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Dokumentenidentifikation DE69826687T2 23.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001005440
Titel SILIZIUMOXYNITRID SCHUTZBESCHICHTUNGEN
Anmelder PPG Industries Ohio, Inc., Cleveland, Ohio, US
Erfinder ARBAB, Mehran, Allison Park, US;
MARIETTI, J., Gary, Cheswick, US;
MEDWICK, A., Paul, Pittsburgh, US;
MILLER, A., Larry, Sarver, US
Vertreter Sternagel, Fleischer, Godemeyer & Partner, Patentanwälte, 51429 Bergisch Gladbach
DE-Aktenzeichen 69826687
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT, LU, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.06.1998
EP-Aktenzeichen 989313697
WO-Anmeldetag 18.06.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/12713
WO-Veröffentlichungsnummer 0098058885
WO-Veröffentlichungsdatum 30.12.1998
EP-Offenlegungsdatum 07.06.2000
EP date of grant 29.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.2006
IPC-Hauptklasse C03C 17/34(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse C23C 14/06(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      C23C 30/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Schicht oder einen Film, die (der) die darunterliegende(n) funktionelle(n) Überzugsschicht(en) oder -film(e) schützt, und sie bezieht sich insbesondere auf eine durch Sputtern aufgebrachte Siliciumoxynitrid-Schutzschicht, um den (die) darunterliegenden Überzugsfilm(e) mit geringem Emissionsvermögen zu schützen.

Diskussion des Standes der Technik

Durch Vakuum abgeschiedene Beschichtungsstapel mit niedrigem Emissionsvermögen ("Low-E") bestehen in der Regel aus der folgenden generellen Schichtenfolge: S/(D1/M/P/D2)R worin bedeuten:

S
ein Substrat, in der Regel ein transparentes Substrat, beispielsweise aus Glas;
D1
eine erste transparente dielektrische Schicht, in der Regel aus einem Metalloxid, die eine oder mehrere transparente dielektrische Filme umfassen kann;
M
eine infrarotes Licht reflektierende Schicht, in der Regel aus Silber oder einem anderen Edelmetall;
P
eine Primerschicht, um die darunterliegende, infrarotes Licht reflektierende Schicht in einem reaktiven Plasma zu schützen;
D2
einen zweiten transparenten dielektrischen Film ähnlich D1; und
R
eine ganze Zahl von ≥ 1, welche die Anzahl der Wiederholungen der oben genannten Schichten angibt.

Die dielektrischen Schichten D1 und D2 bestimmen die optischen Eigenschaften des Überzugsstapels (Gesamtheit der Überzugsschichten). Diese Schichten verleihen der (den) fragilen, infrarotes Licht reflektierenden Schicht(en), die in der Regel ein oder mehrere Silberschichten sind, einen gewissen physikalischen und chemischen Schutz. Unglücklicherweise unterliegen viele verarbeitungsfreundliche und kostengünstige dielektrische Materialien häufig einem Abrieb sowie einer Korrosion. So ist beispielsweise Zinkoxid, wie in dem US-Patent Nr. 5 296 302 beschrieben, das in der Regel einen kristallinen Film bildet, empfindlich gegenüber dem Angriff durch Säuren und Basen; Wismutoxid, das in der Regel einen amorphen Film bildet, ist in bestimmten Säuren löslich; Zinnoxid, das in der Regel einen amorphen Film bildet, ist empfindlich gegen einen Angriff in bestimmten basischen Umgebungen.

