Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wärmereflektierenden Schicht
systems für transparente Substrate, vorzugsweise Glas, welches aus mindestens einer
elektrisch hoch leitfähigen Funktionsschicht, an welche sich mindestens eine metallische
Blockerschicht - auch Zwischenschicht genannt - unmittelbar anschließt, und mehreren
hochbrechenden Entspiegelungsschichten, besteht. Das Schichtsystem wird auch als
low-e-Schichtsystem bezeichnet.
Derartige Schichtsysteme auf Glas eignen sich für einen anschließenden Härt- bzw. Biege
prozess der beschichteten Glasscheibe, z. B. für Fahrzeuge, vorzugsweise auch als wärme
dämmende Sicherheitsverglasung.
Es sind eine Vielzahl solcher wärmereflektierende Schichtsysteme bekannt. Das Schicht
system besteht allgemein aus Funktionsschicht, Grund- und Deckschicht, wobei letztere als
Entspiegelungsschichten dienen. Die einzelnen Schichten können sich im Gesamtsystem
mehrfach wiederholen. Als Funktionsschicht für die Wärmereflexion werden üblicherweise
Edelmetalle - vorzugsweise Silber - aufgrund ihres guten selektiven Reflexionsvermögens
schon bei geringen Schichtdicken verwendet. Die Entspiegelungsschichten dienen zur
Verbesserung der optischen Eigenschaften im sichtbaren Längenwellenbereich und sind
mindestens auf einer Seite der Funktionsschicht oder auf der über der Funktionsschicht
aufgebrachten Blockerschicht angeordnet. Die Entspiegelungsschicht beeinflusst
entscheidend das Gesamtschichtsystem hinsichtlich dessen elektrischer Eigenschaft, d. h.
Leitfähigkeit, der mechanischen Eigenschaften, z. B. Kratzfestigkeit und chemischer
Eigenschaften, z. B. Beständigkeit gegen Säuren.
Es ist bekannt, zur Verbesserung der optischen Eigenschaften, insbesondere zur Erhöhung
der Transmission im sichtbaren Bereich, hochbrechende Entspiegelungsschichten,
vorzugsweise dielektrische Metalloxide oder -nitride, oberhalb und/oder unterhalb der
Funktionsschicht anzuordnen. Beim Aufbringen eines Metalloxids als Entspiegelungsschicht
auf die Funktionsschicht und beim Biegen und/oder Härten beschichteter Glasscheiben mit
dem damit verbundenen Erwärmen kommt es zur Oxidation der Funktionsschicht, zur
Diffusion des Silbers in die Entspiegelungsschicht, zur Diffusion von Komponenten der
Entspiegelungsschicht in das Silber und/oder zu Agglomerationen innerhalb der
Funktionsschicht. Durch diese Effekte werden das Reflexionsvermögen der Beschichtung für
Wärmestrahlung sowie die Transmission im sichtbaren Bereich verringert.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bekannt, die Funktionsschicht durch geeignete
Materialien - Blocker genannt - vor der teilweisen Zerstörung zu schützen, indem eine
Blockerschicht oberhalb und/oder unterhalb der Funktionsschicht angeordnet wird
(DE 38 25 671; US 4,894,290; DE 196 32 788).
Die bisher bekannten Blockerschichten besitzen jedoch verschiedene Nachteile hinsichtlich
der Produktivität, der chemischen Beständigkeit, der Langzeitstabilität, der optischen
Eigenschaften und Auswirkungen auf die mechanische Belastbarkeit des Schichtsystems.
Beispielsweise besitzt CrNi eine hohe Absorption, wodurch das Transmissionsvermögen bei
vorgegebenem Reflexionsgrad in nicht vernachlässigbarer Weise beeinträchtigt wird. Eine
teilweise Voroxidation bereits während des Beschichtungsprozesses behebt den Mangel nur
unzureichend, und diese ist außerdem nur schwer reproduzierbar. Tantal als Blocker ist sehr
teuer. Aluminium ist zwar preisgünstig, besitzt aber keine ausreichende chemische
Beständigkeit und neigt außerdem zur Diffusion. Ein Schichtsystem mit Titan als Blocker
verfügt nicht über die erforderliche Langzeitstabilität. Die Nutzung von AlMgMn als Blocker
führt zu einer unzureichenden mechanischen Belastbarkeit des Schichtsystems.
Weiterhin ist bekannt, dass durch den Einsatz spezieller Silberlegierungen für die Funktions
schicht die teilweise Zerstörung der hoch leitfähigen Hauptkomponente durch die Oxidation
der Beimischung mit ggf. vorangehender thermisch induzierter, partieller Entmischung der
Legierung vermieden werden kann. Jedoch sind der Grad der Oxidation bzw. der Ent
mischung und damit die optischen bzw. elektrischen Eigenschaften des Schichtsystems nur
schwer zu kontrollieren (DE 198 07 930). Da ein Teil der Beimischung in der
Hauptkomponente verbleibt, wird damit die Leitfähigkeit der verbleibenden Legierung
geringer sein als die einer reinen Hauptkomponente gleicher Dicke.
