JP2015200888A - 硬質反射防止膜並びにその製造及びその使用 - Google Patents

Abstract

【課題】反射を妨げる良好な効果に加えて、高い機械的強度を有するコーティング若しくはコーティング基材を提供する。
【解決手段】反射防止膜を有するコーティングされた基材であって、前記反射防止膜が、少なくとも２つの低屈折率層及び少なくとも１つの高屈折率層を有する光干渉膜として形成されており、前記高屈折率層は、透明な硬質物質層であり、前記硬質物質層は、主たる（００１）優先配向を有する六方晶結晶構造を有する結晶性窒化アルミニウムであり、かつ前記低屈折率層はＳｉＯ₂を有し、並びに前記高屈折率層は、前記低屈折率層の間に配置されている、前記コーティングされた基材によって解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は、反射防止膜を有するコーティングされた基材に関する。特に有利には、本発明は、反射防止膜を光干渉膜の形で有するコーティングされた基材に関する。さらに、本発明は、かかる膜の製造法及びかかる膜を有する基材の使用に関する。

光干渉膜は、反射防止膜として用いられる。個々の使用若しくは適用分野に応じて、これらの膜は、様々な強さの機械的負荷を受ける。例えば、時計皿、民間用車及び軍用車の覗き窓、クックトップ、又はタッチ式カバーガラスといったディスプレイカバーとして用いられる相応する膜は、反射を低下させる以外に、高い機械的安定性、殊に高い耐引掻性を有していなければならない。

先行技術から、二成分系での硬質膜が知られている。このような膜は、たいてい、元素のクロム、ケイ素、チタン又はジルコニウムの酸化物及び窒化物を包含する。たしかに、このような膜は、高い硬度及び機械的強度を有するが、しかしながら、これらは、反射防止効果、すなわち反射を妨げる効果を有する光干渉系において用いるには不透明であるか又は十分に透明ではない。

特許出願ＤＥ１０２０１１０１２１６０は、時計皿の反射を減少させるための層系を記載している。膜の機械的強度を高めるために、高屈折率層として、アルミニウムが付加的にドープされているＳｉ₃Ｎ₄層が使用される。ここで、そのような膜の機械抵抗は、相応してコーティングされた基材の機械的負荷前と負荷後の反射防止能を手がかりにして評価されることができる。ＤＥ１０２０１１０１２１６０に記載されるコーティングされた基材は、機械的負荷試験後に、負荷試験前より高い反射率を示す。ここで、負荷試験後の反射率は、コーティングされていない基材の反射率と比べて５０％低減されている。

そのうえ、個々の層厚を増大させることによって系の硬度を高めると、反射防止効果の損失が付随して現れ、なぜなら、反射防止効果は、層の数が変わらない場合、層厚の増大とともに低下するからである。

ＤＥ１０２０１１０１２１６０

それゆえ、本発明の課題は、反射を防止する良好な効果に加えて、高い機械抵抗を示すコーティング及びコーティングされた基材を提供することである。本発明の更なる課題は、かかる層の製造法を提供することである。

本発明の課題は、意想外にも、独立請求項の対象によって解決される。本発明の好ましい実施形態及び変更形態は、従属請求において規定している。

発明の概要
本発明によりコーティングされた基材は、反射を防止する膜（以下では反射防止膜とも呼ぶ）を有する。ここで、反射防止膜は、複数の誘電体層を有する光干渉膜として作製されている。膜の層系は、交互に低屈折率層と高屈折率層とを有し、かつ少なくとも２つの低屈折率層と少なくとも１つの高屈折率層で形成されている。高屈折率層は、２つの低屈折率層の間に配置されている。一番上の誘電体層は、低屈折率層である。一番上の層は、基材に対して最も距離を隔てている層を意味する。それに応じて、膜の一番下の層は、基材の上に直接配置されている。

有利には、低屈折率層は、５５０ｎｍの波長で１．３〜１．６の範囲、殊に１．４５〜１．５の範囲の屈折率を有する。これによって、反射を妨げる高い効果を達成することができる。

低屈折率層はＳｉＯ₂を有する。１つの実施形態によれば、低屈折率層は、ＳｉＯ₂又はドープされたＳｉＯ₂から成る。殊にドープされたＳｉＯ₂は、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、チタン、クロム及び炭素の群から選択される元素の１種以上の酸化物、窒化物、炭化物及び／又は炭窒化物でドープされたＳｉＯ₂である。代替的又は付加的に、低屈折率層はＮ₂を含有してよい。有利には、ドープされたＳｉＯ₂は、１〜９９質量％の範囲、有利には８５〜９５質量％の範囲のケイ素含有率を有する、アルミニウムでドープされたＳｉＯ₂である。

膜は、同じ組成を有する複数の低屈折率層を有してよい。代替的に、膜の個々の低屈折率層は、異なる組成を有していてもよい。

膜の１つの高屈折率層若しくは複数の高屈折率層は、透明な硬質物質層として作り上げられる。高屈折率層（以下では硬質物質層とも呼ぶ）は、主たる（００１）優先配向を持つ六方晶結晶構造を有する結晶性窒化アルミニウムを有する。本発明によれば、硬質物質中のＡｌＮの割合は５０質量％超である。

膜の機械抵抗は、高屈折率の硬質物質層によって保証される。本発明者は、意想外にも、硬質物質層のＡｌＮが結晶性又は少なくとも実質的に結晶性であり、かつ六方晶結晶構造を有する場合に、特に耐引掻性であり、かつ摩耗及び研磨負荷に対して耐性がある膜が得られることに気付いた。殊にＡｌＮ層は、少なくとも５０％の結晶化度を有する。

