8 to 1.99;
  • a substoichiometric oxide may be defined by the formula M 2 O x with x ranging from
  • the oxide-based dielectric layer is preferably a titanium oxide layer, in particular a TiO x sub-stoichiometric titanium oxide layer (x being then strictly less than 2).
  • the value of x is preferably less than or equal to 1.8, especially between 1.5 and 1.8.
  • the dielectric layer participates in the absorption of the laser radiation, which thus makes it possible to improve the crystallization of the silver layer and / or to increase the speed of travel during the heat treatment, and therefore the productivity.
  • the first dielectric layer is a weakly substoichiometric titanium oxide layer, that is, the value x is greater than or equal to 1.8, preferably greater than 1.9. It is not uncommon for the process parameters, although initially set to deposit a stoichiometric TiO 2 layer (in particular to reduce the residual absorption of the stack), may fluctuate during production. so that the layer actually deposited is weakly substoichiometric.
  • the other dielectric layer (that of the first or second dielectric layer that is not necessarily oxide-based) may be oxide-based, optionally substoichiometric, especially titanium oxide, tin oxide , in silicon oxide or their mixtures, or nitride, in particular silicon nitride.
  • each of the first and second dielectric layers is an oxide-based layer, in particular a titanium oxide-based layer, especially a TiO x sub-stoichiometric titanium oxide layer such as defined above.
  • the stack according to the invention may comprise two oxygen barrier layers, respectively between the wetting layer and each of the first and second dielectric layers.
  • the stack comprises successively from the substrate a first oxide-based dielectric layer, a first oxygen barrier layer, a wetting layer, a silver layer, a second barrier layer, oxygen and a second oxide-based dielectric layer.
  • the first and second dielectric layers generally have a thickness of 10 to 60 nm, preferably 15 to 50 nm.
  • the stack according to the invention may comprise an overblocker layer and / or subblocker respectively above or below the or each silver layer and in direct contact therewith.
  • the blocker layers are generally based on a metal selected from nickel, chromium, titanium, niobium, or an alloy of these different metals. Mention may in particular be made of nickel-titanium alloys (especially those comprising about 50% by weight of each metal) or nickel-chromium alloys (especially those comprising 80% by weight of nickel and 20% by weight of chromium).
  • the overlocking layer may also consist of several superimposed layers, for example, away from the substrate, titanium and then a nickel alloy (especially a nickel-chromium alloy) or vice versa.
  • These layers of blocker are very thin, normally less than 1 nm thick, so as not to affect the light transmission of the stack, and are likely to be partially oxidized during the heat treatment according to the invention.
  • the blocking layers are sacrificial layers capable of capturing the oxygen coming from the atmosphere or the substrate, thus avoiding oxidation of the silver layer.
  • the wetting layer is generally based on zinc oxide. It is preferably made of zinc oxide, optionally doped with aluminum.
  • the wetting layer is generally disposed below and in direct contact with the silver layer or, when a blocking layer is present, in direct contact with the blocking layer. It generally has a thickness of 2 to 10 nm, preferably 3 to 8 nm.
  • the stack may include one or more layers of silver, including two or three layers of silver. When multiple layers of silver are present, the general architecture presented above can be repeated. In this case, the second dielectric layer relative to a given silver layer (thus located above this silver layer) generally coincides with the first dielectric layer relative to the next silver layer.
  • the physical thickness of the or each silver layer is between 6 and 20 nm.
  • the stack may comprise other layers, in particular between the substrate and the first dielectric layer, directly above the silver layer (or on-blocker), or above the second dielectric layer.
  • an adhesion layer may be placed directly above the silver layer, or if it is present directly above the over-blocking layer, in order to improve the adhesion between the silver layer or the over-blocker and the upper layers.
  • the adhesion layer may be for example a zinc oxide layer, in particular doped with aluminum, or a layer of tin oxide. It generally has a thickness of 2 to 10 nm.
  • the first dielectric layer is preferably deposited directly above the substrate.
  • an underlayer may alternatively be arranged between the first dielectric layer and the substrate, preferably in direct contact with them.
  • This sub-layer may be a layer based on oxide or nitride, in particular silicon nitride optionally doped with aluminum. It generally has a thickness of 2 to 30 mm, preferably 3 to 20 nm, or even 5 to 15 nm.
  • An oxygen donor layer may also be disposed below or below the or each oxide-based dielectric layer.
  • oxygen donor layer is meant an oxide-based layer which is capable of giving oxygen to the oxide-based dielectric layer, in particular during the heat treatment.
  • the presence of an oxygen donor layer makes it possible to improve the oxidation of the oxide-based dielectric layer, especially when the latter is substoichiometric, and thus to limit the residual light absorption of the stack.
  • the oxygen donor layer may be oxidized according to stable stoichiometry or possibly superstoichiometric oxygen.
  • the oxygen donor layer generally has a thickness of 1 to 30 nm, preferably 3 to 50 nm.
  • a protective layer may be disposed on the second dielectric layer.
  • This protective layer is generally the last layer of the stack and is intended in particular to protect the stack against any mechanical attack (scratches ...) or chemical. It may be a layer based on oxide or nitride, in particular silicon nitride.
  • the protective layer generally has a thickness of 3 to 50 nm.
  • FIGS. 1 to 3 illustrate stacking examples according to the invention.
  • the stack comprises successively from the substrate 10 a first oxide-based dielectric layer 11, an oxygen barrier layer 12, a wetting layer 13, a silver layer 14, optionally a barrier layer 15, optionally an adhesion layer 16, a second dielectric layer 17 and optionally a protective layer 18.
  • the stack comprises successively from the substrate 10 a first dielectric layer 17, a wetting layer 13, a silver layer 14, optionally a blocking layer 15 optionally an adhesion layer 16, an oxygen barrier layer 12, a second oxide-based dielectric layer 11 and optionally a protective layer 18.
  • the stack comprises successively from the substrate 10 a first dielectric layer based on oxide 11a, a first oxygen barrier layer 12a, a wetting layer 13, a silver layer 14, optio nally a blocking layer 15, optionally an adhesion layer 16, a second oxygen barrier layer 12b, a second oxide-based dielectric layer 11b and optionally a protective layer 18.
  • stacking according to the invention can be chosen from: Substrate // TiO x / Si 3 N 4 / ZnO / Ag / Ti / ZnO / TiO 2 / Si 3 N 4
  • the method according to the invention also comprises a heat treatment step using a laser.
  • This heat treatment provides energy sufficient to promote the crystallization of the thin silver layer, by a physicochemical mechanism of crystalline growth around seeds already present in the layer, remaining in the solid phase.
  • Favoring the crystallization of the silver layer can in particular result in the disappearance of any amorphous phase residues and / or in an increase in the size of the coherent diffraction domains and / or in a reduction in the density of defects. punctual (gaps, interstitials) or surface or volume defects such as twins.
  • the method according to the invention has the advantage of heating only the low-emissive stack, without significant heating of the entire substrate. It is thus no longer necessary to carry out a slow and controlled cooling of the substrate before cutting or storing the glass.