Um die Korrosion zu reduzieren, weisen einige Überzugsstapel mit einem niedrigen Emissionsvermögen einen darüberliegenden Schutzüberzug aus einer chemisch resistenten dielektrischen Schicht auf. Diese Schicht hat vorzugsweise erwünschte optische Eigenschaften, einstellbare Sputter-Abscheidungseigenschaften und ist mit anderen Materialien des Überzugsstapels kompatibel. Die in den US-Patenten Nr. 4 716 086 und 4 786 563 beschriebenen Titandioxidfilme sind Schutzfilme, welche die oben genannten Eigenschaften haben. Es gibt auch andere chemisch resistente Materialien, die Beschränkungen aufweisen, wie z.B. gegen Sputtern empfindlicher sind. Siliciumoxid, wie es in dem kanadischen Patent Nr. 2 156 571 beschrieben ist, Aluminiumoxid und Siliciumnitrid, die in den US-Patenten Nr. 5 425 861; 5 344 718; 5 376 455; 5 584 902 und 5 532 180 und in der Internationalen PCT-Publikation Nr. WO 95/29 883 beschrieben sind, sind Beispiele für solche Materialien. Neue Sputter-Abscheidungsverfahren haben in den letzten Jahren, beispielsweise durch Verwendung von zylindrischen Magnetronen und dualen planaren Magnetronen die Abscheidung von Nitriden und Oxiden von Silicium praktikabler gemacht. Als Ergebnis dieser neuen Sputter-Abscheidungsverfahren sind beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5 563 734 und 5 514 476 Überzugsstapel mit niedrigem Emissionsvermögen beschrieben, die Siliciumnitrid als eine oder als sämtliche dielektrische Schichten (D) und ohne zusätzliche Schutzüberzüge enthalten.

Für den Fall, dass eine Schutzschicht oder eine dielektrische Schicht Silicium enthält, enthält die in dem Sputter-Verfahren verwendete Kathode in der Regel ein Legierungselement, die das Sputtern der Siliciumkathode erleichtert. Ein verwendetes Legierungselement ist Aluminium, obgleich auch andere Elemente, wie z.B. Bor und einige Übergangsmetalle, bereits verwendet wurden. In dem US-Patent Nr. 5 417 827 ist eine Silicium-Nickel-Legierung beschrieben. Obgleich Siliciumnitrid chemisch beständig ist, kann es vorkommen, dass die Nitride der Legierungselemente, die in der Überzugsschicht vorhanden sein können, nicht den gleichen Grad der Haltbarkeit aufweisen. So zersetzt sich beispielsweise Aluminumnitrid in heißem Wasser unter Bildung eines Aluminiumhydroxids.

In EP-A-536 607 ist ein härtbarer Metall-beschichteter Gegenstand bzw. Artikel beschrieben, der ein transparentes Glassubstrat, eine stabilisierende Schicht, einen Metallverbindungsfilm mit metallischen Eigenschaften und eine Schutzschicht umfasst, welche die Oxidation des Metallverbindungsfilms beim Erhitzen verhindert. Diese Schutzschicht kann unter anderem ausgewählt werden aus Siliciumoxynitrid und Siliciumaluminiumoxynitrid.

Wie hier angegeben, beschreiben die oben genannten Patente/Patentanmeldungen verschiedene Schutzschichten oder Schutzfilme, welche die darunterliegenden Überzugsschichten und/oder -filme schützen; wie oben diskutiert, weisen die derzeit verfügbaren Schutzschichten oder Schutzfilme jedoch Beschränkungen und/oder Nachteile auf. Es wäre daher vorteilhaft, über zusätzliche Schutzschichten oder -filme zu verfügen, welche darunterliegende Überzugsschichten und/oder -filme schützen, welche die Beschränkungen und/oder Nachteile der derzeit verfügbaren Schutzschichten minimieren, wenn nicht gar eliminieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen beschichteten Gegenstand bzw. Artikel, der einen funktionellen Überzug auf einem Substrat und eine Schutzschicht auf dem funktionellen Überzug aufweist, wobei der Schutzüberzug ausgewählt ist aus einem Siliciumoxynitrid- oder Siliciumaluminumoxynitrid-Überzug mit einem sich allmählich oder abrupt ändernden Sauerstoffgehalt, wobei die Oberseitenoberfläche des Schutzüberzugs einen erhöhten Sauerstoffgehalt aufweist im Vergleich zu der Unterseite des Schutzüberzugs. Bei dem erfindungsgemäßen Schutzüberzug kann es sich handeln um mindestens eine Schicht oder mindestens einen Film, die (der) auf einem Überzugsstapel oder einem Film unterhalb der (des) letzten abgeschiedenen Schicht oder Films abgeschieden worden ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abscheidung der Schutzschicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 bis 3 zeigen Seitenaufrissansichten von beschichteten Gegenständen bzw. Artikeln;