このことは、非晶質膜が微結晶を欠いているために相応する結晶性膜より小さい表面粗さを有することが通常想定されるという点で意想外である。ここで、層の粗さが小さいと、例えば膜の表面上での異物の摩擦を原因とする欠陥がより起こり難くなる。それにも関わらず、本発明による膜は、高い耐引掻性だけでなく、環境影響並びに研磨及び摩耗負荷に対する高められた耐性も有する。例えば、硬質物質層は、清浄剤及び洗浄剤に対する高い耐化学薬品性を有する。そのうえ本発明による膜は、その結晶構造にも関わらず、可視及び赤外スペクトル領域での波長の光に対して透過性であることから、視覚的に目立たず、かつ、例えば光学部品においてやクックトップの膜としても用いられることができる。殊に膜は、標準光源Ｃを基準にして、少なくとも５０％、有利には少なくとも８０％の可視光に対する透過率を有し、かつ少なくとも５０％、有利には少なくとも８０％の赤外光に対する透過率を有する。さらに膜は、金属物体に対してμ＜０．５、有利にはμ＜０．２５の静止摩擦力μも有してよい。

硬質物質層は、１つの実施形態においては、５５０ｎｍの波長で１．８〜２．３の範囲、有利には１．９５〜２．１の範囲の屈折率を有する。

高屈折率層を低屈折率層と一緒に光干渉系において用いるために、高屈折率層は十分な透過率を有していなければならない。高屈折率層の高い透過率は、殊に個々の微結晶の小さいサイズによって達成することができる。この小さいサイズによって、例えば散乱効果が回避される。本発明の１つの実施形態においては、微結晶の平均的なサイズは、最大でも２５ｎｍ、有利には最大でも１５ｎｍ、特に有利には５〜１５ｎｍである。小さい微結晶の更なる利点は、微結晶を有する層の機械抵抗がより高いことである。例えば、より大きい微結晶はその結晶構造内にずれを頻繁に有し、機械抵抗にマイナスに作用する。

硬質物質層におけるＡｌＮ微結晶は、主たる優先配向を（００１）配向に持つ、すなわち基材表面に対して平行に持つ六方晶結晶構造を有する。優先配向を持つ結晶構造の場合、有利には、微結晶が結晶構造の対称配向の１つの配向をなす。本発明に従って、優先配向を（００１）配向に持つＡｌＮ結晶構造は、殊にＸ線回折測定のＸＲＤスペクトルにおいて３４°から３７°の間の範囲で最大反射を示す（斜入射測定：ＧＩＸＲＤ）結晶構造に関する。ここで、当該範囲における反射は、（００１）優先配向を持つＡｌＮ結晶構造に分類され得る。

意想外にも、主たる優先配向を（００１）配向に持つ本発明による硬質物質層が、（００１）優先配向を持たない同じ又は比較可能な組成を有する硬質物質層より高い弾性係数及び高い硬度の両方を有することを突き止めることができた。

主たる（００１）優先配向を持つ実施形態の高い弾性係数は、結晶性物質の弾性係数がその優先配向に依存するという事実によって説明がつけられる。したがって、膜の高屈折率の硬質物質層において、弾性係数は、基材表面と平行して最も高い。本発明の１つの実施形態においては、硬質物質層は、１０ｍＮの試験加重において、基材表面と平行して８０〜２５０ＧＰａの範囲、有利には１１０〜２００ＧＰａの範囲の弾性係数を有する。

膜の耐引掻性は、硬度以外に、個々の層若しくは部分層がどの程度よく相互に接着しているのか、かつ膜が基材にどの程度よく接着しているのかにも依存する。そのうえ、膜の個々の層及び／又は基材が異なる熱膨張係数を有する場合、これは膜における応力の形成及び膜の剥離にもつながる可能性がある。

さらに、高屈折率の硬質物質層の耐摩擦性ひいては本発明による膜の耐性も、それぞれの層の弾性係数に対する硬度の比に依存する。それゆえ有利には、高屈折率層は、少なくとも０．０８、有利には０．１、特に有利には０．１超の弾性係数に対する硬度の比を有する。これは（００１）優先配向によって達成することができる。この場合、その組成に関して比較可能であるが、異なる優先配向を持つ層は、０．０６〜０．０８の範囲の比較的低い値を示す。

上記の特性は、殊に、結晶構造の（００１）優先配向が（１００）配向及び（１０１）配向と比較して最も際立っている場合に達成することができる。そのうえまた、本発明の１つの実施形態においては、（１００）配向結晶構造の割合は、（１０１）配向結晶構造の割合より大きい。

（００１）優先配向を示す結晶構造の割合は、以下の通りに測定することができる：
− それぞれの層の斜入射ＸＲＤ（ＧＩＸＲＤ）スペクトルの収集、すなわち薄膜Ｘ線回折
− ３４°から３７°の間の範囲での相応する（００１）反射Ｉ₍₀₀₁₎の最大強度の測定
− ３２°から３４°の間の範囲での（１００）反射Ｉ₍₁₀₀₎の最大強度の測定
− ３７°から３９°の間の範囲での（１０１）反射Ｉ₍₁₀₁₎の最大強度の測定

（００１）優先配向ｘ₍₀₀₁₎及びｙ₍₀₀₁₎を示す結晶構造の割合は、以下の通りに算出される：
ｘ₍₀₀₁₎＝Ｉ₍₀₀₁₎／（Ｉ₍₀₀₁₎＋Ｉ₍₁₀₀₎）
及びｙ₍₀₀₁₎＝Ｉ₍₀₀₁₎／（Ｉ₍₀₀₁₎＋Ｉ₍₁₀₁₎）

特に好ましいことが判明したのは、０．５より大きい、有利には０．６より大きい、特に有利には０．７５より大きい割合ｘ₍₀₀₁₎及び／又は０．５より大きい、有利には０．６より大きい、特に有利には０．７５より大きい割合ｙ₍₀₀₁₎である。