  • the use of laser radiation has the advantage of obtaining temperatures generally below 100 ° C, and often even below 50 ° C at the opposite side to the first face of the substrate (ie say at the level of the uncoated side). This particularly advantageous characteristic is due to the fact that the heat exchange coefficient is very high, typically greater than 400 W / (m 2 .s).
  • the surface power of the laser radiation at the level of the stack to be treated is preferably even greater than or equal to 10, or even 20 or 30 kW / cm 2 .
  • each point of the stack is preferably subjected to the treatment according to the invention (and in particular heated to a temperature greater than or equal to 300 ° C) for a duration generally less than or equal to 1 second, or even 0.5 seconds.
  • the portion of the glass located at 0.5 mm from the thin layer does not generally undergo temperatures above 100 ° C.
  • the temperature of the face of the substrate opposite to the surface treated by the at least one laser radiation preferably does not exceed 100 ° C., in particular 50 ° C. and even 30 ° C. during the heat treatment.
  • the laser can thus be integrated in a layer deposition line, for example a magnetic field assisted sputtering deposition line (magnetron process).
  • the line generally includes substrate handling devices, a deposition facility, optical control devices, stacking devices.
  • the substrates scroll, for example on conveyor rollers, successively in front of each device or each installation.
  • the laser is preferably located just after the layer deposition installation, for example at the outlet of the deposition installation.
  • the coated substrate can thus be treated in line after the deposition of layers, at the exit of the deposition installation and before the optical control devices, or after the optical control devices and before the devices for stacking the substrates. It is also possible in certain cases to carry out the heat treatment according to the invention within the vacuum deposition chamber itself.
  • the laser is then integrated into the depot installation. For example, the laser can be introduced into one of the chambers of a sputtering deposition installation.
  • these methods are preferable to a recovery process in which it would be necessary to stack the glass substrates between the step of deposit and heat treatment.
  • Processes recovery can however be of interest in cases where the implementation of the heat treatment according to the invention is made in a different location from where the deposit is made, for example in a place where is performed the transformation of glass .
  • the radiation device can therefore be integrated with other lines than the layer deposition line. It can for example be integrated into a production line of multiple glazing (double or triple glazing in particular), or to a laminated glass manufacturing line.
  • the heat treatment according to the invention is preferably carried out before the production of multiple or laminated glazing.
  • the laser radiation is preferably derived from at least one laser beam forming a line (called "laser line” in the following text) which simultaneously radiates the entire width of the substrate.
  • the in-line laser beam can in particular be obtained using optical focusing systems.
  • the laser line is generally obtained by combining several elementary laser lines.
  • the thickness of the elementary laser lines is preferably between 0.01 and 1 mm. Their length is typically between 5 mm and 1 m.
  • the elementary laser lines are usually juxtaposed side by side to form a single laser line so that the entire surface of the stack is treated.
  • Each elementary laser line is preferably arranged perpendicular to the direction of travel of the substrate.
  • the laser sources are typically laser diodes or fired lasers, including fiber, diode or disk lasers.
  • the laser diodes make it possible to economically achieve high power densities with respect to the electric power supply, for a small space requirement.
  • the size of the fired lasers is even smaller, and the linear power obtained can be even higher, but at a greater cost.
  • laser lasers are meant lasers in which the location of generation of the laser radiation is spatially offset from its place of delivery, the laser radiation being delivered by means of at least one optical fiber.
  • the laser radiation is generated in a resonant cavity in which is located the emitter medium which is in the form of a disk, for example a thin disk (about 0.1 mm thick) in Yb: YAG.
  • the radiation thus generated is coupled in at least one optical fiber directed towards the place of treatment.
  • the laser may also be fiber, in the sense that the amplification medium is itself an optical fiber.
  • Fiber or disk lasers are preferably pumped optically by means of laser diodes.
  • the radiation from the laser sources is preferably continuous.
  • the wavelength of the laser radiation, and therefore the treatment wavelength is preferably in a range from 500 to 1300 nm, in particular from 800 to 100 nm.
  • Power laser diodes emitting at one or more wavelengths selected from 808 nm, 880 nm, 915 nm, 940 nm or 980 nm have proved particularly suitable.
  • the treatment wavelength is for example 1030 nm (emission wavelength for a Yb: YAG laser).
  • the treatment wavelength is typically 1070 nm.
  • the absorption of the stack at the wavelength of the laser radiation is greater than or equal to 5%, preferably greater than 10% or 15%, or even greater than 20% or even 30%.
  • the absorption is defined as being equal to the value of 100% to which the transmission and the reflection of the layer are subtracted.
  • the running speed that is to say the difference between the respective speeds of the substrate and the laser, is greater than or equal to 1 m / min, or even greater than 2, 3, 4 or 5 m / min. , or even advantageously greater than or equal to 8 or 10 m / min, in order to ensure a high processing speed.
  • the substrate may be set in motion by any mechanical conveying means, for example using strips, rollers, translational trays.
  • the conveyor system controls and controls the speed of travel. If the substrate is of flexible polymeric organic material, the displacement can be achieved using a film feed system in the form of a succession of rollers.
  • the substrate will generally be arranged horizontally, but it may also be arranged vertically, or in any possible inclination.
  • the laser is generally arranged to irradiate the upper face of the substrate.
  • the laser can also irradiate the underside of the substrate.
  • the support system of the substrate possibly the conveying system of the substrate when the latter is in motion, allows the radiation to pass through the zone to be irradiated. This is the case for example when using conveying rollers: the rollers being disjoint, it is possible to arrange the laser in an area between two successive rollers.
  • the present invention also relates to a material comprising a substrate coated with a low-emissive coating as described above.
  • the material according to the invention can be obtained by the process according to the invention.
  • the material according to the invention is preferably incorporated in a glazing unit.
  • the present invention therefore also relates to a glazing unit comprising a material comprising a substrate coated with a low emissive coating as described above.
  • the glazing may be single or multiple (in particular double or triple), in the sense that it may comprise several glass sheets leaving a space filled with gas.
  • the glazing can also be laminated and / or tempered and / or hardened and / or curved.
  • a substrate of clear glass of 4 mm thick marketed under the name SGG Planilux by the applicant are deposited different stacks low-emissivity. All the stacks are deposited, in a known manner, on a cathode sputtering line (magnetron process) in which the substrate comes under different targets.
  • Table 1 indicates for each stack tested the physical thickness of the layers, expressed in nm.
  • the first line corresponds to the layer furthest from the substrate, in contact with the open air.
  • Sample C1 comprises a first TiO 2 standard titanium oxide dielectric layer while samples C2 and II comprise a TiO x under-oxidized titanium oxide dielectric first layer.
  • Sample II further comprises an oxygen barrier layer of silicon nitride S 1 3 N 4 : Al between the first dielectric layer and the zinc oxide wetting layer.
  • the samples are processed using an in-line laser, obtained by juxtaposing several elementary lines, emitting 50% 915 nm and 50% 980 nm radiation with a power of 56 kW / cm 2 , with respect to which the substrate coated comes to scroll in translation.
  • the samples were processed at different rates of scrolling.
  • the square resistance was measured before and after heat treatment.
