硬质抗反射涂层及其制造和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有抗反射图层的涂覆衬底。更具体而言，本发明涉及一种包括光学干涉涂层形式的抗反射涂层的涂覆衬底。本发明还涉及生产这样的涂层的方法以及包括这样的涂层的衬底的用途。
【背景技术】
[0002]光学干涉涂层用作抗反射涂层。根据具体用途或应用领域，这种涂层暴露到不同程度的机械应力。因此，如果这样的涂层例如用于手表玻璃、民用和军用车辆观察窗、炉灶表面或诸如触摸显示屏盖玻璃的显示屏盖，除了必须减少反射，还需要具有高机械稳定性，特别是高度耐刮性。
[0003]由现有技术已知双材料体系用作硬质材料涂层。这样的涂层通常包括元素铬、硅、钛或锆的氧化物和氮化物。尽管这样的涂层具有高硬度和机械强度，但是该涂层还不透明或者不够透明，以用于具有抗反射作用、即抗反射作用的光学干涉体系。
[0004]专利申请DE 10 2011 012 160公开了一种用于减少手表玻璃反射的涂层体系。为了提高该涂层的机械强度，使用Si3N4涂层作为高折射率的涂层，该涂层额外掺杂有铝。在此，可以依据相应涂覆的衬底在机械应力测试之前和之后的抗反射性能来确定涂层的机械稳定性。在机械应力测试之后，DE 102 011 012 160中公开的涂覆衬底呈现比应力测试之前具有更高程度的反射。应力测试之后的反射相对于未涂覆衬底的反射减少了 50%。
[0005]另外，随着因各个层厚增加而提高的体系硬度，也伴随着抗反射性能的损失，因为在涂层数量不变的情况下抗反射效果随着层厚增加而减弱。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的目的在于提供一种除了具有良好的抗反射效果外还呈现高机械稳定性的涂层和涂覆衬底。本发明的另一个目的在于提供这样涂层的生产方法。
[0007]本发明的目的已经以令人惊讶的方式和方法通过独立权利要求的内容得以实现。本发明优选的设计和扩展方案由属权利要求给出。
[0008]根据本发明的涂覆衬底包括防止反射的涂层，接下来也称为抗反射涂层。在此，该抗反射涂层设计为包括多个电介质层的光学干涉涂层。涂层的层体系包括交替的低折射率层和高折射率层并且由至少两个低折射率层和至少一个高折射率层构成。高折射率层设置在两个低折射率层之间。最上方的电介质层是低折射率层。最上层是指到衬底具有最大间距的层。相应地，涂层的最下层直接设置在衬底上。
[0009]优选地，低折射率层在550nm波长下的折射率在1.3至1.6的范围内，特别在1.45至1.5的范围内。由此能够实现高抗反射效果。
[0010]低折射率层包括Si02。根据一个实施方式，低折射率层由3102或掺杂的S1 2构成。具体而言，掺杂的S1j#别是指掺杂有选自铝、硼、锆、钛、铬或碳元素组的一种或多种氧化物、氮化物、碳化物和/或氮碳化合物的Si02。可选地或附加地，低折射率层可以含有N2。优选地，掺杂的S12为掺杂铝的S12，其硅含量在I至99重量％的范围内，优选在85至95重量％的范围内。
[0011]涂层可以包含多个具有相同组分的低折射率层。可选地，涂层的各个低折射率层也可以具有不同的组分。
[0012]涂层的一个或多个高折射率层以透明硬质材料层的形式设置。高折射率层在接下来也称为硬质材料层，其包含具有呈现主要(001)优先取向的六角形晶体结构的结晶氮化铝。根据本发明，AlN在硬质材料层中的份额大于50重量％。
[0013]通过高折射率的硬质材料层确保了涂层的机械稳定性。令人惊讶地，发明人发现，当硬质材料层的AlN是结晶或者至少在很大程度上结晶，并且具有六角形的晶体结构时，可以获得特别耐刮、耐磨损和耐抛光应力的涂层。特别是AlN涂层的结晶度为至少50%。
[0014]就此而言这是令人惊讶的，因为对此通常认为，无定形的涂层由于缺少晶粒而比相应的结晶涂层具有更低的表面粗糙度。低的涂层粗糙度造成不易出现缺陷，例如由异物在涂层表面上的摩擦所引起的缺陷。然而，根据本发明的涂层不仅呈现高耐刮性，而且对于环境影响以及抛光和磨损应力具有更高的耐受性。例如，该硬质材料层呈现高化学抗性，例如相对于清洁剂和洗涤剂的化学抗性。另外，根据本发明的涂层尽管具有结晶的结构，但对于波长在可见光谱和红外光谱范围内的光来说是可透的，由此该涂层在视觉上是不刺眼的，并且能够应用在例如光学部件中，例如用作炉灶面的涂层。具体而言，该涂层基于标准光源C对于可见光的透射比为至少50 %，优选至少80 %，并且对于红外光的透射比为至少50%，优选至少80%。此外，涂层相对于金属体的静摩擦μ〈0.5，特别优选〈0.25。