本発明の１つの実施形態においては、高屈折率層における酸素の割合は、最大でも１０原子％、有利には最大でも５原子％、特に有利には最大でも２原子％である。

層における低い酸素含有率によって、結晶成長、殊に結晶構造の優先配向の形成にマイナスに作用する酸窒化物の形成が防止される。

高屈折率の硬質物質層ひいては反射防止膜の上記特性は、特に硬質物質層をスパッタリング法によって施与した場合に得ることができる。

高屈折率の硬質物質層は、純粋な窒化アルミニウム層であってよいか、又は硬質物質層は、窒化アルミニウム以外に、更なる成分、例えば１種以上の更なる窒化物、炭化物及び／又は炭窒化物を有してよい。有利には、窒化物、炭化物又は炭窒化物は、ケイ素、ホウ素、ジルコニウム、チタン、ニッケル、クロム及び炭素を含む群から選択される元素のそれぞれの化合物である。

ドープによって、硬度、弾性係数、及び摩擦抵抗、例えば耐研磨性といった硬質物質層の特性をさらに改良することができる。

これらの実施形態においても結晶性窒化アルミニウム相が形成するように、付加的な元素のケイ素、ホウ素、ジルコニウム、チタン、ニッケル、クロム及び／又は炭素に対して、それぞれ＞５０質量％、有利には＞６０質量％、特に有利には＞７０質量％の硬質物質層のアルミニウム含有率が特に好ましい。

各混合層を、本発明に従って、ドープされたＡｌＮ層とも呼ぶ。ＡｌＮ以外に含まれる化合物はドーパントと呼び、その際、ドーパントの含有率は５０質量％までであってよい。この場合、ドープされた層が、本発明に従って、５０質量％までのドーパント含有率を有する層も意味する。

混合層、すなわちドープされたＡｌＮ層の場合、ＡｌＮ微結晶がドーパントのマトリックス中に埋め込まれている。したがって、層の結晶化度は、混合層におけるドーパントの量により調節することができる。そのうえ微結晶のサイズはマトリックスによって制限される。ここで、特に好ましいことが判明したのは、最大２０ｎｍ、有利には最大１５ｎｍの微結晶のサイズである。殊に、ＡｌＮ微結晶の平均的なサイズは５〜１５ｎｍの範囲にある。この微結晶のサイズが、硬質物質層の高い透過率及び機械抵抗を保証する。

本発明の１つの実施形態においては、高屈折率の硬質物質層は、窒化アルミニウム以外に窒化ホウ素を有し、すなわち層は窒化ホウ素でドープされている。含まれる窒化ホウ素によって層の摩擦係数は低下し、これは、特に研磨プロセスに対する層のより高い耐性につながる。これは、それぞれのコーティングされた基材がエンドユーザーによって使用された時のその耐性の点のみならず、コーティングされた基材の更なる処理における可能な工程段階の点でも好ましい。

本発明の他の１つの実施形態においては、高屈折率の硬質物質層は窒化ケイ素でドープされており、すなわちＡｌＮ：ＳｉＮ−材料系が提供され、これによって、例えば接着力、硬度、粗さ、摩擦係数及び／又は熱安定性といった個々の特性に影響を及ぼすことができる。この実施形態の１つの変更形態によれば、硬質物質層は、窒化ケイ素以外に、上記成分の更なる少なくとも１種の成分を有する。さらに、硬質物質層の熱膨張係数は、用いられるドーパントの種類と量によって影響を及ぼしてよいか、又は基材に合わせてよい。

したがって、基材として、ガラス、殊にサファイアガラス、ホウケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、石灰ソーダガラス、合成石英ガラス（いわゆる溶融石英ガラス）、リチウムアルミノケイ酸塩ガラス、光学ガラス又はガラスセラミックを使用することができる。フッ化カリウム結晶といった光学適用のための結晶も基材として使用してよい。本発明の１つの発展形態においては、基材は、強化ガラス、殊に化学的又は熱的に強化されたガラスである。

特に好ましいことが判明したのは、サファイアガラス上での本発明による膜の耐引掻層としての使用である。相応してコーティングされた基材が時計のカバーガラスとしての使用にとって理想的である。

有利には、基材は、７^*１０^-6〜１０^*１０^-6Ｋ^-1の範囲の熱膨張係数α_20-300を有する。これは、そのような実施形態においては、基材と膜が非常に類似した熱膨張係数を有することから好ましい。

しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、熱膨張係数が異なる基材をコーティングしてもよい。例えば、本発明の１つの実施形態によれば、基材は、ガラスセラミック、殊に１^*１０^-6Ｋ^-1より小さい熱膨張係数α_20-300を有するガラスセラミックである。

そのうえ本発明による膜は、少なくとも３００℃、有利には少なくとも４００℃の温度に対して持続的に耐性がある。したがって、本発明によりコーティングされた基材は、例えばオーブン覗き窓又はクックトップとして使用することができる。膜の高い温度安定性に基づき、膜はクックトップの高温ゾーンにも適用することができる。

殊にクックトップの場合、ガラスセラミック表面に装飾がプリントされることが多い。それゆえ、１つの実施形態では、基材に少なくとも部分的に加飾層が備えられ、かつ加飾層が基材と膜との間に配置されることが規定される。本発明による膜の高い透過率に基づき、装飾は膜を通してはっきりと確認され得る。そのうえ加飾層は、硬質物質層によって機械的負荷から保護されるので、加飾層に求められるその機械的強度に関する要件は低くて構わない。ここで、反射を妨げる耐引掻性のクックトップ用の膜が、純粋な耐引掻層と比べて有する利点は、コーティングされたクックトップが視覚的にあまり目立たず研磨負荷もそれほど目立たないことである。

使用目的及び用いられる基材に依存して、膜は３つ以上の誘電体層を有する層系であってよい。誘電体層は、本発明に従って、殊に反射を妨げる膜の効果に寄与する低屈折率又は高屈折率の層を意味する。反射を妨げる効果を保証するために、一番上の誘電体層は低屈折率の層である。

本発明による膜は、良好な反射防止効果と、同時に高い機械的強度及び耐摩耗性を示す。高い機械的強度は、例えば、いわゆるバイエル試験に則った機械的負荷後に、７５０ｎｍの波長での残留反射率が、コーティングされていない基材の反射率に比べて最大でも３５％、有利には最大でも２５％変化することに見出される。それに対して、先行技術から知られている光干渉膜は、コーティングされていない基材に比べて約５０％の変化を示す。ここで、バイエル試験においては、３０ｍｍの直径を有するコーティングされた基材に９０ｇの砂をかけ、これを１３５００回の振動で約１時間にわたり基材の上で動かす。