  • the square resistance (Rsq) was measured by a non-contact induction measurement using an SRM-12 device marketed by Nagy.
  • a gain of 5% thus corresponds to a decrease of 5% in the square resistance.
  • FIG. 4 shows for each sample the gain (G) of square resistance of the stack after heat treatment as a function of the processing speed (V).
  • G gain
  • V processing speed

Abstract

L'invention porte sur un matériau comprenant un substrat revêtu sur au moins une face d'un revêtement comprenant une première couche diélectrique, une couche de mouillage, une couche d'argent et une deuxième couche diélectrique, caractérisé en ce qu'au moins une desdites premières et deuxièmes couches diélectriques est une couche diélectrique à base d'oxyde et une couche barrière à l'oxygène est disposée entre la couche diélectrique à base d'oxyde et la couche de mouillage; ainsi que sur un procédé d'obtention d'un tel matériau, ledit procédé comprenant une étape de recuit laser dudit revêtement.

Description

SUBSTRAT REVETU D'UN REVETEMENT BAS-EMISSIF
L'invention se rapporte au domaine des couches minces inorganiques, notamment déposées sur des substrats en verre. Elle concerne plus particulièrement un procédé d'obtention d'un matériau comprenant un substrat revêtu sur au moins une face d'un empilement de couches minces bas-émissif.
De nombreuses couches minces sont déposées sur des substrats, notamment en verre plat ou faiblement bombé, afin de conférer aux matériaux obtenus des propriétés particulières : propriétés optiques, par exemple de réflexion ou d'absorption de rayonnements d'un domaine de longueurs d'onde données, propriétés de conduction électrique particulière, ou encore propriétés liées à la facilité de nettoyage ou à la possibilité pour le matériau de s'auto-nettoyer.
Un procédé couramment employé à l'échelle industrielle pour le dépôt de couches minces, notamment sur substrat verrier, est le procédé de pulvérisation cathodique assisté par champ magnétique, appelé procédé « magnétron ». Dans ce procédé, un plasma est créé sous un vide poussé au voisinage d'une cible comprenant les éléments chimiques à déposer. Les espèces actives du plasma, en bombardant la cible, arrachent lesdits éléments, qui se déposent sur le substrat en formant la couche mince désirée. Ce procédé est dit « réactif » lorsque la couche est constituée d'un matériau résultant d'une réaction chimique entre les éléments arrachés de la cible et le gaz contenu dans le plasma. L'avantage majeur de ce procédé réside dans la possibilité de déposer sur une même ligne un empilement très complexe de couches en faisant successivement défiler le substrat sous différentes cibles, ce généralement dans un seul et même dispositif.
Ces couches minces sont le plus souvent à base de composés inorganiques : oxydes, nitrures, ou encore métaux. Leur épaisseur varie généralement de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres, d'où leur qualificatif de « minces ».
Parmi les plus intéressantes figurent les couches minces à base d'argent métallique, lesquelles ont des propriétés de conduction électrique et de réflexion des rayonnements infrarouges, d'où leur utilisation dans des vitrages à contrôle solaire, notamment anti-solaires (visant à diminuer la quantité d'énergie solaire entrante) et/ou à faible émissivité (visant à diminuer la quantité d'énergie dissipée vers l'extérieur d'un bâtiment ou d'un véhicule).
Afin notamment d'éviter l'oxydation de l'argent et d'atténuer ses propriétés de réflexion dans le visible, la ou chaque couche d'argent est généralement insérée dans un empilement de couches. Dans le cas des vitrages à contrôle solaire ou à faible émissivité, la ou chaque couche mince à base d'argent est généralement disposée entre deux couches minces diélectriques à base d'oxyde ou de nitrure (par exemple en Ti02, Sn02 ou S13N4). Peuvent être également disposées sous la couche d'argent une couche très fine destinée à favoriser le mouillage et la nucléation de l'argent (par exemple en oxyde de zinc ZnO) et sur la couche d'argent une seconde couche très fine (sacrificielle, par exemple en titane) destinée à protéger la couche d'argent au cas où le dépôt de la couche subséquente est réalisé dans une atmosphère oxydante ou en cas de traitements thermiques conduisant à une migration d'oxygène au sein de l'empilement. Ces couches sont respectivement appelées couche de mouillage et couche de bloqueur. Les couches d'argent présentent la particularité de voir certaines de leurs propriétés améliorées lorsqu'elles sont dans un état au moins partiellement cristallisé. On cherche généralement à augmenter au maximum le taux de cristallisation de ces couches (la proportion massique ou volumique de matière cristallisée) et la taille des grains cristallins (ou la taille de domaines cohérents de diffraction mesurés par des méthodes de diffraction des rayons X). Il est notamment connu que les couches d'argent présentant un taux de cristallisation élevé et par conséquent une faible teneur en grains nanométriques présentent une émissivité et une résistivité plus basses ainsi qu'une transmission dans le visible plus élevée que des couches d'argent majoritairement nano- cristallisées. La conductivité électrique et les propriétés de faible émissivité de ces couches sont ainsi améliorées. L'augmentation de la taille des grains s'accompagne en effet d'une diminution des joints de grains, favorable à la mobilité des porteurs de charge électrique.
Les couches d'argent déposées par procédé magnétron sont généralement majoritairement voire totalement nano-cristallisées (la taille moyenne des grains cristallins étant inférieure à quelques nanomètres), et des traitements thermiques se révèlent nécessaires pour obtenir le taux de cristallisation souhaité ou la taille de grains désirée.
Il est connu d'effectuer un recuit laser local et rapide de revêtements comprenant une ou plusieurs couches d'argent. Pour cela on fait défiler le substrat avec le revêtement à recuire sous une ligne laser, ou bien une ligne laser au-dessus du substrat portant le revêtement. Le recuit laser permet de chauffer des revêtements minces à des températures élevées, de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, tout en préservant le substrat sous-jacent. Les vitesses de défilement sont bien entendu de préférence les plus élevées possibles, avantageusement au moins de plusieurs mètres par minute. Le choix de la vitesse de défilement adéquate résulte d'un compromis entre productivité d'une part et efficacité du traitement d'autre part. En effet, plus la vitesse de défilement est faible, plus la quantité d'énergie absorbée par le revêtement est importante et meilleure sera la cristallisation de la ou des couches d'argent.
Afin d'obtenir les vitesses de dépôt convenables, les couches minces diélectriques à base d'oxydes sont généralement déposée par procédé magnétron réactif à partir d'une cible métallique ou en oxyde sous-stœchiométrique dans un plasma contenant de l'oxygène. Les paramètres de procédé, sont alors généralement réglés de façon à obtenir l'oxyde souhaité en proportion stœchiométrique. Cependant, il n'est pas rare que, suite à une fluctuation de ces paramètres au cours du procédé de dépôt, la couche d'oxyde déposée puisse présenter une composition sous-stœchiométrique. Il a été observé que, dans ce cas, le gain de résistivité des couches d'argent après recuit laser n'était pas aussi bon qu'attendu. En effet, en deçà d'un certain seuil de vitesse de défilement, le gain de résistivité peut avoir tendance à diminuer avec la diminution de la vitesse de défilement alors que celui-ci devrait au contraire augmenter.