4 stellt ein Konturdiagramm dar, das die Änderung des Brechungsindex des Schutzüberzugs bei einer Wellenlänge von 550 nm (n550) als Funktion des Sauerstoffgehaltes in % in dem Gas zeigt, das während des Sputterns in die Beschichtungskammer strömt, und der Sputter-Energie in Kilowatt (kW) während der Abscheidung des Schutzfilms angibt;

5 stellt ein Konturdiagramm dar, in dem die Aluminiumverluste in Gew.-% aus dem Schutzüberzug nach dem Einwirkenlassen einer erhitzten Natriumchlorid-Lösung in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt in % in dem Gas, das während des Sputterns in die Beschichtungskammer strömt, und der Sputter-Energie in Kilowatt (kW) während des Sputterns des Schutzfilms angegeben sind;

6 stellt ein Konturdiagramm dar, das die physikalische Dicken-Abscheidungsrate des Schutzfilms als Funktion des Sauerstoffgehaltes in % in dem Gas, das während des Sputterns in die Beschichtungskammer strömt, und der Sputter-Energie in Kilowatts (kW) während des Sputterns des Schutzfilms anzeigt; und

7 stellt ein Konturdiagramm dar, das die optische Dicken-Abscheidungsrate des Schutzfilms als Funktion des Sauerstoffgehaltes in % in der Atmosphäre, die in die Sputter-Kammer strömt, und der Sputter-Energie in Kilowatt (kW) während des Sputterns des Schutzfilms anzeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschicht oder einen Schutzfilm, die (der) alle oder ausgewählte Vertreter der darunterliegenden Überzugsschichten oder -filme gegen mechanischen Abrieb und/oder chemischen Angriff schützt. In der nachfolgenden Diskussion umfasst der Ausdruck "Überzugsstapel" oder "Stapel" eine oder mehrere Überzugsschichten und/oder Überzugsfilme. Der Ausdruck "Überzugsschicht" oder "Schicht" umfasst einen oder mehrere Überzugsfilme oder Filme. In der nachfolgenden Diskussion werden die Ausführungsformen der Erfindung diskutiert anhand ihrer Schutzwirkung auf die darunterliegenden infrarotes Licht reflektierenden Metallschichten und Metalloxidschichten des Typs, wie er in den von der Firma PPG Industries, Inc. unter dem eingetragenen Warenzeichen SUNGATE vertrieben wird; wie jedoch für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt und er kann auch über jedem beliebigen Typ von Überzugsschichten verwendet werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung angewendet werden auf Überzüge, welche die allgemeine Konfiguration haben: Glas/M1/M3/dielektrisches Silicium(M2) worin bedeuten:

M1
einen Halbleiter oder eine Metalllegierung oder eine Kombination davon;
M2
ein Element, das mit Silicium in dem Siliciumlegierungstarget kombiniert ist; und
M3
die Metallverbindung, die während der Hochtemperaturverarbeitung, beispielsweise während des Härtens (Temperns) gegen Oxidation geschützt und stabilisiert werden soll.

Zwischen der Metallverbindung und dem dielektrischen Material auf Siliciumbasis kann eine optionale Zwischenschicht abgeschieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend diskutiert anhand des Schutzes der darunterliegenden infrarotes Licht reflektierenden Metallschicht, beispielsweise aus Silber oder Gold, und einer darunterliegenden Metalloxidschicht, die in der Regel in beschichteten Gegenständen bzw. Artikeln zu finden sind, die hier als beschichtete Gegenstände bzw. Artikel mit niedrigem Emissionsvermögen (Low-E) bezeichnet werden.