バイエル試験後の７５０ｎｍの波長でのコーティングされた基材の残留反射率は、本発明の好ましい実施形態においては、５％未満、有利には３％未満、特に有利には２．５％未満である。

本発明によりコーティングされた基材の高い機械的強度の更なる基準は、バイエル試験後の膜の曇り度であり、これはＡＳＴＭ Ｄ １００３、Ｄ１０４４に則って測定される。好ましくは、バイエル試験後に、コーティングされた基材は、バイエル試験前のコーティングされた基材の曇り度より最大５％高いか又は最大３％しか高くない曇り度を有する。

１つの実施形態によれば、膜は３つの誘電体層を有する。この場合、膜は、第一の及び第二の低屈折率層並びに高屈折率の硬質物質層を有する。第一の低屈折率層は、基材と高屈折率の硬質物質層との間に配置され、かつ第二の低屈折率層は、高屈折率の硬質物質層の上に配置される。第一の低屈折率層の層厚は、有利には５〜５０ｎｍの範囲、殊に１０〜３０ｎｍの範囲にあり、第二の低屈折率層厚は、４０〜１２０ｎｍの範囲、有利には６０〜１００ｎｍの範囲にある。このように、第二の若しくは上方の低屈折率層は、第一の低屈折率層の層厚より大きく、なぜなら、第二の低屈折率層は、第一の低屈折率層より強い機械的負荷に曝されることになるからである。高屈折率の硬質物質層の層厚は、有利には８０〜１２００ｎｍの範囲、殊に１００〜１０００ｎｍの範囲、有利には１００〜７００ｎｍの範囲にある。本発明の１つの実施形態によれば、硬質物質層は、５００ｎｍ未満、有利には４００ｎｍ未満、特に有利には２００ｎｍ未満の厚みを有する。そのような層厚を有する硬質物質層は、膜の高い機械抵抗と、同時に反射を妨げる高い効果を保証する。

本発明の１つの変更形態によれば、膜は少なくとも５つの誘電体層を有する。この場合、膜は、第一、第二及び第三の低屈折率層並びに第一及び第二の高屈折率の硬質物質層を有する。低屈折率層と高屈折率層は交互に配置されており、ここで、一番下と一番上の層は低屈折率層である。

したがって、第一の低屈折率層は、基材と第一の高屈折率の硬質物質層との間に、第二の低屈折率層は、第一と第二の高屈折率の硬質物質層との間に、かつ第三の低屈折率の硬質物質層は、第二の高屈折率の硬質物質層の上に配置されている。有利には、第一の低屈折率層は、１０〜６０ｎｍの範囲の層厚を有し、第二の低屈折率層は、１０〜４０ｎｍの範囲の層厚を有し、第三の低屈折率層は、６０〜１２０ｎｍの範囲の層厚を有し、第一の高屈折率の硬質物質層は、１０〜４０ｎｍの範囲の層厚を有し、かつ／又は第二の高屈折率の硬質物質層は、１００〜１０００ｎｍの範囲の層厚を有する。

本発明の好ましい実施形態によれば、膜全体の層厚は、最大でも６００ｎｍ又は６００ｎｍ未満でさえある。この小さい層厚は、膜の高い透過率を可能にし、そのうえ膜は、色に特徴がなく、すなわち膜は無色の外観を呈する。それに対して、より厚みのある膜は、色かぶりを有する可能性がある。したがって、殊に上記の実施形態により、膜を無色に作り上げることが可能である。薄い膜の更なる利点は、薄い基材の場合でも、歪みが生じないか又は少ししか生じないことである。ここで、歪みは、膜の層厚に対する基材の層厚の比が小さければ小さいほど際立つ。そのため、例えば、比較的厚みのある膜を有する薄い基材は、薄い膜を有する相応する基材より強い歪みを有する。

本発明による膜若しくは本発明によりコーティングされた基材は、全体の層厚が小さい場合にも、良好な機械的強度及び耐引掻性を有する。これは、主に硬質物質層に帰せられることができる。

本発明によるコーティングされた基材は、殊に光学部品、クックトップ、乗り物領域における覗き窓、時計皿、オーブン覗き窓、家庭用器具におけるガラス部品若しくはガラスセラミック部品、又は例えばタブレットＰＣ若しくは移動電話用のディスプレイとして、殊にタッチディスプレイとして使用することができる。

さらに本発明は、本発明によりコーティングされた基材の製造法に関する。
この方法は、少なくとも以下の工程：
ａ）基材を準備する工程、
ｂ）基材を、低屈折率のＳｉＯ₂含有層でコーティングする工程、
ｃ）工程ｂ）でコーティングされる基材を、アルミニウム含有ターゲットを備えたスパッタリング装置中で準備する工程、
ｄ）スパッタ粒子を、ターゲット面積１ｃｍ²当たり８〜１０００Ｗ、有利には１０〜１００Ｗの範囲の出力密度で放出する工程、及び
ｅ）更なる低屈折率のＳｉＯ₂含有層を、工程ｄ）で得られるコーティングされた基材上に堆積させる工程
を有する。

工程ａ）においては、基材として、例えばガラス、殊にサファイアガラス、ホウケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、石灰ソーダガラス、合成石英ガラス、リチウムアルミノケイ酸塩ガラス、光学ガラス、ガラスセラミック及び／又は光学用の結晶を準備してよい。