L'invention a pour but de proposer un procédé permettant d'obvier les inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'obtention d'un matériau comprenant un substrat revêtu sur au moins une face d'un empilement de couches minces comprenant les étapes suivantes :
- on dépose sur au moins une face dudit substrat un empilement de couches minces comprenant une première couche diélectrique, une couche de mouillage, une couche d'argent et une deuxième couche diélectrique, on traite thermiquement la au moins une face revêtue à l'aide d'au moins un rayonnement laser émettant dans au moins une longueur d'onde comprise entre 100 et 2000 nm, de préférence de sorte que la résistance carrée de l'empilement est diminuée d'au moins 5% ;
caractérisé en ce qu'au moins une desdites premières et deuxièmes couches diélectriques est une couche diélectrique à base d'oxyde et en ce qu'une couche barrière à l'oxygène est disposée entre la couche diélectrique à base d'oxyde et la couche de mouillage. En particulier, la première couche diélectrique est une couche diélectrique à base d'oxyde sous-stœchiométrique et une couche barrière à l'oxygène est disposée entre la première couche diélectrique et la couche de mouillage. La deuxième couche diélectrique peut également être une couche diélectrique à base d'oxyde, notamment sous-stœchiométrique. Dans ce cas, une deuxième couche barrière à l'oxygène peut être disposée entre la deuxième couche diélectrique et la couche de mouillage.
Sans vouloir être lié à une quelconque théorie, il est en effet supposé que lorsque la couche diélectrique à base d'oxyde est sous-stœchiométrique en oxygène, celle-ci tend à réduire les couches environnantes en « pompant » l'oxygène des couches environnantes, notamment de la couche de mouillage, sous l'effet du recuit laser. Cela aurait pour effet d'altérer la couche de mouillage sur laquelle la couche d'argent se cristallise et de détériorer par conséquent la qualité de la couche d'argent. La présence d'une couche barrière à l'oxygène entre la couche diélectrique à base d'oxyde et la couche de mouillage permet d'empêcher ce phénomène. La couche barrière en oxygène protège en effet la couche de mouillage en empêchant la migration de l'oxygène vers la première couche diélectrique. Le substrat est de préférence une feuille de verre, de vitrocéramique, ou d'une matière organique polymérique. Il est de préférence transparent, incolore (il s'agit alors d'un verre clair ou extra-clair) ou coloré, par exemple en bleu, vert, gris ou bronze. Le verre est de préférence de type silico-sodo-calcique, mais il peut également être en verre de type borosilicate ou alumino-borosilicate. Les matières organiques polymériques préférées sont le polycarbonate ou le polyméthacrylate de méthyle ou encore le polyéthylènetérephtalate (PET). Le substrat présente avantageusement au moins une dimension supérieure ou égale à 1 m, voire 2 m et même 3 m. L'épaisseur du substrat varie généralement entre 0,5 mm et 19 mm, de préférence entre 0,7 et 9 mm, notamment entre 2 et 8 mm, voire entre 4 et 6 mm. Le substrat peut être plan ou bombé, voire flexible.
Le substrat de verre est de préférence du type flotté, c'est-à-dire susceptible d'avoir été obtenu par un procédé consistant à déverser le verre fondu sur un bain d'étain en fusion (bain « float »). Dans ce cas, la couche à traiter peut aussi bien être déposée sur la face « étain » que sur la face « atmosphère » du substrat. On entend par faces « atmosphère » et « étain », les faces du substrat ayant été respectivement en contact avec l'atmosphère régnant dans le bain float et en contact avec Γ étain fondu. La face étain contient une faible quantité superficielle d'étain ayant diffusé dans la structure du verre. Le substrat de verre peut également être obtenu par laminage entre deux rouleaux, technique permettant en particulier d'imprimer des motifs à la surface du verre.
On entend par verre clair un verre silico-sodo-calcique obtenu par flottage, non revêtu de couches, et présentant une transmission lumineuse de l'ordre de 90%, une réflexion lumineuse de l'ordre de 8% et une transmission énergétique de l'ordre de 83% pour une épaisseur de 4 mm. Les transmissions et réflexions lumineuses et énergétiques sont telles que définies par la norme NF EN 410. Des verres clairs typiques sont par exemple commercialisés sous la dénomination SGG Planilux par la société Saint- Gobain Glass France ou sous la dénomination Planibel Clair par la société AGC Fiat Glass Europe. Ces substrats sont classiquement employés pour la fabrication de vitrages bas-émissifs.
Le procédé selon l'invention n'est bien évidemment pas limité aux dépôts réalisés sur un substrat de verre clair ou sur un substrat de 4 mm d'épaisseur. Le revêtement peut être déposé sur tout type de substrat, mais l'absorption de l'empilement telle que défini selon l'invention est considéré comme ayant été déposé sur un substrat de verre clair dont l'épaisseur est de 4 mm.
L'empilement de couches minces est déposé de préférence par pulvérisation cathodique. Il comprend successivement à partir du substrat une première couche diélectrique, une couche de mouillage, une couche d'argent et une deuxième couche diélectrique, au moins une desdites premières et deuxièmes couches diélectriques étant une couche diélectrique à base d'oxyde et une couche barrière à l'oxygène est disposée entre la couche diélectrique à base d'oxyde et la couche de mouillage.
La couche barrière à l'oxygène permet d'empêcher la migration d'oxygène depuis la couche de mouillage vers la couche diélectrique à base d'oxyde lors du traitement thermique selon l'invention. Lorsque la première couche diélectrique est une couche diélectrique à base d'oxyde, la couche barrière à l'oxygène est disposée au- dessous de la couche de mouillage, de préférence en contact direct avec la couche de mouillage. Lorsque la deuxième couche diélectrique est une couche diélectrique à base d'oxyde, la couche barrière à l'oxygène est disposée au-dessus de la couche d'argent, de préférence en contact direct avec la deuxième couche diélectrique à base d'oxyde.
Dans la présente demande, les termes « au-dessous » et « au-dessus », associés à la position d'une première couche par rapport à une deuxième couche, signifient que la première couche est plus proche, respectivement plus éloignée, du substrat que la deuxième couche. Ces termes n'excluent cependant pas la présence d'autres couches entre lesdites première et deuxième couches. Au contraire, une première couche « en contact direct » avec une deuxième couche signifie qu'aucune autre couche n'est disposée entre celles-ci. Il en va de même pour les expressions « directement au- dessus » et « directement au-dessous ». Ainsi, il est entendu que, sauf s'il est indiqué autrement, d'autres couche peuvent être intercalées entre chacune des couches de l'empilement.
La couche barrière à l'oxygène est de préférence une couche à base de nitrure de silicium, d'oxynitrure de silicium, de carbure de silicium, d'oxy carbure de silicium, de nitrure d'aluminium, de carbure de titane. Plus préférentiellement, la couche barrière à l'oxygène est une couche à base de nitrure de silicium. D'une manière générale, le nitrure de silicium peut être dopé, par exemple avec de l'aluminium ou du bore, afin de faciliter son dépôt par les techniques de pulvérisation cathodique. Le taux de dopage (correspondant au pourcentage atomique par rapport à la quantité de silicium) ne dépasse généralement pas 2%. La couche barrière à l'oxygène présente généralement une épaisseur de 1 à 30 nm, de préférence au moins 3, 4 voire 5 nm et au plus 20 nm, voir au plus 15 nm ou même 10 nm.
