反射ir的層系統的保護層，反射ir的層系統和其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種反射IR的層系統的保護層，反射IR的層系統和其制造方法，尤其是一種用于布置在基底上的反射IR的層系統的保護層、使用這種保護層的反射IR的層系統和其制造方法，該保護層向上封閉反射IR的層系統，該層系統從基底向上包括至少具有基層的基層布置、至少具有功能層的功能層布置和具有至少一個抗反射覆蓋層的覆蓋層布置。為了改善各種公知的層系統的機械耐久性，在保持可以用該層系統達到的輻射率和透射率的情況下，在該層系統上沉積有一種由借助反應性陰極濺射而沉積的氮氧化鈦作為主要組成部分構成的保護層，該保護層在幾納米的層厚范圍內具有非晶態的結構。
【專利說明】反射IR的層系統的保護層，反射IR的層系統和其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于反射紅外線輻射(IR)的透明的層系統的保護層，該保護層向上封閉該層系統以及尤其用于機械地保護反射IR的層系統。本發明同樣涉及一種使用這種保護層的反射IR的層系統以及制造該保護層和整個反射IR的層系統的方法。
【背景技術】
[0002]就功能而言，接下來也僅稱為層系統的反射IR的層系統的特征在于它很低的輻射率和與之關聯的在光譜的IR范圍內(波長》3 μ m)的高反射率以及很小的透射率。同時應當經常達到在可見光范圍內的高透射率。因此該層系統在從可見光到近紅外線的過渡中具有透射的急劇下降以及反射的強烈上升?；谒鼈兒艿偷妮椛涮匦?，這些層系統也被稱為低福射層系統。
[0003]這類層系統大多具有復雜的單層系統，這些單層在它們的彼此結合中與層系統上的被要求的物理和化學要求相協調。
[0004]通常反射IR的層系統從基底向上觀察首先包括一種基層布置、一種或多種功能層布置和一種覆蓋層系統。
[0005]“基層布置、功能層布置或覆蓋層布置”的概念通常情況下包括多于一個的層，但同樣包含僅由本身實現相應的功能的單層構成的層布置。各單層與基層布置、功能層布置、覆蓋層布置或其他層布置的配屬不是在任何情況下都能被明確地實行，這是因為每一層既對相鄰的層又對整個系統都有影響。通常，層的配屬借助它的功能進行。
[0006]基層布置尤其用于系統在玻璃上的粘附、化學和/或機械的耐久性和/或調整系統的光學特性，例如調整顏色或抗反射。
[0007]在基層布置上的是功能層布置，該功能層布置包括一個(單層低輻射)或多個(雙層低輻射、多層低輻射)IR反射層以及可選地包括其他的能夠支持這種功能的以及影響它們的光學、化學、機械和電特性的層。IR反射層通常由貴金屬或其合金(通常是銀)構成。這種材料在很小的層厚下尤其在紅外線范圍內具有很高的反射率，與之關聯的是在可見光譜范圍內的很小的吸收率。
[0008]作為備選，也使用其他的材料，例如銅或銅的合金。這些材料又要求其他屬于層系統的層的匹配。尤其是阻隔層作為功能層布置的補充性的層，這些阻隔層阻止或至少明顯減少了功能層中的擴散過程和遷移過程。
[0009]反射IR的層系統通過覆蓋層布置向上封閉。該覆蓋層布置既用于抗反射又用于機械和化學地保護該層系統?？狗瓷渫ǔＭㄟ^相消干涉產生，其中，這樣來設定單個或一系列抗反射層的光學厚度(層厚和層的折射率的乘積)，使得入射光的在各邊界面上反射的那部分通過干涉消除。結果是，可能時也結合抗反射的基層成功地提高了整個系統的透射率。
[0010]在有多于一層帶有變換的折射率的層的情況下，為此使用的層通常由金屬的或半導體的氧化物、氮化物或氮氧化物構成。后者作為高-低覆蓋層布置而公知，其中，高折射和低折射的材料的變換被稱為“高-低”。在透明的層系統中，通常透明的材料被稱為是高折射的，它的折射率在1.8至2.7的范圍內，大多甚至在1.9至2.7的范圍內，優選在2.0至2.6的范圍內。在此比較地，基底，大多是浮法玻璃，相反地具有約1.52的低折射率。與之對應地，具有在如下范圍內的折射率的材料被視為是低折射的，該范圍接著高折射范圍朝向更低的值并且達到1.5或其下十分之幾。透明的介電材料被認為是無吸收的材料，這使其適合所述的光學功能。