Als weitere Möglichkeit, die teilweise Oxidation der Funktionsschicht zu unterdrücken, ist
der Einsatz von Nitriden als Entspiegelungsschicht bekannt (US 5,837,108). Jedoch kann
auch hier, insbesondere bei härt- oder biegbaren Schichtsystemen, im Allgemeinen nicht
gänzlich auf die Anordnung einer Blockerschicht verzichtet werden. Außerdem ist die
Brechzahl von Metallnitriden im Allgemeinen deutlich geringer als die von Metalloxiden, was
zu einer geringeren Entspiegelung (Bandbreite) führt.
Es ist bekannt, zur Verbesserung der Eigenschaften der Entspiegelungsschicht diese nicht
nur als eine einzige Schicht anzuordnen, sondern ein Teilschichtsystem aus mindestens zwei
Schichten zu verwenden, die meist aus dielektrischem Material sind (DE 39 41 026;
DE 39 41 027). Diese Kombination bestimmt die Gesamteigenschaft. So wird z. B. die
Leitfähigkeit verbessert, indem die Entspiegelungsschicht unter der Funktionsschicht
angeordnet ist. Die chemische Beständigkeit wird verbessert, wenn die
Entspiegelungsschicht über der Funktions- bzw. Blockerschicht angeordnet ist. Es wurde
jedoch festgestellt, dass durch die Kombination der zwei einzeln bewerteten Eigenschaften
der Einzelschichten als ein Teilschichtsystem insbesondere die mechanische Beständigkeit
negativ beeinträchtigt wird. Dieser Mangel wird dadurch beseitigt, dass weitere
Einzelschichten in dem System angeordnet werden oder spezielle Verfahren des
Aufbringens dieser Schichten angewendet werden; z. B. plasmaaktivierte Beschichtung.
Dabei entsteht aber der Nachteil, dass sich die Kosten des Gesamtschichtsystems durch die
zusätzlichen Schichten und die spezielle Technologie des Aufbringens erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines wärme
reflektierenden Schichtsystems zu schaffen, welches eine hohe Transmission im Bereich des
sichtbaren Lichts und eine hohe Reflexion für längerwellige Strahlung aufweist. Es soll auch
farbneutral, mechanisch hochbelastbar, chemisch beständig, langzeitstabil und temperatur
beständig sein. Das Schichtsystem soll für den Fall, dass die Funktionsschicht beidseitig von
einer Blockerschicht umgeben ist, außerdem ohne Verringerung der Lichttransmission bzw.
des Emissionsvermögens härt- und biegbar sein. Weiterhin soll das Schichtsystem die
Mängel des Standes der Technik vermeiden und kostengünstig herstellbar sein. Die
Schichten sollen durch Bedampfen oder Aufstäuben - auch Sputtern genannt - im Vakuum
aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach Anspruch 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Aus
gestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 und des Schichtsystems in den
Ansprüchen 7 bis 11 beschrieben.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Funktions- und Blockerschicht derart
aufgebaut ist, dass die Blockerschicht oder ein Teil dieser als Gradientenschicht hergestellt
wird. Werden als Entspiegelungsschicht mehrere Einzelschichten angeordnet und bestehen
diese aus unterschiedlichem Material, so werden diese ebenfalls als Gradientenschicht
hergestellt. Dazu wird der Materialanteil der einen Schicht von anfangs 100% bis 0%
reduziert und der Anteil an Material der zweiten Schicht wird umgekehrt von 0% bis zu
100% erhöht. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass eine derartige Gradienten
schicht die Gesamteigenschaften des Systems wesentlich verbessert und in dem Fall, dass
die Blockerschicht als Gradientenschicht ausgebildet ist, ein wesentlich besserer Schutz der
Funktionsschicht gegeben ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird derart ausgeführt, dass die Beschichtungsstationen
für die eine Schicht und für die andere Schicht in der Beschichtungsanlage räumlich so
angeordnet werden, dass sich die Verteilungen der aufzubringenden Teilchen auf der
Substratebene bzw. der vorangegangen bereits aufgebrachten Schicht teilweise überlagern.
Infolgedessen besteht die sonst vorhandene Grenze zwischen zwei Schichten unter
schiedlichen Materials nicht mehr, sondern es kommt zur Bildung einer mehr oder weniger
dicken Gradientenschicht. Die Eigenschaften der Gradientenschicht lassen sich einfach mit
Mitteln der Prozessführung, z. B. Abstand der Beschichtungsstationen, Parameter der
Energieeinspeisung, Verhältnis der eingespeisten Leistungen, beeinflussen. Somit kann
äußerst variabel auf die Eigenschaften des gesamten Schichtsystems Einfluss genommen
werden.