L'expression « couche diélectrique » au sens de la présente invention désigne une couche non métallique, c'est-à-dire qui n'est pas constituée de métal. Cette expression désigne notamment une couche constituée d'un matériau dont le rapport entre l'indice de réfraction et le coefficient d'extinction (n/k) sur toute la plage de longueur d'onde du visible (de 380 nm à 780 nm) est égal ou supérieur à 5.
La couche diélectrique à base d'oxyde est généralement sous-stœchiométrique, c'est-à-dire que la proportion d'oxygène est inférieure à celle de la forme stable de l'oxyde considéré. Par exemple, pour un oxyde d'un métal divalent de formule stable MO, un oxyde sous-stœchiométrique peut être défini par la formule MOx avec x compris entre 0,6 et 0,99, de préférence entre 0,8 et 0,99 ; pour un oxyde de métal trivalent de formule stable M203, un oxyde sous-stœchiométrique peut être défini par la formule M2Ox avec x compris entre 2 et 2,99, de préférence entre 2,6 et 2,99 ; pour un oxyde d'un métal tétravalent de formule stable M02, un oxyde sous-stœchiométrique peut être défini par la formule MOx avec x compris entre 1,5 et 1,99, de préférence entre 1,8 et 1,99 ; pour un oxyde de métal pentavalent de formule stable M205, un oxyde sous-stœchiométrique peut être défini par la formule M2Ox avec x compris entre 3,5 et 4,99, de préférence entre 4 et 4,99 ; pour un oxyde de métal hexavalent de formule stable M03, un oxyde sous-stœchiométrique peut être défini par la formule MOx avec x compris entre 2 et 2,99, de préférence entre 2,6 et 2,99. Elle peut être par exemple une couche à base d'oxyde de titane, de silicium, de niobium ou de magnésium. La couche diélectrique à base d'oxyde est de préférence une couche d'oxyde de titane, notamment une couche d'oxyde de titane sous-stœchiométrique TiOx (x étant alors strictement inférieur à 2). Selon un mode de réalisation particulier, la valeur de x est de préférence inférieure ou égale à 1,8, notamment entre 1,5 et 1,8. Dans ce cas, la couche diélectrique participe à l'absorption du rayonnement laser ce qui permet ainsi d'améliorer la cristallisation de la couche d'argent et/ou d'augmenter la vitesse de défilement lors du traitement thermique, et donc la productivité. Selon un autre mode de réalisation particulier, la première couche diélectrique est une couche d'oxyde de titane faiblement sous-stœchiométrique, c'est-à-dire que la valeur x est supérieure ou égale à 1,8, de préférence supérieure à 1,9. Il n'est pas rare en effet que les paramètres de procédé, bien que fixés initialement pour déposer une couche de Ti02 stœchiométrique (dans un souci notamment de réduire l'absorption résiduelle de l'empilement), puissent fluctuer au cours de la production de sorte que la couche effectivement déposée soit faiblement sous-stœchiométrique.
L'autre couche diélectrique (celle de la première ou deuxième couche diélectrique qui n'est pas nécessairement à base d'oxyde) peut être à base d'oxyde, éventuellement sous-stoechiométrique, notamment en oxyde de titane, en oxyde d'étain, en oxyde de silicium ou leurs mélanges, ou de nitrure, notamment en nitrure de silicium.
Dans un mode de réalisation particulier, chacune des première et deuxième couches diélectriques est une couche à base d'oxyde, en particulier une couche à base d'oxyde de titane, notamment une couche d'oxyde de titane sous-stœchiométrique TiOx telle que définie ci-dessus. Dans ce cas, l'empilement selon l'invention peut comprendre deux couches barrières à l'oxygène, respectivement entre la couche de mouillage et chacune des première et deuxième couches diélectriques. Selon ce mode de réalisation, l'empilement comprend successivement à partir du substrat une première couche diélectrique à base d'oxyde, une première couche barrière à l'oxygène, une couche de mouillage, une couche d'argent, une deuxième couche barrière à l'oxygène et une deuxième couche diélectrique à base d'oxyde.
Les première et deuxième couches diélectriques ont généralement chacune une épaisseur de 10 à 60 nm, de préférence 15 à 50 nm. L'empilement selon l'invention peut comprendre une couche de sur-bloqueur et/ou de de sous-bloqueur respectivement au-dessus ou au-dessous de la ou chaque couche d'argent et en contact direct avec celle-ci. Les couches de bloqueur (sous- bloqueur et/ou sur-bloqueur) sont généralement à base d'un métal choisi parmi le nickel, le chrome, le titane, le niobium, ou d'un alliage de ces différents métaux. On peut notamment citer les alliages nickel-titane (notamment ceux comprenant environ 50% en poids de chaque métal) ou les alliages nickel-chrome (notamment ceux comprenant 80% en poids de nickel et 20%> en poids de chrome). La couche de sur- bloqueur peut encore être constituée de plusieurs couches superposées, par exemple, en s'éloignant du substrat, de titane puis d'un alliage de nickel (notamment un alliage nickel-chrome) ou l'inverse. Ces couches de bloqueur (sous-bloqueur et/ou sur- bloqueur) sont très fines, normalement d'une épaisseur inférieure à 1 nm, pour ne pas affecter la transmission lumineuse de l'empilement, et sont susceptibles d'être partiellement oxydées pendant le traitement thermique selon l'invention. D'une manière générale les couches de bloqueur sont des couches sacrificielles, susceptibles de capter l'oxygène provenant de l'atmosphère ou du substrat, évitant ainsi l'oxydation de la couche d'argent.
La couche de mouillage est généralement à base d'oxyde de zinc. Elle est de préférence constituée d'oxyde de zinc, éventuellement dopée à l'aluminium. La couche de mouillage est généralement disposée au-dessous de la couche d'argent et en contact direct avec celle-ci ou, lorsqu'une couche de bloqueur est présente, en contact direct avec la couche de bloqueur. Elle a généralement une épaisseur de 2 à 10 nm, de préférence de 3 à 8 nm. L'empilement peut comprendre une ou plusieurs couches d'argent, notamment deux ou trois couches d'argent. Lorsque plusieurs couches d'argent sont présentes, l'architecture générale présentée ci-avant peut être répétée. Dans ce cas, la deuxième couche diélectrique relative à une couche d'argent donnée (donc situé au-dessus de cette couche d'argent) coïncide généralement avec la première couche diélectrique relative à la couche d'argent suivante. De préférence, l'épaisseur physique de la ou chaque couche d'argent est comprise entre 6 et 20 nm.
L'empilement peut comprendre d'autres couches, notamment entre le substrat et la première couche diélectrique, directement au-dessus de la couche d'argent (ou de sur-bloqueur), ou encore au-dessus de la deuxième couche diélectrique.