[0011]將反射IR的層系統向上封閉的覆蓋層應當也保護層系統不會發生機械地或化學地引起的改變。出于這個原因，這樣進行覆蓋層布置的抗反射的層的材料選擇，即，使用帶有較高的機械和/或化學強度的材料作為最上方的層。但基于所期望的抗反射的效果，材料選擇依賴于覆蓋層的其余層且尤其依賴于相鄰的層。這明顯限制了材料選擇。
[0012]因此，為了提高機械的和化學的耐久性以及伴隨層系統的光學性能的最小損失，在DE69825398T2中，最上方的抗反射層由兩個子層制成。下方的子層使用公知的材料，并且上方的子層使用具有尖晶石結構，例如ZnAl2O4的材料。最上方的子層在此具有更高的耐刮性。兩個子層的層厚在此一起被這樣設定，使得它們共同起到抗反射層的作用。在DE10235154A1中最上方的層也使用混氧化物或具有尖晶石結構的氮氧化物。但這些層的耐刮性業已證實不足以用于大規模工業加工。
[0013]各種層系統的沉積經常借助濺射進行，這也能夠實現產生有僅很小的層厚的合適的單層，這些單層的組成和特性公知地可以借助靶材料、濺射的類型和濺射參數十分良好地以及可再生產地進行調整。
[0014]層系統經常經受各種熱處理，例如用于使經涂層的基底硬化和/或變形的退火過程。在這種情況下，這些層系統具有帶有這樣的層特性的層序，這些層特性允許了將層系統在熱處理時出現的光學、機械和化學的特性的變化保持在限定的較窄的界限內。根據經涂層的基底的應用的不同，基底的層系統在退火過程中，在不同的時間區內遭受不同的氣候條件。
[0015]作為備選，退火過程有時也用于金屬層的事后的氧化，以便建立其透明度以及同時保護功能層在退火期間不受不期望的、輻射率和反射率改變的影響。但在此必需的是，這樣調整層系統，使得可能時達到犧牲層的有針對性的氧化以及另一方面避免對功能層的損害。

【發明內容】

[0016]因此本發明的任務是，說明一種用于反射IR的層系統的保護層和其制造方法，該保護層改善各種公知的層系統的機械耐久性，并保持能用該層系統達到的輻射率和透射率。
[0017]為了解決該任務，建議一種根據權利要求1所述的保護層和一種根據權利要求6所述的使用該保護層的反射IR的層系統以及根據權利要求7所述的制造該保護層以及根據權利要求11所述的制造該反射IR的層系統的方法。各從屬權利要求描述有利的設計方案。
[0018]根據本發明的保護層基于其組成和其結構而相比于公知的覆蓋層具有更高的機械強度和更小的表面粗糙度。兩者皆提高保護層的耐磨強度?；谕ㄟ^陰極濺射的反應性過程控制而被作為組成部分置入保護層的氮強度相比作為光學有效的覆蓋層而公知的純粹的氧化鈦層有明顯的提高。結合與特別光滑的表面相關的保護層的非晶態的結構，提供了一種保護層，其相比公知的覆蓋層具有改善的機械以及化學耐久性。
[0019]非晶態的結構與其他常見的晶態的柱狀結構有所區別，在該晶態的柱狀結構內，氧化鈦或氮氧化鈦在陰極濺射期間在經涂層的或未經涂層的基底上生長。原則上非晶態的結構被定義為材料中的分子的近程有序以及長程無序上。區分非晶態的和晶態的相根據實驗在顯微鏡下是可能的或借助X射線衍射是可能的。顯微鏡下在非晶態的材料中可以確定分子的無定形排列。例如用XRD接收的X射線光譜也允許確定結晶度，也就是說在數量上確定晶態的和非晶態的份額。X射線光譜顯示在去除未考慮到的不相干的份額的情況下，在純粹的非晶態的層材料中沒有尖銳的、作為尖峰呈現的干涉。更確切地說，在很小的衍射角下僅確定少量的擴散干涉。具有這種X射線衍射圖的材料被稱為是X射線非晶態的。
[0020]氮氧化鈦的首先非晶態地沉積的層隨著增長的層厚形成公知的柱狀結構。反應性陰極濺射的根據本發明的方法的特征在于，該方法在如下時間點上被中斷，在該時間點中，氮氧化鈦層還具有非晶態的結構，其中，即使在X射線光譜內出現單個不那么明顯的尖峰時還存在一種決定性的非晶態的結構，該結構具有期望的很小的表面粗糙度以及與之相關的耐刮度。
