反射ir的层系统的保护层，反射ir的层系统和其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种反射IR的层系统的保护层，反射IR的层系统和其制造方法，尤其是一种用于布置在基底上的反射IR的层系统的保护层、使用这种保护层的反射IR的层系统和其制造方法，该保护层向上封闭反射IR的层系统，该层系统从基底向上包括至少具有基层的基层布置、至少具有功能层的功能层布置和具有至少一个抗反射覆盖层的覆盖层布置。为了改善各种公知的层系统的机械耐久性，在保持可以用该层系统达到的辐射率和透射率的情况下，在该层系统上沉积有一种由借助反应性阴极溅射而沉积的氮氧化钛作为主要组成部分构成的保护层，该保护层在几纳米的层厚范围内具有非晶态的结构。
【专利说明】反射IR的层系统的保护层，反射IR的层系统和其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于反射红外线辐射(IR)的透明的层系统的保护层，该保护层向上封闭该层系统以及尤其用于机械地保护反射IR的层系统。本发明同样涉及一种使用这种保护层的反射IR的层系统以及制造该保护层和整个反射IR的层系统的方法。
【背景技术】
[0002]就功能而言，接下来也仅称为层系统的反射IR的层系统的特征在于它很低的辐射率和与之关联的在光谱的IR范围内(波长》3 μ m)的高反射率以及很小的透射率。同时应当经常达到在可见光范围内的高透射率。因此该层系统在从可见光到近红外线的过渡中具有透射的急剧下降以及反射的强烈上升。基于它们很低的辐射特性，这些层系统也被称为低福射层系统。
[0003]这类层系统大多具有复杂的单层系统，这些单层在它们的彼此结合中与层系统上的被要求的物理和化学要求相协调。
[0004]通常反射IR的层系统从基底向上观察首先包括一种基层布置、一种或多种功能层布置和一种覆盖层系统。
[0005]“基层布置、功能层布置或覆盖层布置”的概念通常情况下包括多于一个的层，但同样包含仅由本身实现相应的功能的单层构成的层布置。各单层与基层布置、功能层布置、覆盖层布置或其他层布置的配属不是在任何情况下都能被明确地实行，这是因为每一层既对相邻的层又对整个系统都有影响。通常，层的配属借助它的功能进行。
[0006]基层布置尤其用于系统在玻璃上的粘附、化学和/或机械的耐久性和/或调整系统的光学特性，例如调整颜色或抗反射。
[0007]在基层布置上的是功能层布置，该功能层布置包括一个(单层低辐射)或多个(双层低辐射、多层低辐射)IR反射层以及可选地包括其他的能够支持这种功能的以及影响它们的光学、化学、机械和电特性的层。IR反射层通常由贵金属或其合金(通常是银)构成。这种材料在很小的层厚下尤其在红外线范围内具有很高的反射率，与之关联的是在可见光谱范围内的很小的吸收率。
[0008]作为备选，也使用其他的材料，例如铜或铜的合金。这些材料又要求其他属于层系统的层的匹配。尤其是阻隔层作为功能层布置的补充性的层，这些阻隔层阻止或至少明显减少了功能层中的扩散过程和迁移过程。
[0009]反射IR的层系统通过覆盖层布置向上封闭。该覆盖层布置既用于抗反射又用于机械和化学地保护该层系统。抗反射通常通过相消干涉产生，其中，这样来设定单个或一系列抗反射层的光学厚度(层厚和层的折射率的乘积)，使得入射光的在各边界面上反射的那部分通过干涉消除。结果是，可能时也结合抗反射的基层成功地提高了整个系统的透射率。
[0010]在有多于一层带有变换的折射率的层的情况下，为此使用的层通常由金属的或半导体的氧化物、氮化物或氮氧化物构成。后者作为高-低覆盖层布置而公知，其中，高折射和低折射的材料的变换被称为“高-低”。在透明的层系统中，通常透明的材料被称为是高折射的，它的折射率在1.8至2.7的范围内，大多甚至在1.9至2.7的范围内，优选在2.0至2.6的范围内。在此比较地，基底，大多是浮法玻璃，相反地具有约1.52的低折射率。与之对应地，具有在如下范围内的折射率的材料被视为是低折射的，该范围接着高折射范围朝向更低的值并且达到1.5或其下十分之几。透明的介电材料被认为是无吸收的材料，这使其适合所述的光学功能。