低屈折率層は、スパッタリング法、ゾルゲル法又はＣＶＤ技術により施与してよい。

工程ｂ）で得られる低屈折率層を有する基材上への高屈折率の硬質物質層の堆積は、工程ｄ）において、比較的低い最終圧力で行われるのみである。例えば、コーティング装置中での最終圧力、すなわちコーティングプロセスを開始してよい圧力は、最大でも２^*１０^-5ｍｂａｒ、有利には１^*１０^-6ｍｂａｒ〜５^*１０^-6ｍｂａｒの範囲ですらある。この低い最終圧力によって、外部ガス量が最小限にされ、すなわちコーティングプロセスは非常に純粋な雰囲気中で実施される。これは、堆積させられる層の高い純度を保証する。そのため、プロセスに起因した低い残留ガス含有量によって、酸素の取り込みによる酸窒化物の形成が回避される。これは、殊にＡｌＮ微結晶の結晶成長に関して重要であり、なぜなら、これは酸窒化物によって乱されるからである。したがって、有利には、最大１０原子％、特に有利には最大５原子％又はそれどころか最大２原子％の酸素含有率を有する膜を得ることができる。それに対して、慣用のスパッタリング法の場合、少なくとも５^*１０^-5ｍｂａｒの範囲の最終圧力でコーティングプロセスが行われ、それに応じて、この場合、堆積させられた膜における酸素の割合はより高いものとなる。

硬質物質層を堆積させる１つの実施形態においては、スパッタリングプロセスの間に本発明による最終圧力に達したら、窒素含有プロセスガスが導入される。全体のガス流に対する窒素の割合は、少なくとも３０体積％、有利には４０体積％、特に有利には５０体積％である。スパッタリングプロセスの間の全体のガス流に対する窒素の割合により、例えば洗浄剤及び清浄剤に対する、堆積させられた層の耐化学薬品性に影響を及ぼすことができる。化学薬品に対する層の耐性は、窒素割合の上昇とともに上昇する。

工程ｄ）における高屈折率層の堆積は、高いスパッタリング出力で行われる。ここで、本発明による方法におけるスパッタリング出力は、少なくとも８〜１０００Ｗ／ｃｍ²、有利には少なくとも１０〜１００Ｗ／ｃｍ²である。本発明の１つの実施形態においては、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）法が適用される。代替的又は付加的に、ターゲットと基板との間で負電圧又は交流電圧を維持してよい。

工程ｄ）における高屈折率堆積は、代替的又は付加的に、イオン衝撃を援用して、有利にはイオンビーム源からのイオン衝撃により、かつ／又は電圧を基材にかけることによって行ってよい。

スパッタリングプロセスは、連続的な堆積により行ってよい。代替的に、硬質物質層は、加工に基づきコーティング領域から取り出した際に生じる境界面から成っていてよい。

更なるプロセス工程における後処理が、ＡｌＮ膜の結晶形成をさらに改善し得る。そのうえまた、例えば摩擦係数といった個々の特性が後処理によって有利に改善され得る。後処理法として、レーザー処理又はいくつかの熱処理法、例えば光照射が考慮に入れられる。イオン又は電子による注入も考えられる。

本発明の１つの実施形態によれば、スパッタリングプロセスによって作り出された粒子は、１００℃より高い、有利には２００℃より高い、特に有利には３００℃より高い堆積温度で堆積させられる。したがって、低い加工圧力と高いスパッタリング出力を組み合わせて、ＡｌＮ微結晶の成長、殊に微結晶のサイズ及び結晶構造の優先配向に関して、特に好ましい形で影響を及ぼすことができる。しかしながら、より低い温度での堆積、例えば室温での堆積も可能である。この実施形態により製造された硬質物質層も同様に、高い耐引掻性といった良好な機械的特性を示す。

本発明の１つの実施形態においては、ターゲットは、アルミニウム以外に、元素のケイ素、ホウ素、ジルコニウム、チタン、ニッケル、クロム又は炭素の少なくとも１種を含有する。アルミニウム以外のこれらの付加的な元素は、本発明に従ってドーパントと呼ぶ。有利には、ターゲット中のアルミニウムの割合は、５０質量％より高く、特に有利には６０質量％より高く、極めて有利には７０質量％より高い。

本発明の１つの実施形態においては、工程段階ｃ）〜ｄ）を有するプロセスシーケンスが数回実施される。例えば、５つ以上の誘電体層を有する膜を得ることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、反射防止膜は、表面が粗面化された又はエッチングされた基材上に堆積させられる。

製造法の１つの変形例においては、工程ａ）で、すでに高屈折率の硬質物質層を備えた基材が準備される。

本発明によりコーティングされた基材の例示的実施形態を概略的に示す図 本発明によりコーティングされた基材の例示的実施形態を概略的に示す図 実施例及び比較例の形態に関するバイエル試験による反射率の変化を示す図 バイエル試験にかける前と後の第一の例示的実施形態及び比較例の反射率特性を示す図 バイエル試験にかける前と後の第二の例示的実施形態及び比較例の反射率特性を示す図 高屈折率の硬質物質層のＥＤＸスペクトルを示す図 異なるＡｌＮ含有量を有する２つのＡｌＮ−ＳｉＮ混合層のＴＥＭ写真を示す図 高屈折率の硬質物質層の例示的実施形態のＸＲＤスペクトルを示す図 異なる優先配向を示す２つのＡｌＮ硬質物質層のＸＲＤスペクトルを示す図 砂による機械的負荷試験後の、異なる優先配向を示す高屈折率の硬質物質層を有する様々にコーティングされた基材の写真を示す図 炭化ケイ素による機械的負荷試験後の、結晶構造の異なる優先配向を示す高屈折率の硬質物質層を有する様々にコーティングされた基材の写真を示す図

以下では、本発明を、図１〜１１及び実施例に基づき詳細に説明する。

図１には、本発明によりコーティングされた基材１の例示的実施形態を概略的に示している。ここで、基材２は、３層の光干渉膜３ａでコーティングされている。膜３ａは、層４、５及び６を有する。層４及び６は低屈折率層であり、層５は高屈折率層である。第一の低屈折率層４は、基材２の上に直接堆積させられており、かつ１０〜３０ｎｍの範囲の層厚を有する。第一の低屈折率層４の上には、第一の高屈折率層５が配置されており、その層厚は１００〜１０００ｎｍである。第一の高屈折率層５は、第一の低屈折率層４と第二の低屈折率層６との間に配置されている。第二の低屈折率層６は、図１に示される実施形態においては、膜３ａの一番上の層を形成し、かつ６０〜１００ｎｍの範囲の層厚を有する。このように、第二の低屈折率層６の層厚は、第一の低屈折率層４より大きく、なぜなら、第二の低屈折率層６は、膜３ａの一番上の層として、より大きな機械的負荷に曝されることになるからである。第一の高屈折率層５の層厚は、反射を妨げる効果を有する層系を作り出すための光学要求に適合されているだけでなく、そのうえまた、膜３ａ全体ひいてはコーティングされた基材１の機械的強度に実質的に寄与する。