[0021]這個時間點根據分別使用的過程條件通過對所達到的層結構的試驗和研究來確定。層厚通常處在幾納米的范圍內，也就是說，小于10nm。根據一種優選的設計方案，層厚處在2nm至5nm范圍內，這是因為在此利用反應性陰極濺射的在沉積率和穩定性方面優化的過程可以安全地實現一種封閉的、非晶態的層。
[0022]所產生的氮氧化鈦層盡管其層厚很小，但仍具有所述的形態特性，這些特征使得它適合作為保護層。在此有利的是，這種薄層對處在其下的層系統不施加任何或僅施加可以忽略不計的光學影響，所述層系統在其光學性能上通過其組成部分和設計而分別已經匹配于各自的要求。
[0023]保護層的表面粗糙度與其非晶態的結構直接相關，這是因為可以避免否則隨柱狀結構強制性產生的表面結構。根據本發明的一種設計方案，通過合適的過程控制以及層厚來調整表面粗糙度，亦即小于Inm的RMS粗糙度。粗糙度借助輪廓儀測量來確定。
[0024]改善后的機械耐久性可以通過標準化的測試證明。因此帶有薄的氮氧化鈦層的整個層系統的耐磨強度可以用泰伯磨耗試驗機測試(TABER Abraser-Test)來確定。泰伯磨耗試驗機測試是一種國際上承認的以及標準化的檢驗方法。磨損負荷由兩個摩擦輥產生，它們用固定的力被按壓到旋轉的試件上。為了測試而涂層有待檢驗的層或有待檢驗的層系統的材料樣品用作檢驗主體。摩擦輥被這樣布置，使得它們產生一個較高的滑動分量(打滑)。產生的磨損圖是一種由交叉的弧形構成的圖案。由此各向同性地處理表面，并且局部清除保護層。用根據本發明的保護層可以將基于經處理的層的磨損的透射率提高降低50%至75%。這意味著，與公知的覆蓋層相比，可證實有較少的根據本發明的保護層被清除，并且因而較少地提高了穿過層的透射率，保護層因此具有更高的耐磨強度。
[0025]根據本發明，保護層具有作為主要組成部分的氮氧化鈦。這包含了，可能含有少量的重量份額的其他次要組成部分。這些組成部分可以例如用于更為有利的或簡化的靶制造或用于濺射過程的穩定化或有效化。根據一種實施形式，例如在靶材料中混合小于50%的鋁用于簡化靶制造，鋁以這種或更小的份額也在保護層中沉淀。[0026]根據本發明的保護層可以使用于各種透明的和反光的層系統。該保護層尤其為了反射IR的層系統，作為對公知的、實現抗反射的、由一個或多個覆蓋層構成的覆蓋層布置的補充而被施加。這包含了，覆蓋層布置的層已經可以提供化學的或有條件的機械的保護。如上所述，根據本發明的保護層改善層系統的機械的耐久性，而不會相關地影響為各應用而設計的層序的輻射率和透射率。
[0027]與之對應的是，保護層也可以使用到所謂的太陽低輻射型(Sun-Low-E)系統上，在這些系統中，有針對性地通過大多為薄的金屬層降低在可見輻射范圍內的透射率。
[0028]遮蓋層系統的保護層此外也被證實，針對這些層系統的常用熱處理，例如退火和熱彎曲，該保護層仍是穩定的。
[0029]結果是，不同設計方案的反射IR的層系統通過一種保護層封閉，該保護層具有高耐刮度和低表面粗糙度，該低表面粗糙度幾乎不會為機械損傷以及因而為侵蝕點提供作用部位。
[0030]根據本發明的保護層通過公知的陰極濺射方法，例如通過磁控濺射，優選MF濺射而沉積在層系統上。反應性地在濺射氛圍中存在氬和氮的情況下由陶瓷的氧化鈦靶進行沉積。在陶瓷靶中提供氮氧化鈦的氧份額結合輸入氮氣作為反應性氣體使得能夠優化該層組成的穩定性并簡化過程控制，這是因為層特性隨著增長的靶燒損僅發生不明顯的改變，并且僅須補充一種反應性氣體。此外，該過程因此更經濟，這是因為反應性過程的沉積率被陶瓷靶提高。
[0031]這種過程控制也包含，作為對靶份額的補充，氧也可以通過過程氣體被輸入。
[0032]但作為備選，根據本發明的保護層也在輸入氬、氧和氮的情況下反應性地由金屬的靶制造。