[0011]将反射IR的层系统向上封闭的覆盖层应当也保护层系统不会发生机械地或化学地引起的改变。出于这个原因，这样进行覆盖层布置的抗反射的层的材料选择，即，使用带有较高的机械和/或化学强度的材料作为最上方的层。但基于所期望的抗反射的效果，材料选择依赖于覆盖层的其余层且尤其依赖于相邻的层。这明显限制了材料选择。
[0012]因此，为了提高机械的和化学的耐久性以及伴随层系统的光学性能的最小损失，在DE69825398T2中，最上方的抗反射层由两个子层制成。下方的子层使用公知的材料，并且上方的子层使用具有尖晶石结构，例如ZnAl2O4的材料。最上方的子层在此具有更高的耐刮性。两个子层的层厚在此一起被这样设定，使得它们共同起到抗反射层的作用。在DE10235154A1中最上方的层也使用混氧化物或具有尖晶石结构的氮氧化物。但这些层的耐刮性业已证实不足以用于大规模工业加工。
[0013]各种层系统的沉积经常借助溅射进行，这也能够实现产生有仅很小的层厚的合适的单层，这些单层的组成和特性公知地可以借助靶材料、溅射的类型和溅射参数十分良好地以及可再生产地进行调整。
[0014]层系统经常经受各种热处理，例如用于使经涂层的基底硬化和/或变形的退火过程。在这种情况下，这些层系统具有带有这样的层特性的层序，这些层特性允许了将层系统在热处理时出现的光学、机械和化学的特性的变化保持在限定的较窄的界限内。根据经涂层的基底的应用的不同，基底的层系统在退火过程中，在不同的时间区内遭受不同的气候条件。
[0015]作为备选，退火过程有时也用于金属层的事后的氧化，以便建立其透明度以及同时保护功能层在退火期间不受不期望的、辐射率和反射率改变的影响。但在此必需的是，这样调整层系统，使得可能时达到牺牲层的有针对性的氧化以及另一方面避免对功能层的损害。
【发明内容】
[0016]因此本发明的任务是，说明一种用于反射IR的层系统的保护层和其制造方法，该保护层改善各种公知的层系统的机械耐久性，并保持能用该层系统达到的辐射率和透射率。
[0017]为了解决该任务，建议一种根据权利要求1所述的保护层和一种根据权利要求6所述的使用该保护层的反射IR的层系统以及根据权利要求7所述的制造该保护层以及根据权利要求11所述的制造该反射IR的层系统的方法。各从属权利要求描述有利的设计方案。
[0018]根据本发明的保护层基于其组成和其结构而相比于公知的覆盖层具有更高的机械强度和更小的表面粗糙度。两者皆提高保护层的耐磨强度。基于通过阴极溅射的反应性过程控制而被作为组成部分置入保护层的氮强度相比作为光学有效的覆盖层而公知的纯粹的氧化钛层有明显的提高。结合与特别光滑的表面相关的保护层的非晶态的结构，提供了一种保护层，其相比公知的覆盖层具有改善的机械以及化学耐久性。
[0019]非晶态的结构与其他常见的晶态的柱状结构有所区别，在该晶态的柱状结构内，氧化钛或氮氧化钛在阴极溅射期间在经涂层的或未经涂层的基底上生长。原则上非晶态的结构被定义为材料中的分子的近程有序以及长程无序上。区分非晶态的和晶态的相根据实验在显微镜下是可能的或借助X射线衍射是可能的。显微镜下在非晶态的材料中可以确定分子的无定形排列。例如用XRD接收的X射线光谱也允许确定结晶度，也就是说在数量上确定晶态的和非晶态的份额。X射线光谱显示在去除未考虑到的不相干的份额的情况下，在纯粹的非晶态的层材料中没有尖锐的、作为尖峰呈现的干涉。更确切地说，在很小的衍射角下仅确定少量的扩散干涉。具有这种X射线衍射图的材料被称为是X射线非晶态的。
[0020]氮氧化钛的首先非晶态地沉积的层随着增长的层厚形成公知的柱状结构。反应性阴极溅射的根据本发明的方法的特征在于，该方法在如下时间点上被中断，在该时间点中，氮氧化钛层还具有非晶态的结构，其中，即使在X射线光谱内出现单个不那么明显的尖峰时还存在一种决定性的非晶态的结构，该结构具有期望的很小的表面粗糙度以及与之相关的耐刮度。