In der 1 ist ein Gegenstand bzw. Artikel 10 dargestellt, der einen auf ein Substrat 14 aufgesputterten Überzugsstapel 12 mit niedrigem Emissionsvermögen und eine erfindungsgemäße Schutzschicht 16 auf dem Beschichtungs- bzw. Überzugsstapel 12 aufweist. Das Substrat 14 kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, beispielsweise aus Kunststoff, Glas, Metall oder Keramik. Für die praktische Durchführung der Erfindung ist das Substrat vorzugsweise transparent, beispielsweise eine Nylon-, Glas- oder Mylar®-Kunststoffschicht bzw. -folie. In der nachfolgenden Diskussion besteht das Substrat aus Glas. Das Glas kann jede beliebige Zusammensetzung mit beliebigen optischen Eigenschaften haben, beispielsweise mit einem beliebigen Wert für die Durchlässigkeit für sichtbares Licht, die Durchlässigkeit für ultraviolettes Licht, die Durchlässigkeit für infrarotes Licht und/oder die Durchlässigkeit für die gesamte Sonnenstrahlungsenergie. Typen von Gläsern, die für die praktische Durchführung der Erfindung verwendet werden können, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind beschrieben in den US-Patenten Nr. 4 746 347; 4 792 536; 5 240 886; 5 385 872 und 5 393 593, auf deren Offenbarungen hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Der durch Sputtern aufgebrachte Überzugsstapel 12 kann eine beliebige Anordnung haben und umfasst, wie in 1 dargestellt, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, eine Basis- bzw. Trägerschicht 18, hier auch als dielektrische Schicht bezeichnet, eine Phasenanpassungsschicht oder eine Antireflixionsschicht; eine infrarotes Licht reflektierende Metallschicht 20, in der Regel ein Silberfilm, der aber auch aus irgendeinem anderen Edelmetall bestehen kann; eine Primer- oder Schutzschicht 22, die, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, ein abgeschiedener Film aus rostfreiem Stahl, ein abgeschiedener Kupferfilm oder ein abgeschiedener Titanfilm sein kann, und eine zweite dielektrische Schicht oder Antireflexionsschicht 24. Die Überzugsstapel 12, die einzelne Silberfilm Überzugsstapel darstellen, die für die praktische Durchführung der Erfindung verwendet werden können, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind in den US-Patenten Nr. 4 320 155; 4 512 863; 4 594 137 und 4 610 771 beschrieben. Auf die Offenbarungsinhalte dieser Patente wird hier ausdrücklich Bezug genommen. Für ein mit SUNGATE® 100 beschichtetes Glas bestehen die Schichten 18 und 24 aus Zinkstannat; die Primerschicht 22 ist als metallisches Kupfer abgeschieden und die Schicht 20 besteht aus Silber. Die Schicht 18 ist vorzugsweise auf der Luftoberfläche einer Glasplatte, ausgeschnitten aus einer Floatglas-Bahn, abgeschieden. Die Luftoberfläche ist die Oberfläche, die der Oberfläche der Floatglas-Bahn gegenüberliegt, die auf der Metallschmelze aufliegt, wie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4 055 407 beschrieben. Der vorstehend beschriebene Überzugsstapel 12 ist in den oben genannten US-Patenten Nr. 4 610 771 und 4 786 563 beschrieben.

Die nachstehend im Detail diskutierte erfindungsgemäße Schutzschicht 16 ist auf dem Überzugsstapel 12 abgeschieden.

In der 2 ist ein beschichteter Gegenstand bzw. Artikel 40 dargestellt, der einen Beschichtungsstapel 12 aufweist, wie er in der Regel in durch Sputtern beschichteten Gegenständen bzw. Artikeln mit niedrigem Emissionsvermögen zu finden ist, die zwei infrarotes Licht reflektierende Metallschichten aufweisen. Der Überzugsstapel 42 wird von dem Substrat 14 getragen. Im Allgemeinen umfasst der Überzugsstapel 42 eine Basis- bzw. Trägerschicht 44, die einen oder mehrere Filme aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien oder Antireflex-Materialien oder Phasenanpassungsmaterialien umfassen kann, eine erste infrarotes Licht reflektierende Metallschicht 46; eine Primerschicht 48, um den Abbau der Metallschicht 46 während des Aufbringens durch Sputtern einer dielektrischen Schicht oder einer Antireflexionsschicht oder einer Phasenanpassungsschicht 50 zu verhindern. Die dielektrische Schicht 50 kann einen oder mehrere Filme aufweisen. Auf der Schicht 50 ist eine zweite, infrarotes Licht reflektierende Metallschicht 52 abgeschieden. Eine zweite Primerschicht 54 ist auf der zweiten, infrarotes Licht reflektierenden Metallschicht 52 abgeschieden und eine dielektrische Schicht oder Antireflexionsschicht 56 ist auf der zweiten Primerschicht 54 abgeschieden.