図２は、第二の例示的実施形態９の概略図を示す。この例示的実施形態では、基材２に５層の膜３ｂが備わっている。第一の及び第二の低屈折率層（４，６）並びに第一の高屈折率層５に加えて、膜３ｂは、第二の高屈折率層７及び第三の低屈折率層８を有する。ここで、第二の高屈折率層７は、第二と第三の低屈折率層（６，８）との間に配置されている。第三の低屈折率層８は、例示的実施形態９では、膜の一番上の層を形成し、かつ６０〜１２０ｎｍの範囲の層厚を有する。第一の低屈折率層４の層厚は、１０〜６０ｎｍの範囲にあり、かつ第二の低屈折率層６の層厚は、１０〜４０ｎｍの範囲にある。膜３ｂの機械的強度は、主として第二の高屈折率層７によって保証されているので、第一の高屈折率層５は、この例示的実施形態では、１０〜４０ｎｍのより小さい層厚を有し、その一方で、第二の高屈折率層の層厚は、１００〜１０００ｎｍの範囲にある。

図３は、バイエル試験後の本発明によりコーティングされた基材１１及び比較例１０の反射率の平均変化率を示す。このために、それぞれ直径３０ｍｍのサイズを有するサンプルに９０ｇの砂をかけて１３５００回振動させた。引き続き、そのように処理したサンプルの反射率を分光計によって測定し、処理していないサンプルの反射率と比較した。ここで、比較サンプル１０は、ＤＥ１０２０１１０１２１６０に記載されるようなコーティングされた基材である。図３から明らかであるように、比較サンプル１０の反射率は、本発明によりコーティングされた基材１１の場合より、機械的負荷によってずっと強く変化する。サンプル１１の反射防止膜は、バイエル試験により模擬実験される引掻といった機械的負荷に対して、先行技術から知られる反射防止膜より数倍抵抗力がある。

図４は、バイエル試験前と後の例示的実施形態及び比較例の波長を関数とした反射率特性を示す。比較例１２は、ＤＥ１０２０１１０１２１６０に記載されるようにコーティングされた基材である。例示的実施形態１３の５層の膜は、低屈折率のＳｉＯ₂層を有する。高屈折率層は、ケイ素がドープされた窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ：ＳｉＮ）である。曲線１２ａ及び１３ａは、バイエル試験前の比較例及び例示的実施形態の反射率特性を示す。上で記載したバイエル試験後の反射率特性は、曲線１２ｂ（比較例）及び１３ｂ（例示的実施形態）において示している。バイエル試験前の比較サンプル及び例示的実施例が類似する反射率特性を示す一方で、バイエル試験後の比較例は、測定した波長範囲全体にわたって、例示的実施形態より明らかに高い反射率を示す。

図５には、比較例（１４ａ，１４ｂ）及び更なる実施形態（１５ａ，１５ｂ）のバイエル試験前と後の波長を関数とした反射率を示している。この実施形態の膜は、組成ＳｉＡｌＯ_xの低屈折率層を有する。曲線１４ａ及び１５ａからはっきりとわかるように、バイエル試験前の例示的実施形態（曲線１５ａ）は、比較例（１４ａ）より高い残留反射率を有する。しかしながら、バイエル試験に基づき、比較例（曲線１４ｂ）の反射率は、例示的実施形態（曲線１５ｂ）よりずっと強い。そのうえ比較例の場合、反射率の増大は、波長が増大するにつれて高まることが観察される。そのため比較サンプルは、バイエル試験後に、約６００ｎｍの波長に対して、相応して処理された例示的実施形態より高い反射率を示す。そのうえ例示的実施形態の場合、反射率の変化は、波長に依存しないか又はわずかな程度しか依存しないことから、バイエル試験後に、測定した波長範囲全体にわたって、ほぼ一定の反射率の変化が観察される。殊にこれは、こうして膜の色印象が実質的に保持され続けることから好ましい。

図６は、本発明による膜における高屈折率層としてもたらされた硬質物質層のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光法若しくはエネルギー分散型Ｘ線分析のスペクトルを示す。この例示的実施形態では、硬質物質層は、ケイ素と合金化したＡｌＮ層である。

図７ａには、本発明による高屈折率の硬質物質層の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を示している。図７ａに示されるＴＥＭ像は、ＳｉＮがドープされたＡｌＮ層、すなわちＡｌＮ：ＳｉＮ層の写真であり、ここで、ＡｌＮの含有率は７５質量％であり、かつＳｉＮの含有率は２５質量％である。図７ａから明らかであるように、硬質物質層のＡｌＮは結晶性であり、かつＳｉＮマトリックス中に存在している。それとは対照的に、ＡｌＮ及びＳｉＮが同じ割合で存在するＡｌＮ：ＳｉＮ層が非晶質となる。相応する層のＴＥＭ像を図７ｂに示している。ここで、ＳｉＮの高い含有率が、ＡｌＮ微結晶の形成を妨げる。

図８は、高屈折率の硬質物質層を備えた基材の例示的実施形態のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを示す。このために、ＳｉＯ₂基材をＡｌＮ／ＳｉＮ硬質物質層でコーティングし、かつコーティングされた基材のＸＲＤスペクトルを収集した。ここで、スペクトル１６は、ＡｌＮの六方晶結晶構造の３つの配向（１００）、（００１）及び（１０１）に分類され得る３つの反射率を示す。ここで、硬質物質層が、主たる（００１）優先配向を有することが明らかに読み取れる。３６°での相応する反射率は、（１００）配向（３３．５°）及び（１０１）配向（３８°）の反射率より際立って高い。