Une couche d'adhésion peut notamment être disposée directement au-dessus de la couche d'argent, ou si présente directement au-dessus de la couche de sur-bloqueur, afin d'améliorer l'adhésion entre la couche d'argent ou de sur-bloqueur et les couches supérieures. La couche d'adhésion peut être par exemple une couche d'oxyde de zinc, notamment dopé à l'aluminium, ou encore une couche d'oxyde d'étain. Elle a généralement une épaisseur de 2 à 10 nm.
La première couche diélectrique est de préférence déposée directement au- dessus du substrat. Pour adapter au mieux les propriétés optiques de l'empilement (notamment l'aspect en réflexion), une sous-couche peut alternativement être disposée entre la première couche diélectrique et le substrat, de préférence en contact direct avec ceux-ci. Cette sous-couche peut être une couche à base d'oxyde ou de nitrure, notamment de nitrure de silicium éventuellement dopé à l'aluminium. Elle a généralement une épaisseur de 2 à 30 mm, de préférence 3 à 20 nm, voire 5 à 15 nm. Une couche donneuse d'oxygène peut également être disposée au-dessous ou au-dessous de la ou chaque couche diélectrique à base d'oxyde. Par « couche donneuse d'oxygène » on entend une couche à base d'oxyde qui est susceptible de donner de l'oxygène à la couche diélectrique à base d'oxyde notamment lors du traitement thermique. La présence d'une couche donneuse d'oxygène permet d'améliorer l'oxydation de la couche diélectrique à base d'oxyde, notamment lorsque celle-ci est sous-stœchiométrique et de limiter ainsi l'absorption lumineuse résiduelle de l'empilement. La couche donneuse d'oxygène est typiquement à base d'un oxyde dont le potentiel redox est inférieur au matériau de la couche de mouillage, qui est de préférence l'oxyde de zinc. Elle peut être par exemple une couche d'oxyde d'étain ou d'oxyde mixte d'étain et de zinc SnxZnyO avec une teneur atomique en étain de 0,3 < x < l,0 et x + y = l ; voire 0,5 < x < l,0 et x + y = l . La couche donneuse d'oxygène peut être oxydée selon la stœchiométrie stable ou éventuellement sur- stœchiométrique en oxygène. La couche donneuse d'oxygène a généralement une épaisseur de 1 à 30 nm, de préférence de 3 à 50 nm.
Une couche de protection peut être disposée sur la deuxième couche diélectrique. Cette couche de protection constitue généralement la dernière couche de l'empilement et est destinée notamment à protéger l'empilement contre toutes agressions mécaniques (rayures...) ou chimiques. Elle peut être une couche à base d'oxyde ou de nitrure, notamment de nitrure de silicium. La couche de protection a généralement une épaisseur de 3 à 50 nm.
Les FIG.l à 3 illustrent des exemples d'empilement selon l'invention. Dans un premier mode de réalisation illustré par la FIG. l, l'empilement comprend successivement à partir du substrat 10 une première couche diélectrique à base d'oxyde 11, une couche barrière à l'oxygène 12, une couche de mouillage 13, une couche d'argent 14, optionnellement une couche de bloqueur 15, optionnellement une couche d'adhésion 16, une deuxième couche diélectrique 17 et optionnellement une couche de protection 18. Dans un deuxième mode de réalisation illustré par la FIG.2, l'empilement comprend successivement à partir du substrat 10 une première couche diélectrique 17, une couche de mouillage 13, une couche d'argent 14, optionnellement une couche de bloqueur 15, optionnellement une couche d'adhésion 16, une couche barrière à l'oxygène 12, une deuxième couche diélectrique à base d'oxyde 11 et optionnellement une couche de protection 18. Dans un troisième mode de réalisation illustré par la FIG.3, l'empilement comprend successivement à partir du substrat 10 une première couche diélectrique à base d'oxyde l ia, une première couche barrière à l'oxygène 12a, une couche de mouillage 13, une couche d'argent 14, optionnellement une couche de bloqueur 15, optionnellement une couche d'adhésion 16, une deuxième couche barrière à l'oxygène 12b, une deuxième couche diélectrique à base d'oxyde 11b et optionnellement une couche de protection 18.
Des exemples d'empilement selon l'invention peuvent être choisis parmi : Substrat//TiOx/Si3N4/ZnO/Ag/Ti/ZnO/Ti02/Si3N4
Substrat//TiOx/Si3N4/ZnO/Ti/Ag/Ti/ZnO/Ti02/Si3N4
Substrat//Ti02/ZnO/Ag/Ti/ZnO/Si3N4/TiOx/Si3N4
Substrat//Ti02/ZnO/Ti/Ag/Ti/ZnO/Si3N4/TiOx/Si3N4
Substrat//TiOx/Si3N4/ZnO/Ag/Ti/ZnO/Si3N4/TiOx/Si3N4
Substrat//TiOx/Si3N4/ZnO/Ti/Ag/Ti/ZnO/Si3N4/TiOx/Si3N4
Le procédé selon l'invention comprend également une étape de traitement thermique à l'aide d'un laser. Ce traitement thermique permet d'apporter une énergie suffisante pour favoriser la cristallisation de la couche mince d'argent, par un mécanisme physico-chimique de croissance cristalline autour de germes déjà présents dans la couche, en restant en phase solide. Le fait de favoriser la cristallisation de la couche d'argent peut notamment se traduire en une disparition des éventuels résidus de phase amorphe et/ou en une augmentation de la taille des domaines cohérents de diffraction et/ou en une diminution de la densité de défauts ponctuels (lacunes, interstitiels) ou de défauts surfaciques ou volumiques tels que les macles.
Le procédé selon l'invention présente l'avantage de ne chauffer que l'empilement bas-émissif, sans échauffement significatif de la totalité du substrat. Il n'est ainsi plus nécessaire de procéder à un refroidissement lent et contrôlé du substrat avant la découpe ou le stockage du verre.
L'utilisation d'un rayonnement laser présente l'avantage d'obtenir des températures généralement inférieures à 100°C, et même souvent inférieures à 50°C au niveau de la face opposée à la première face du substrat (c'est-à-dire au niveau de la face non revêtue). Cette caractéristique particulièrement avantageuse est due au fait que le coefficient d'échange thermique est très élevé, typiquement supérieur à 400 W/(m2.s). La puissance surfacique du rayonnement laser au niveau de l'empilement à traiter est même de préférence supérieure ou égale à 10, voire 20 ou 30 kW/cm2.
Cette très forte densité d'énergie permet d'atteindre au niveau de l'empilement la température souhaitée extrêmement rapidement (en général en un temps inférieur ou égal à 1 seconde) et par conséquent de limiter d'autant la durée du traitement, la chaleur générée n'ayant alors pas le temps de diffuser au sein du substrat. Ainsi, chaque point de l'empilement est de préférence soumis au traitement selon l'invention (et notamment porté à une température supérieure ou égale à 300°C) pour une durée généralement inférieure ou égale à 1 seconde, voire 0,5 seconde.