Das Verfahren zum Aufbringen einer solchen Gradientenschicht wird zweckmäßig derart
ausgeführt, dass sich in Beschichtungsebenen die Dampf- bzw. Plasmakeulen der unter
schiedlichen Materialien teilweise überlagern. Es besteht zwischen den Materialien keine
Grenze. Beim Aufstäuben im reaktiven Betrieb werden die einzelnen Kathoden des
Magnetrons mit unterschiedlichen Targets bestückt.
An drei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beschrieben. Die zugehörigen
Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 ein Schichtsystem mit einer Funktions- und Blockerschicht als Gradientenschicht
und beiderseitig angeordneten Entspiegelungsschichten als Einzelschichten,
Fig. 2 ein Schichtsystem mit als Gradientenschicht ausgebildeter Funktions- und Blocker
schicht und einseitig angeordneter Entspiegelungsschicht,
Fig. 3 ein Schichtsystem mit als Gradientenschicht ausgebildeter Funktions- und Blocker
schicht und beidseitig angeordneten Entspiegelungsschichten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt ausgeführt:
Es soll ein wärmereflektierendes Schichtsystem - wie in Fig. 1 dargestellt - auf einer Glas
scheibe aufgebracht werden.
Gemäß der Erfindung ist eine Blockerschicht 1 aus NiCr auf einer Seite einer Funktions
schicht 2 aus Ag angeordnet. Dieses Teilschichtsystem ist zwischen zwei Entspiegelungs
schichten (3; 4) aus TiO2 aufgebracht. In einem ersten Verfahrensschritt wird in bekannter
Weise durch Sputtern eine Entspiegelungsschicht 3 aufgebracht. Die Blockerschicht 1
entsteht, indem nach Erreichen der erforderlichen Dicke der Funktionsschicht 2 allmählich
das Material der Blockerschicht 1 im Sputterprozess zugeführt wird, indem die räumliche
Verteilung über die Dicke der Schicht und Zuführung der Teilchen aus den beiden
Sputterquellen mit dem Material der Funktionsschicht 2 und der Blockerschicht 1
entsprechend geregelt wird, damit der Anteil der Teilchen der Funktionsschicht 2 abnimmt
und der Anteil der Teilchen der Blockerschicht 1 zunimmt. Nachdem die Blockerschicht 1
nur noch 100%ig aus dem Material der Blockerschicht besteht, wird darauf eine obere
Entspiegelungsschicht 4 in bekannter Weise aufgebracht.
Analog dazu werden verfahrenstechnisch auch die Schichtsysteme nach den Fig. 2 und 3
hergestellt.
Die Fig. 2 zeigt ein Schichtsystem, bei welchem auf der Glasscheibe in einem ersten
Verfahrensschritt eine Entspiegelungsschicht 3 als Gradientenschicht aus quasi zwei
Einzelschichten aus TiO2 und ZnO aufgebracht ist. Der Anteil des zuerst aufgebrachten
Materials - TiO2 - geht während des Aufbringens von einem Anteil von 100%
kontinuierlich über die Dicke der Schicht auf 0% zurück, während der Anteil des nächst
folgenden Materials - ZnO - gegenläufig von 0% auf 100% ansteigt. Danach wird die
Funktionsschicht 2 aus Ag aufgebracht und auf der Funktionsschicht 2 aus Ag die Blocker
schicht 1 als eine durchgehende Gradientenschicht aus NiCr und Ag. Innerhalb dieser
Blockerschicht 1 beträgt der Gradient beider Materialien 0% bis 100% und umgekehrt.
Der Übergang von der Funktionsschicht 2 zur Blockerschicht 1 ist nicht fließend, sondern es
liegt eine, wenn auch nicht exakt feststellbare Trennung beider Schichten vor.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung des Schichtsystems mit einer Funktionsschicht 2 aus Ag, auf
deren beiden Seiten eine Gradientenschicht 1 aus NiCr und Ag aufgesputtert ist, die in das
reine Material der Blockerschicht 1 NiCr übergeht. Die Blockerschichten 1 sind zweckmäßig
aus Ni80Cr20 und als Gradientenschicht aus Ag-Ni80Cr20 von 0% auf 100% übergehend.
Die untere Entspiegelungsschicht 3 ist aus TiO2. Auf dem Teilschichtsystem der Funktions-
und Blockerschicht 1; 2 ist eine Entspiegelungsschicht 4 als Gradientenschicht aufgebracht.
Diese besteht aus SnO2 und TiO2.
Es ist auch möglich, die Ausführungen gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 zu kombinieren. Derartige
Schichtsysteme bzw. Teilschichtsysteme können auch beispielsweise auf flexible
transparente Substrate, wie z. B. Folie, aufgebracht werden.