[0015]在一个实施方式中，硬质材料层在550nm波长下的折射率在1.8至2.3的范围内，优选在1.95至2.1的范围内。
[0016]为了将高折射率层和低折射率层一起应用在光学干涉的体系中，该高折射率层必须具有足够的透射比。高折射率层的高透射比特别可以通过层中小尺寸的各个晶粒实现。这种小尺寸例如可以避免散射效应。在本发明的一个实施方式中，平均晶粒尺寸为最高25nm，优选最高15nm，更优选5至15nm。小晶粒尺寸的另一个优势在于，含晶粒的涂层具有更高的机械稳定性。较大的晶粒通常在其晶体结构中具有错位，这不利于机械稳定性。
[0017]硬质材料层中的AlN晶粒具有六角形的晶体结构，其主要的优先取向为(001)方向，即平行于衬底表面。在呈现优先取向的晶体结构中，晶粒优选占据晶体结构的一个对称方向。在本发明中，具有优先取向(001)的AlN晶体结构特别是指这样的晶体结构:该晶体结构在X射线衍射测量(掠入射测量:GIXRD)的XRD光谱中，在34°和37°之间的区域内显示出最大反射。该区域内的反射可以对应于具有(001)择优取向的AlN晶体结构。
[0018]令人惊讶的是已经发现:根据本发明的具有沿主要(001)择优取向的硬质材料层相比于具有相同或类似组分但没有(001)择优取向的硬质材料层具有更高的弹性模量和更大的硬度。
[0019]因此，呈现主要(001)择优取向的实施方式的高弹性模量可以解释，因为结晶材料的弹性模量与其择优取向有关。因而，涂层的高折射硬质材料层中平行于衬底表面的弹性模量是最高的。在本发明的一个实施方式中，在1mN的测试负载下，该硬质材料层平行于衬底表面的弹性模量为80至250GPa，优选110至200GPa。
[0020]涂层的耐刮性除了与硬度有关以外，还与各个层或分层相互间的粘附情况以及涂层在衬底上的粘附情况有关。另外，如果涂层的各个层和/或衬底具有不同的热膨胀系数，可能会导致在涂层中产生张力以及涂层剥落。
[0021]高折射率的硬质材料层以及根据本发明的涂层的耐磨损性也取决于各个层的硬度和弹性模量之比。优选地，高折射率层的硬度和弹性模量的比值为至少0.08，优选0.1，更优选大于0.1o这可以通过(001)择优取向来实现。在此，组分类似而择优取向不同的层具有相对低的比值，该比值在0.06至0.08的范围内。
[0022]当晶体结构的(001)择优取向与(100)和(101)方向相比最显著时，特别能够获得上述特性。此外，在本发明的一个扩展方案中，(100)取向的晶体结构的份额高于(101)取向的晶体结构份额。
[0023]具有(001)择优取向的晶体结构的份额可以如下进行测定:
[0024]-获得各个层的掠入射XRD(GIXRD)光谱，即薄层X射线衍射；
[0025]-测定34°到37°区域内相应(001)反射的最大强度1(_;
[0026]-测定32°到34°区域内(100)反射的最大强度1(1(|(|);
[0027]-测定37°到39°区域内(101)反射的最大强度1(1(11);
[0028]呈现(001)择优取向的晶体结构份额x_)和y _)按照下式计算:
X(OOl) — I (001)/ (1 (001)+1 (100))
和 y (001) — I (001)/ (1 (001)+1 (101))。
[0029]已证实，特别有利的是，Xftltll)份额大于0.5，优选大于0.6，更优选大于0.75，和/或y tell)份额大于0.5，优选大于0.6，更优选大于0.75。
[0030]在本发明的一个实施方式中，高折射率层中的氧含量为最高10原子数％，优选最高5原子数％，更优选最高2原子数％。
[0031]层中的低氧含量防止了氮氧化合物的形成，氮氧化合物对于晶体生长，特别是对于形成晶体结构的择优取向具有不利的影响。
[0032]如果利用溅射法对硬质材料层进行涂覆，特别能够获得高折射率的硬质材料层以及抗反射涂层的上述特性。
[0033]高折射率的硬质材料层可以是纯的氮化铝层，或者硬质材料层除了氮化铝还可以含有其他组分，例如一种或多种其他氮化物、碳化物和/或碳氮化合物。氮化物、碳化物或碳