（００１）優先配向を示す結晶構造の割合は、以下の通りスペクトル１６から測定することができる：

ｘ₍₀₀₁₎＝Ｉ₍₀₀₁₎／（Ｉ₍₀₀₁₎＋Ｉ₍₁₀₀₎）及び
ｙ₍₀₀₁₎＝Ｉ₍₀₀₁₎／（Ｉ₍₀₀₁₎＋Ｉ₍₁₀₁₎）

割合ｘ₍₀₀₁₎は、この高屈折率層においては０．６７であり、かつｙ₍₀₀₁₎は０．７７である。

測定曲線１７は、コーティングされていない基材のＸＲＤスペクトルである。

ここで、硬質物質層は、＞１５Ｗ／ｃｍ²のスパッタリング出力により１０〜１２ｃｍの範囲の僅かなターゲット／基材間の距離にて堆積させた。加工温度は２５０℃であった。

図９は、図８に示される例示的実施形態に匹敵する組成を有するが、しかしながら結晶構造の別の優先配向を有する硬質物質層のＸＲＤスペクトルを示す。スペクトル１８は、（１００）優先配向を有する比較例に分類され、かつスペクトル１９は、（１０１）優先配向を有する比較例に分類され得る。

（１００）優先配向を示す硬質物質層（曲線１９）を、ターゲット／基材間の比較的大きい距離（＜１５ｃｍ）及び１３Ｗ／ｃｍ²より小さいスパッタリング出力（曲線１９）により堆積させた。加工温度は約１００℃であった。類似した、しかしながら、９．５Ｗ／ｃｍ²のさらにより低いスパッタリング出力による加工条件下で、（１０１）優先配向を示す硬質物質層（曲線１８）を得た。

ここで、図１０ａ〜１０ｃに基づき、結晶構造の優先配向がそれぞれの硬質物質層の機械抵抗に及ぼす影響が認められる。図１０ａ〜１０ｃは、砂による負荷試験後の、異なる優先配向を示す高屈折率の硬質物質層を備えた基材の写真である。この場合、そのつど砂を、コーティングされた基材上に加え、そして負荷体を使用して容器中で１００回振動させた。ここで、図１０ａは、（１０１）優先配向を示す膜を有するサンプルの負荷試験後の写真を示す。図１０ｂは、（１００）優先配向を示すサンプルの相応する写真を示し、かつ図１０ｃは、（００１）優先配向を示すサンプルの写真を示す。図１０ａ〜１０ｃから明らかなように、（１０１）及び（１００）優先配向を示すサンプルは、負荷試験後に、（００１）優先配向を示すサンプルよりずっと多い引掻数を有する。図１０ｃに示されるサンプルは、そのＸＲＤスペクトルが図８に示される実施形態と同じである。

図１１ａ及び１１ｂは、ＳｉＣを用いた機械的負荷試験後の高屈折率の硬質物質層を備えた基材を示す。殊にこの負荷試験により、非常に硬質の材料に対する抵抗力並びに任意の清浄剤及び助剤のもとでの清浄性が模擬実験される。試験手順は、砂試験の手順と同様のものである。ここで、図１１ａに示されるサンプルの膜は、微結晶の配向を（００１）方向に有さず、その一方で、図１１ｂに示されるサンプルの膜は、主たる（００１）配向を有する。図１１ａと１１ｂを比較すると、微結晶の主たる（００１）配向を持つサンプルは、主たる（００１）を持たないサンプルよりずっと少ない引掻を有することが明らかになる。

１ 基材、 ２ 基材、 ３ａ 光干渉膜、 ３ｂ ５層の膜３ｂ、 ４ 第一の低屈折率層、 ５ 第一の高屈折率層、 ６ 第二の低屈折率層、 ７ 第二の高屈折率層、 ８ 第三の低屈折率層８、 ９ 第二の例示的実施形態、 １０ 比較例の反射率の平均変化率、 １１ 本発明によりコーティングされた基材の平均変化率、 １２ａ バイエル試験前の比較例の反射率曲線、 １２ｂ バイエル試験後の比較例の反射率曲線、 １３ａ バイエル試験前の例示的実施形態の反射率特性、 １３ｂ バイエル試験後の例示的実施形態の反射率特性、 １４ａ バイエル試験前の比較例、 １４ｂ バイエル試験後の比較例、 １５ａ バイエル試験前の例示的実施形態、 １５ｂ バイエル試験後の例示的実施形態、 １６ ＡｌＮの六方晶結晶構造の３つの配向（１００）、（００１）及び（１０１）に分類され得る３つの反射率、 １７ コーティングされていない基材のＸＲＤスペクトル、 １８ 優先配向（１００）を有する硬質物質層、 １９ （１０１）優先配向を有する硬質物質層

Claims (14)