Grâce au très fort coefficient d'échange thermique associé au procédé selon l'invention, la partie du verre située à 0,5 mm de la couche mince ne subit généralement pas de températures supérieures à 100°C. La température de la face du substrat opposée à la face traitée par le au moins un rayonnement laser n'excède de préférence pas 100°C, notamment 50°C et même 30°C pendant le traitement thermique.
L'essentiel de l'énergie apportée est donc « utilisée » par l'empilement afin d'améliorer les caractéristiques de cristallisation de la ou de chaque couche d'argent qu'il contient.
Ce procédé rend également possible l'intégration d'un dispositif de traitement laser sur les lignes de production continue existantes. Le laser peut être ainsi intégré dans une ligne de dépôt de couches, par exemple une ligne de dépôt par pulvérisation cathodique assistée par champ magnétique (procédé magnétron). La ligne comprend en général des dispositifs de manutention des substrats, une installation de dépôt, des dispositifs de contrôle optique, des dispositifs d'empilage. Les substrats défilent, par exemple sur des rouleaux convoyeurs, successivement devant chaque dispositif ou chaque installation. Le laser est de préférence situé juste après l'installation de dépôt de couches, par exemple à la sortie de l'installation de dépôt. Le substrat revêtu peut ainsi être traité en ligne après le dépôt de couches, à la sortie de l'installation de dépôt et avant les dispositifs de contrôle optique, ou après les dispositifs de contrôle optique et avant les dispositifs d'empilage des substrats. Il est également possible dans certains cas de réaliser le traitement thermique selon l'invention au sein même de l'enceinte de dépôt sous vide. Le laser est alors intégré à l'installation de dépôt. Par exemple, le laser peut être introduit dans une des chambres d'une installation de dépôt par pulvérisation cathodique.
Que le laser soit en dehors de ou intégré à l'installation de dépôt, ces procédés, dits en ligne ou en continu, sont préférables à un procédé en reprise dans lequel il serait nécessaire d'empiler les substrats de verre entre l'étape de dépôt et le traitement thermique.
Les procédés en reprise peuvent toutefois avoir un intérêt dans les cas où la mise en œuvre du traitement thermique selon l'invention est faite dans un lieu différent de celui où est réalisé le dépôt, par exemple dans un lieu où est réalisée la transformation du verre. Le dispositif de rayonnement peut donc être intégré à d'autres lignes que la ligne de dépôt de couches. Il peut par exemple être intégré à une ligne de fabrication de vitrages multiples (doubles ou triples vitrages notamment), ou à une ligne de fabrication de vitrages feuilletés. Dans ces différents cas, le traitement thermique selon l'invention est de préférence réalisé avant la réalisation du vitrage multiple ou feuilleté.
Le rayonnement laser est de préférence issu d'au moins un faisceau laser formant une ligne (appelée « ligne laser » dans la suite du texte) qui irradie simultanément toute la largeur du substrat. Le faisceau laser en ligne peut notamment être obtenu à l'aide de systèmes optiques de focalisation. Afin de pouvoir irradier simultanément des substrats de grande largeur (>3m), la ligne laser est généralement obtenue en combinant plusieurs lignes laser élémentaires. L'épaisseur des lignes laser élémentaires est de préférence comprise entre 0,01 et 1 mm. Leur longueur est typiquement comprise entre 5 mm et 1 m. Les lignes laser élémentaires sont généralement juxtaposées côte à côte pour former une ligne laser unique de sorte que toute la surface de l'empilement soit traitée. Chaque ligne laser élémentaire est de préférence disposée perpendiculairement à la direction de défilement du substrat.
Les sources laser sont typiquement des diodes laser ou des lasers fïbrés, notamment des lasers à fibre, à diodes ou encore à disque. Les diodes laser permettent d'atteindre de manière économique de fortes densités de puissance par rapport à la puissance électrique d'alimentation, pour un faible encombrement. L'encombrement des lasers fïbrés est encore plus réduit, et la puissance linéique obtenue peut être encore plus élevée, pour un coût toutefois plus important. On entend par lasers fïbrés des lasers dans lesquels le lieu de génération du rayonnement laser est déporté spatialement par rapport à son lieu de délivrance, le rayonnement laser étant délivré au moyen d'au moins une fibre optique. Dans le cas d'un laser à disque, le rayonnement laser est généré dans une cavité résonnante dans laquelle se trouve le milieu émetteur qui se présente sous la forme d'un disque, par exemple un disque mince (d'environ 0,1 mm d'épaisseur) en Yb:YAG. Le rayonnement ainsi généré est couplé dans au moins une fibre optique dirigée vers le lieu de traitement. Le laser peut également être à fibre, au sens où le milieu d'amplification est lui-même une fibre optique. Les lasers à fibre ou à disque sont de préférence pompés optiquement à l'aide de diodes laser. Le rayonnement issu des sources laser est de préférence continu.
La longueur d'onde du rayonnement laser, donc la longueur d'onde de traitement, est de préférence comprise dans un domaine allant de 500 à 1300 nm, notamment de 800 à I lOO nm. Des diodes laser de puissance émettant à une ou plusieurs longueurs d'onde choisie parmi 808 nm, 880 nm, 915 nm, 940 nm ou 980 nm se sont révélées particulièrement bien appropriées. Dans le cas d'un laser à disque, la longueur d'onde de traitement est par exemple de 1030 nm (longueur d'onde d'émission pour un laser Yb :YAG). Pour un laser à fibre, la longueur d'onde de traitement est typiquement de 1070 nm.
De préférence, l'absorption de l'empilement à la longueur d'onde du rayonnement laser est supérieure ou égale à 5%, de préférence supérieure à 10 % ou 15%, voire supérieure à 20% ou même 30%>. L'absorption est définie comme étant égale à la valeur de 100% auxquelles sont soustraites la transmission et la réflexion de la couche.
Afin de traiter toute la surface du substrat revêtu, on crée un déplacement relatif entre d'une part le substrat revêtu de la couche et la ligne laser. Le substrat peut ainsi être mis en déplacement, notamment en défilement en translation en regard de la ligne laser fixe, généralement en dessous, mais éventuellement au-dessus de la ligne laser. Ce mode de réalisation est particulièrement appréciable pour un traitement en continu. De préférence, la vitesse de défilement, c'est-à-dire la différence entre les vitesses respectives du substrat et du laser, est supérieure ou égale à 1 m/min, voire supérieure à 2, 3, 4 ou 5 m/min, ou même avantageusement supérieure ou égale à 8 ou 10 m/min, ce afin d'assurer une grande vitesse de traitement.
Le substrat peut être mis en mouvement à l'aide de tous moyens mécaniques de convoyage, par exemple à l'aide de bandes, de rouleaux, de plateaux en translation. Le système de convoyage permet de contrôler et réguler la vitesse du déplacement. Si le substrat est en matière organique polymérique souple, le déplacement peut être réalisé à l'aide d'un système d'avance de films sous forme d'une succession de rouleaux.