[0021]这个时间点根据分别使用的过程条件通过对所达到的层结构的试验和研究来确定。层厚通常处在几纳米的范围内，也就是说，小于10nm。根据一种优选的设计方案，层厚处在2nm至5nm范围内，这是因为在此利用反应性阴极溅射的在沉积率和稳定性方面优化的过程可以安全地实现一种封闭的、非晶态的层。
[0022]所产生的氮氧化钛层尽管其层厚很小，但仍具有所述的形态特性，这些特征使得它适合作为保护层。在此有利的是，这种薄层对处在其下的层系统不施加任何或仅施加可以忽略不计的光学影响，所述层系统在其光学性能上通过其组成部分和设计而分别已经匹配于各自的要求。
[0023]保护层的表面粗糙度与其非晶态的结构直接相关，这是因为可以避免否则随柱状结构强制性产生的表面结构。根据本发明的一种设计方案，通过合适的过程控制以及层厚来调整表面粗糙度，亦即小于Inm的RMS粗糙度。粗糙度借助轮廓仪测量来确定。
[0024]改善后的机械耐久性可以通过标准化的测试证明。因此带有薄的氮氧化钛层的整个层系统的耐磨强度可以用泰伯磨耗试验机测试(TABER Abraser-Test)来确定。泰伯磨耗试验机测试是一种国际上承认的以及标准化的检验方法。磨损负荷由两个摩擦辊产生，它们用固定的力被按压到旋转的试件上。为了测试而涂层有待检验的层或有待检验的层系统的材料样品用作检验主体。摩擦辊被这样布置，使得它们产生一个较高的滑动分量(打滑)。产生的磨损图是一种由交叉的弧形构成的图案。由此各向同性地处理表面，并且局部清除保护层。用根据本发明的保护层可以将基于经处理的层的磨损的透射率提高降低50%至75%。这意味着，与公知的覆盖层相比，可证实有较少的根据本发明的保护层被清除，并且因而较少地提高了穿过层的透射率，保护层因此具有更高的耐磨强度。
[0025]根据本发明，保护层具有作为主要组成部分的氮氧化钛。这包含了，可能含有少量的重量份额的其他次要组成部分。这些组成部分可以例如用于更为有利的或简化的靶制造或用于溅射过程的稳定化或有效化。根据一种实施形式，例如在靶材料中混合小于50%的铝用于简化靶制造，铝以这种或更小的份额也在保护层中沉淀。[0026]根据本发明的保护层可以使用于各种透明的和反光的层系统。该保护层尤其为了反射IR的层系统，作为对公知的、实现抗反射的、由一个或多个覆盖层构成的覆盖层布置的补充而被施加。这包含了，覆盖层布置的层已经可以提供化学的或有条件的机械的保护。如上所述，根据本发明的保护层改善层系统的机械的耐久性，而不会相关地影响为各应用而设计的层序的辐射率和透射率。
[0027]与之对应的是，保护层也可以使用到所谓的太阳低辐射型(Sun-Low-E)系统上，在这些系统中，有针对性地通过大多为薄的金属层降低在可见辐射范围内的透射率。
[0028]遮盖层系统的保护层此外也被证实，针对这些层系统的常用热处理，例如退火和热弯曲，该保护层仍是稳定的。
[0029]结果是，不同设计方案的反射IR的层系统通过一种保护层封闭，该保护层具有高耐刮度和低表面粗糙度，该低表面粗糙度几乎不会为机械损伤以及因而为侵蚀点提供作用部位。
[0030]根据本发明的保护层通过公知的阴极溅射方法，例如通过磁控溅射，优选MF溅射而沉积在层系统上。反应性地在溅射氛围中存在氩和氮的情况下由陶瓷的氧化钛靶进行沉积。在陶瓷靶中提供氮氧化钛的氧份额结合输入氮气作为反应性气体使得能够优化该层组成的稳定性并简化过程控制，这是因为层特性随着增长的靶烧损仅发生不明显的改变，并且仅须补充一种反应性气体。此外，该过程因此更经济，这是因为反应性过程的沉积率被陶瓷靶提高。
[0031]这种过程控制也包含，作为对靶份额的补充，氧也可以通过过程气体被输入。
[0032]但作为备选，根据本发明的保护层也在输入氩、氧和氮的情况下反应性地由金属的靶制造。