[0033]為了制造反射IR的層系統，首先，層系統以針對應用目的所需的層序來沉積，該層序由基層布置、一個或多個可能時通過中間層布置相互連接的功能層布置和覆蓋層布置構成。這例如借助陰極濺射實現，從而所有的層，還有保護層，都可以在連續方法中在真空下被制造。作為備選，反射IR的層系統的制造也可以至少區段性地包括其他PVD、PECVD或CVD方法。緊接著，根據本發明的保護層如上所述那樣被沉積。
【具體實施方式】
[0034]接下來應當借助實施例詳細闡釋本發明。
[0035]為了制造反射IR的層系統而通過磁控濺射將下列層施加在由4_的浮法玻璃構成的經清洗的基底S上:
[0036]a)Si3N4或Ti02或Sn02作為基層布置的唯一的基層或基層布置的彼此相疊的兩個基層，例如25-30nm的Si3N4 ；
[0037]b)由作為晶核層的7-10nm的ZnO，作為功能層的12_15nm的Ag構成的功能層布置，以及由包含鎳和鉻的化合物或它們的亞化學計量的氧化物、氮化物或氮氧化物，例如
0.5-3nm的NiCrOx構成的阻隔層；
[0038]c)由15-20nm的ZnSn03結合30_45nm的Si3N4構成的覆蓋層布置，其中，包含硅的層也可以具有鋁的份額；以及
[0039]d)由2_5nm的TiOxNy構成的保護層。[0040]倘若需要調整所期望的色值，這些層、例如覆蓋層布置的一個或多個在它們的厚度上可以被改變。
【權利要求】
1.一種反射IR的層系統的保護層，所述反射IR的層系統布置在基底上，所述保護層向上封閉所述反射IR的層系統，其特征在于，所述保護層由氮氧化鈦作為主要成分構成并且所述保護層具有在幾納米范圍內的層厚以及具有非晶態的結構。
2.根據權利要求1所述的保護層，其特征在于，所述保護層的層厚在幾納米范圍內，優選在2nm至7nm范圍內。
3.根據權利要求1或2所述的保護層，其特征在于，所述保護層的表面具有在小于Inm范圍內的RMS粗糙度。
4.按前述權利要求任一項所述的保護層，其特征在于，所述保護層具有如下這樣的耐磨強度:用泰伯磨耗試驗機測試得出小于1%范圍內的由于保護層磨損的透射率提高。
5.根據權利要求1至3任一項所述的保護層，其特征在于，所述保護層具有小于50%范圍內的鋁的份額。
6.一種反射IR的層系統，其布置在基底上并且從基底向上包括至少具有基層的基層布置、至少具有功能層的功能層布置和具有至少一個抗反射覆蓋層的覆蓋層布置，其特征在于，在所述層系統上布置有根據前述權利要求任一項所述的機械的保護層。
7.一種用于制造反射IR的層系統的保護層的方法，其方式是在所述反射IR的層系統上借助陰極濺射來沉積出層，其特征在于，其主要組成部分由氮氧化鈦構成的保護層由陶瓷的、亞化學計量的氧化鈦靶在濺射氣氛中存在氬和氮的情況下，或者由金屬的鈦靶在濺射氣氛中存在氬、氧和氮的情況下以幾納米范圍內的層厚來沉積，并且所述保護層具有非晶態的結構。
8.根據權利要求7所述的用于制造反射IR的層系統的保護層的方法，其特征在于，所述保護層的層厚在2nm至7nm的范圍內。
9.根據權利要求7或8所述的用于制造反射IR的層系統的保護層的方法，其特征在于，所述濺射氛圍包含氧氣。
10.根據權利要求7至9任一項所述的用于制造反射IR的層系統的保護層的方法，其特征在于，所述沉積借助MF濺射來進行。
11.一種用于制造反射IR的層系統的方法，其中，在基底上借助陰極濺射依次沉積具有至少一個基層的基層布置、具有至少一個功能層的功能層布置和具有至少一個抗反射覆蓋層的覆蓋層布置，其特征在于，根據權利要求7至10任一項所述將保護層以向上封閉所述層系統的方式沉積在所述覆蓋層布置上。
【文檔編號】B32B17/00GK103625026SQ201310376136
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2012年8月24日
【發明者】克里斯多佛·科克爾特 申請人:馮·阿德納設備有限公司