Toutes les positions relatives du substrat et du laser sont bien entendu possibles, du moment que la surface du substrat peut être convenablement irradiée. Le substrat sera le plus généralement disposé de manière horizontale, mais il peut aussi être disposé verticalement, ou selon toute inclinaison possible. Lorsque le substrat est disposé horizontalement, le laser est généralement disposé de manière à irradier la face supérieure du substrat. Le laser peut également irradier la face inférieure du substrat. Dans ce cas, il faut que le système de support du substrat, éventuellement le système de convoyage du substrat lorsque ce dernier est en mouvement, laisse passer le rayonnement dans la zone à irradier. C'est le cas par exemple lorsque l'on utilise des rouleaux de convoyage : les rouleaux étant disjoints, il est possible de disposer le laser dans une zone située entre deux rouleaux successifs. La présente invention concerne également un matériau comprenant un substrat revêtu d'un revêtement bas-émissif tel que décrit ci-dessus. Le matériau selon l'invention est susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention. Le matériau selon l'invention est de préférence incorporé à un vitrage. La présente invention concerne donc également un vitrage comprenant un matériau comprenant un substrat revêtu d'un revêtement bas émissif tel que décrit ci-dessus. Le vitrage peut être simple ou multiple (notamment double ou triple), au sens où il peut comprendre plusieurs feuilles de verre ménageant un espace rempli de gaz. Le vitrage peut également être feuilleté et/ou trempé et/ou durci et/ou bombé.
L'invention est illustrée à l'aide des exemples de réalisation non limitatifs qui suivent.
EXEMPLES
Sur un substrat en verre clair de 4 mm d'épaisseur commercialisé sous la dénomination SGG Planilux par la demanderesse sont déposés différents empilements bas-émissifs. Tous les empilements sont déposés, de manière connue, sur une ligne de pulvérisation cathodique (procédé magnétron) dans laquelle le substrat vient défiler sous différentes cibles.
Le tableau 1 indique pour chaque empilement testé l'épaisseur physique des couches, exprimée en nm. La première ligne correspond à la couche la plus éloignée du substrat, en contact avec l'air libre. L'échantillon Cl comprend une première couche diélectrique en oxyde de titane standard Ti02 tandis que les échantillons C2 et II comprennent une première couche diélectrique en oxyde de titane sous-oxydée TiOx. L'échantillon II comprend en outre une couche barrière à l'oxygène en nitrure de silicium S13N4 :A1 entre la première couche diélectrique et la couche de mouillage en oxyde de zinc.
Tableau 1
Le tableau 2 ci-après récapitule les paramètres du dépôt employés pour les différentes couches. Couche Cible employée Pression de dépôt Gaz
Si3N4 Si :A1 8% 1,5 μbar Ar 22 sccm / N2 22 sccm
Ti02 TiOx sous-oxydée 1,5 μbar Ar 30 sccm / 02 6 sccm
TiOx TiOx sous-oxydée 1,5 μbar Ar 30 sccm
ZnO :A1 AZO 2%wt A1203 1,5 μbar Ar 20 sccm / 02 2sccm
Ti Ti 8 μbar Ar 180 sccm
Ag Ag 8 μbar Ar 180 sccm
Tableau 2
Les échantillons sont traités à l'aide d'un laser en ligne, obtenu par juxtaposition de plusieurs lignes élémentaires, émettant un rayonnement 50% 915 nm et 50% 980 nm avec une puissance de 56 kW/cm 2, en regard duquel le substrat revêtu vient défiler en translation. Les échantillons ont été traités à différentes vitesses de défilement.
Pour chaque échantillon, la résistance carré a été mesurées avant et après traitement thermique. La résistance carré (Rsq) a été mesurée par une mesure sans contact par induction à l'aide d'un appareil SRM-12 commercialisé par Nagy. Le gain G de résistance carré est défini par G = (Rsqavant - Rsqaprès) / Rsqavant. Un gain de 5% correspond ainsi donc à une diminution de 5% de la résistance carré.
La FIG.4 montre pour chaque échantillon le gain (G) de résistance carré de l'empilement après traitement thermique en fonction de la vitesse de traitement (V). Plus le gain est élevé, plus le traitement thermique est efficace. Ainsi, on peut remarquer que d'une part, par comparaison des échantillons II et C2, la présence de la couche barrière à l'oxygène dans l'échantillon II permet d'éviter la perte d'efficacité du recuit laser lorsque la première couche diélectrique est sous-oxydée, et d'autre part, par comparaison des échantillons II et Cl, que la combinaison d'une première couche diélectrique sous-oxydée et d'une couche barrière à l'oxygène dans l'échantillon II permet d'améliorer l'efficacité du recuit laser ou, à gain équivalent, d'augmenter la vitesse de traitement. Cet avantage peut être attribué au fait que la couche d'oxyde de titane sous-oxydée est plus absorbante qu'une couche standard à la longueur d'onde du laser.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'obtention d'un matériau comprenant un substrat revêtu sur au moins une face d'un empilement de couches minces comprenant les étapes suivantes :
- on dépose sur au moins une face dudit substrat un empilement de couches minces comprenant une première couche diélectrique une couche de mouillage, une couche d'argent et une deuxième couche diélectrique,
on traite thermiquement ladite au moins une face revêtue à l'aide d'au moins un rayonnement laser émettant dans au moins une longueur d'onde comprise entre 100 et 2000 nm ;
caractérisé en ce que ladites première couche diélectrique est une couche diélectrique à base d'oxyde sous-stœchiométrique et en ce qu'une couche barrière à l'oxygène est disposée entre la première couche diélectrique et la couche de mouillage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermiquement est réalisé de sorte que la résistance carrée de l'empilement est diminuée d'au moins 5% .
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat est une feuille de verre.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de mouillage est une couche à base d'oxyde de zinc.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche barrière à l'oxygène est disposée directement au-dessus de la première couche diélectrique.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune des première et deuxième couches diélectriques est une couche diélectrique à base d'oxyde.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une première couche barrière à l'oxygène est disposée entre la première couche diélectrique et la couche de mouillage et une deuxième couche barrière à l'oxygène est disposée entre la deuxième couche diélectrique et la couche de mouillage.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième couche barrière à l'oxygène est disposée directement au-dessous de la deuxième couche diélectrique.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche barrière à l'oxygène est choisie parmi une couche à base de nitrure de silicium, d'oxynitrure de silicium, de carbure de silicium, d'oxy carbure de silicium, de nitrure d'aluminium, de carbure de titane.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche barrière à l'oxygène a une épaisseur de 1 à 30 nm.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la première couche diélectrique à base d'oxyde sous-stœchiométrique est une couche à base d'oxyde de titane, de silicium, de niobium ou de magnésium.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la première couche diélectrique à base d'oxyde sous-stœchiométrique est une couche d'oxyde de titane sous-stœchiométrique TiOx.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que x est inférieur ou égal à 1,8.
14. Matériau comprenant un substrat revêtu d'un empilement de couches minces comprenant successivement une première couche diélectrique, une couche de mouillage, une couche d'argent et une deuxième couche diélectrique, caractérisé en ce que ladite première couche diélectrique est une couche diélectrique à base d'oxyde sous-stœchiométrique et une couche barrière à l'oxygène est disposée entre la couche diélectrique à base d'oxyde sous-stœchiométrique et la couche de mouillage.
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