Wie in der 2 weiter dargestellt, umfasst eine Doppelmetallschicht des reflektierenden Überzugsstapels, der für die praktische Durchführung der Erfindung vorzugsweise verwendet wird, einen Zinkstannatfilm 58 auf der Luftoberfläche eines Glassubstrats 14, das aus einer Floatglas-Bahn ausgeschnitten ist; einen Zinkoxidfilm 60 auf dem Zinkstannatfilm 58; einen Silberfilm 46 auf dem Zinkoxidfilm 60; einen auf den Silberfilm 46 aufgesputterten Titanmetallfilm, wobei das Titanmetall während des Aufsputterns des nächsten dielektrischen Films, d.h. eines Zinkoxidfilms, zu einem Titandioxidfilm 48 oxidiert wird; einen Zinkoxidfilm 62 auf der Primerschicht 48; einen Zinkstannatfilm 64 auf dem Zinkoxidfilm 62 und einen Zinkoxidfilm 66 auf dem Zinkstannatfilm 64; einen Silberfilm 52 auf dem Zinkstannatfilm 64; einen Titanmetallfilm 54, der auf dem Silberfilm 64 abgeschieden ist, der wie weiter oben angegeben zu Titandioxid oxidiert wird; ein Zinkoxidfilm 68 auf dem Titanoxidfilm 54 und einen Zinkstannatfilm 70 auf dem Zinkoxidfilm 68. Der Überzugsstapel 42 ist ein solcher des Typs, wie er in der publizierten EP-Patentanmeldung Nr. 0 803 381 beschrieben ist, die basiert auf der US-Patentanmeldung Nr. 08/807 352, eingereicht am 27 Febr. 1997 auf die Erfinder Mehran Arbab, Russell C. Criss und Larry A. Miller mit dem Titel "Coated Articles", auf deren Inhalt hier Bezug genommen wird, und der in den Produkten enthalten ist, die von der Firma PPG Industries, Inc: unter dem eingetragenen Warenzeichen SUNGATE® 1000 beschichtetes Glas und SUNGATE® 100T beschichtetes Glas vertrieben wird.

Die (der) nachstehend im Detail diskutierte erfindungsgemäße Schutzschicht oder Schutzfilm 16 ist auf dem Überzugsstapel 42 abgeschieden.

In der 3 ist ein beschichteter Gegenstand bzw. Artikel 80 dargestellt. Der Gegenstand bzw. Artikel 80 umfasst das Substrat 14, einen funktionellen Überzug 82, beispielsweise aus den in 1 und 2 diskutierten Typen, und die Schutzschicht 16, welche die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Abscheidung des funktionellen Überzugs 82 ist auf die vorliegende Erfindung nicht beschränkt und sie kann nach irgendeinem beliebigen Verfahren abgeschieden werden, beispielsweise durch Sputter-Beschichtung, durch galvanische Metallabscheidung und/oder durch pyrolytische Abscheidung.