1. 反射防止膜を有するコーティングされた基材であって、ここで、前記反射防止膜が、少なくとも２つの低屈折率層及び少なくとも１つの高屈折率層を有する光干渉膜として形成されており、前記高屈折率層は、透明な硬質物質層であり、前記硬質物質層は、主たる（００１）優先配向を示す六方晶結晶構造を有する結晶性窒化アルミニウムを有し、かつ前記低屈折率層はＳｉＯ₂を有し、並びに前記高屈折率層は、前記低屈折率層の間に配置されている、前記コーティングされた基材。
2. 前記低屈折率層が、ＳｉＯ₂及び／若しくはドープされたＳｉＯ₂を、有利にはドーパントとしてのＡｌと一緒に有し、並びに／又は少なくとも１つの低屈折率層が、ケイ素、ホウ素、ジルコニウム、チタン、ニッケル、クロム及び炭素を含む群から選択される元素の１種以上の酸化物及び／若しくは窒化物及び／若しくは炭化物及び／若しくは炭窒化物でドープされており、かつ／又はＮ₂を有する、請求項１記載のコーティングされた基材。
3. 前記低屈折率層が、５５０ｎｍの波長で１．３〜１．６、有利には１．４５〜１．５の範囲の屈折率値を有し、かつ前記高屈折率層が、５５０ｎｍの波長で１．８〜２．３、有利には１．９５〜２．１の範囲の屈折率値を有する、請求項１又は２記載のコーティングされた基材。
4. ＸＲＤ測定により求めた、（００１）優先配向ｘ₍₀₀₁₎及びｙ₍₀₀₁₎を示す前記結晶構造の割合が０．５より大きく、有利には０．６より大きく、特に有利には０．７５より大きく、ここで、
   ｘ₍₀₀₁₎＝Ｉ₍₀₀₁₎／（Ｉ₍₀₀₁₎＋Ｉ₍₁₀₀₎）
   及び
   ｙ₍₀₀₁₎＝Ｉ₍₀₀₁₎／（Ｉ₍₀₀₁₎＋Ｉ₍₁₀₁₎）
   である、請求項１から３までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
5. 前記高屈折率層が、１０ｍＮの試験加重で８０〜２５０ＧＰａ、有利には１１０〜２００ＧＰａの範囲の弾性係数を有し、かつ／又は前記弾性係数に対する硬度の比が、少なくとも０．０８、有利には少なくとも０．１、特に有利には０．１より大きい、請求項１から４までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
6. 前記硬質物質層の全層厚が、最大でも６００ｎｍ、有利には６００ｎｍ未満である、請求項１から５までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
7. 前記硬質物質層における酸素の割合が、最大でも１０原子％、有利には５原子％未満、特に有利には２原子％未満である、請求項１から６までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
8. 前記基材が、ガラス、有利には、化学的若しくは熱的に強化されたガラス及び／又はサファイアガラス、ホウケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、石灰ソーダガラス、合成石英ガラス、リチウムアルミノケイ酸塩ガラス、光学ガラス、光学用の結晶又はガラスセラミックである、請求項１から７までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
9. ９０ｇの砂を積んで１３５００回振動させるバイエル試験にかけた後に、前記コーティングされた基材の残留反射率が、７５０ｎｍの波長で５％未満、有利には３％未満、特に有利には２．５％未満であり、かつ／又は
   ９０ｇの砂を積んで１３５００回振動させるバイエル試験にかけた後に、前記コーティングの曇り度が、この負荷試験前より最大５％、有利には最大３％高い、請求項１から８までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
10. 前記膜が３つの誘電体層を、第一及び第二の低屈折率層並びに１つの高屈折率の硬質物質層の形で有し、ここで、前記第一の低屈折率層は、前記基材と前記高屈折率の硬質物質層との間に配置されており、かつ前記第二の低屈折率層は、前記高屈折率の硬質物質層の上に配置されており、ここで、前記第一の低屈折率層の層厚は、５〜５０ｎｍの範囲、有利には１０〜３０ｎｍの範囲にあり、前記第二の低屈折率層の層厚は、４０〜１２０ｎｍの範囲、有利には６０〜１００ｎｍの範囲にあり、かつ／又は前記高屈折率の硬質物質層の層厚は、８０〜１２００ｎｍの範囲、有利には１００〜１０００ｎｍの範囲、特に有利には１００〜７００ｎｍの範囲にある、請求項１から９までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
11. 前記膜が少なくとも５つの誘電体層を有し、前記膜は、有利には第一、第二及び第三の低屈折率層並びに第一及び第二の高屈折率の硬質物質層を有し、ここで、前記第一の低屈折率層は、前記基材と前記第一の高屈折率の硬質物質層との間に配置されており、前記第二の低屈折率層は、前記第一と前記第二の高屈折率の硬質物質層との間に配置されており、かつ前記第三の低屈折率の硬質物質層は、前記第二の高屈折率の硬質物質層の上に配置されており、ここで、前記第一の低屈折率層の層厚は、１０〜６０ｎｍの範囲にあり、前記第二の低屈折率層の層厚は、１０〜４０ｎｍの範囲にあり、前記第三の低屈折率層の層厚は、６０〜１２０ｎｍの範囲にあり、前記第一の高屈折率の硬質物質層の層厚は、１０〜４０ｎｍの範囲にあり、かつ／又は前記第二の高屈折率の硬質物質層の層厚は、１００〜１０００ｎｍの範囲にある、請求項１から９までのいずれか１項記載のコーティングされた基材。
12. 反射防止膜を有するコーティングされた基材の製造法であって、前記反射防止膜が、少なくとも２つの低屈折率層及び少なくとも１つの高屈折率層を有する光干渉膜として形成されており、少なくとも以下の工程：
    ａ）基材を準備する工程、
    ｂ）前記基材を、低屈折率のＳｉＯ₂含有層でコーティングする工程、
    ｃ）工程ｂ）でコーティングされる前記基材を、アルミニウム含有ターゲットを備えたスパッタリング装置中で準備する工程、
    ｄ）スパッタ粒子を、ターゲット面積１ｃｍ²当たり８〜１０００Ｗ、有利には１０〜１００Ｗの範囲の出力密度で、最大でも２^*１０^-5ｍｂａｒの最終圧力にて放出する工程、及び
    ｅ）更なる低屈折率のＳｉＯ₂含有層を、工程ｄ）で得られるコーティングされた基材上に堆積させる工程
    を有する、前記製造法。
13. 工程ａ）において、高屈折率の硬質物質層を有する基材を準備し、かつ／又は工程ｃ）〜ｅ）のシーケンスを数回実施する、請求項１２記載の方法。
14. 時計皿、光学部品、クックトップ、ディスプレイ又は乗り物領域における覗き窓、暖炉窓、オーブン窓、家庭用器具におけるガラス部品若しくはガラスセラミック部品、又は例えばタブレットＰＣ若しくは移動電話用のディスプレイとして、殊にタッチディスプレイとしての、請求項１から１１までのいずれか１項記載のコーティングされた基材の使用。