[0033]为了制造反射IR的层系统，首先，层系统以针对应用目的所需的层序来沉积，该层序由基层布置、一个或多个可能时通过中间层布置相互连接的功能层布置和覆盖层布置构成。这例如借助阴极溅射实现，从而所有的层，还有保护层，都可以在连续方法中在真空下被制造。作为备选，反射IR的层系统的制造也可以至少区段性地包括其他PVD、PECVD或CVD方法。紧接着，根据本发明的保护层如上所述那样被沉积。
【具体实施方式】
[0034]接下来应当借助实施例详细阐释本发明。
[0035]为了制造反射IR的层系统而通过磁控溅射将下列层施加在由4_的浮法玻璃构成的经清洗的基底S上:
[0036]a)Si3N4或Ti02或Sn02作为基层布置的唯一的基层或基层布置的彼此相叠的两个基层，例如25-30nm的Si3N4 ；
[0037]b)由作为晶核层的7-10nm的ZnO，作为功能层的12_15nm的Ag构成的功能层布置，以及由包含镍和铬的化合物或它们的亚化学计量的氧化物、氮化物或氮氧化物，例如
0.5-3nm的NiCrOx构成的阻隔层；
[0038]c)由15-20nm的ZnSn03结合30_45nm的Si3N4构成的覆盖层布置，其中，包含硅的层也可以具有铝的份额；以及
[0039]d)由2_5nm的TiOxNy构成的保护层。[0040]倘若需要调整所期望的色值，这些层、例如覆盖层布置的一个或多个在它们的厚度上可以被改变。
【权利要求】
1.一种反射IR的层系统的保护层，所述反射IR的层系统布置在基底上，所述保护层向上封闭所述反射IR的层系统，其特征在于，所述保护层由氮氧化钛作为主要成分构成并且所述保护层具有在几纳米范围内的层厚以及具有非晶态的结构。
2.根据权利要求1所述的保护层，其特征在于，所述保护层的层厚在几纳米范围内，优选在2nm至7nm范围内。
3.根据权利要求1或2所述的保护层，其特征在于，所述保护层的表面具有在小于Inm范围内的RMS粗糙度。
4.按前述权利要求任一项所述的保护层，其特征在于，所述保护层具有如下这样的耐磨强度:用泰伯磨耗试验机测试得出小于1%范围内的由于保护层磨损的透射率提高。
5.根据权利要求1至3任一项所述的保护层，其特征在于，所述保护层具有小于50%范围内的铝的份额。
6.一种反射IR的层系统，其布置在基底上并且从基底向上包括至少具有基层的基层布置、至少具有功能层的功能层布置和具有至少一个抗反射覆盖层的覆盖层布置，其特征在于，在所述层系统上布置有根据前述权利要求任一项所述的机械的保护层。
7.一种用于制造反射IR的层系统的保护层的方法，其方式是在所述反射IR的层系统上借助阴极溅射来沉积出层，其特征在于，其主要组成部分由氮氧化钛构成的保护层由陶瓷的、亚化学计量的氧化钛靶在溅射气氛中存在氩和氮的情况下，或者由金属的钛靶在溅射气氛中存在氩、氧和氮的情况下以几纳米范围内的层厚来沉积，并且所述保护层具有非晶态的结构。
8.根据权利要求7所述的用于制造反射IR的层系统的保护层的方法，其特征在于，所述保护层的层厚在2nm至7nm的范围内。
9.根据权利要求7或8所述的用于制造反射IR的层系统的保护层的方法，其特征在于，所述溅射氛围包含氧气。
10.根据权利要求7至9任一项所述的用于制造反射IR的层系统的保护层的方法，其特征在于，所述沉积借助MF溅射来进行。
11.一种用于制造反射IR的层系统的方法，其中，在基底上借助阴极溅射依次沉积具有至少一个基层的基层布置、具有至少一个功能层的功能层布置和具有至少一个抗反射覆盖层的覆盖层布置，其特征在于，根据权利要求7至10任一项所述将保护层以向上封闭所述层系统的方式沉积在所述覆盖层布置上。
【文档编号】B32B17/00GK103625026SQ201310376136
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】克里斯多佛·科克尔特 申请人:冯·阿德纳设备有限公司