Die erfindungsgemäße Schutzschicht 16 kann die letzte auf dem Überzugsstapel abgeschiedene Schicht sein oder sie kann eine Schicht sein, die unter einer äußersten Schicht 86 liegt, wie in 3 dargestellt. Beispielsweise und wie in der 3 weiterhin gezeigt, ist die erfindungsgemäße Schutzschicht 16 auf dem letzten Film aus dem funktionellen Überzug 82 abgeschieden zur Erzielung einer Schutzwirkung gegenüber mechanischem und chemischem Angriff, die gleich oder besser ist als die der bisher bekannten und verwendeten Schutzfilme; es können aber auch andere (weitere) Filme vorhanden sein, die eine bessere mechanische Haltbarkeit ergeben als die erfindungsgemäße Schutzschicht, die jedoch eine nicht so gute chemische Haltbarkeit ergeben wie die erfindungsgemäße Schutzschicht. In diesem Fall kann dann, wenn der Überzugsstapel während des Versands, während der Handhabung oder Verwendung harten mechanischen Bedingungen und chemischen Bedingungen ausgesetzt ist, eine dünne Schicht, beispielsweise die äußere Schicht 86, dazu verwendet werden, eine mechanische Haltbarkeit zu verleihen, und die Schutzschicht 16 unter der äußeren Schicht 86 verleiht eine chemische Schutzwirkung sowie eine mechanische Schutzwirkung. In einer weiteren Erläuterung wird in dem US-Patent Nr. 5 318 685 behauptet, dass Zinkoxid eine mechanische Schutzwirkung ergibt. Während das beschichtete Produkt versandt wird, kann eine mechanische Haltbarkeit erzielt werden durch die behaupteten Eigenschaften eines Zinkoxidfilms und eine zusätzliche mechanische Schutzwirkung kann erzielt werden durch die Schutzschicht der vorliegenden Erfindung. Vor der Verwendung des beschichteten Gegenstandes bzw. Artikels kann der Zinkoxidfilm 86 durch Waschen entfernt werden und die erfindungsgemäße Schutzschicht 16 bietet einen chemischen und mechanischen Schutz für den darunterliegenden Überzugsstapel.

Die Schutzschicht 16, welche die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist, umfasst einen Siliciumoxynitridfilm, dargestellt durch die folgende stöchiometrische Formel: Si3-2xO2xN4-4x worin x eine Zahl von größer als 0 und kleiner als 1 darstellt.

Wie für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, kann die Siliciumoxynitrid-Schicht eine einzelne Phase umfassen, die aus Silicium, Sauerstoff und Stickstoff besteht, oder sie kann ein Phasengemisch umfassen, das aus diesen Elementen besteht, beispielsweise ein Gemisch aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid und/oder Nitriden oder Oxynitriden der Legierungselemente. Außerdem kann, wie für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, die erfindungsgemäße Schutzschicht auf beliebige Weise abgeschieden werden. Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wird die Schutzschicht, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist, durch Magnetron-Sputtern oder Kathoden-Sputtern abgeschieden.

Das Magnetron-Sputtern eines Silicium-Targets in einer Atmosphäre aus Sauerstoff und Stickstoff oder in einer Atmosphäre aus Stickstoffoxid kann zu einer Schicht aus Siliciumoxynitrid führen, die sich auf dem Silicium-Target abscheidet. Wenn dies auftritt, nimmt die Sputtering-Rate beträchtlich ab. Durch Sputtern mit einem Radio-Frequenz (RF)-Magnetron wird das Problem vermindert. Um dieses Problem zu minimieren, wenn nicht gar zu eliminieren, wird ein Gleichstrom (D.C.)-Magnetron-Sputtern angewendet, welches das bevorzugte Sputter-Verfahren zum Beschichten von großen Flächen ist; das Target besteht aus einer Legierung aus Silicium und einem anderen Element, deren Kombination dem Target eine hohe elektrische Leitfähigkeit verleiht. Zu den anderen Elementen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Aluminium, Bor und/oder ein Übergangsmetall, wie z.B. Nickel. Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wurde ein Target aus Silicium verwendet, das etwa 15 Gew.-% Aluminium enthielt. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist jedoch klar, dass die Erfindung auf den Gewichtsprozentsatz des Aluminiums in dem Silicium-Target nicht beschränkt ist; es sollte jedoch eine ausreichende Menge Aluminium vorhanden sein, um das Target elektrisch leitfähig zu halten und dennoch die erfindungsgemäße Schutzschicht abzuscheiden. Für die praktische Durchführung der Erfindung geeignet sind Silicium-Targets, die etwa 1 bis 50, vorzugsweise 1 bis 25 Gew.-% Aluminium oder andere geeignete Legierungselemente enthalten.

Es wurde bestimmt, dass der Gewichtsprozentsatz an Aluminium in dem Überzug geringer ist als der Gewichtsprozentsatz an Aluminium in dem in einer reaktiven Atmosphäre gesputterten Target. Der Aluminiumgehalt des Films nähert sich demjenigen des Targets, wenn er in einer inerten Atmosphäre abgeschieden wird. Das gleiche ist zu erwarten für ein Kathoden-Sputtering eines Silicium-Targets, das andere (weitere) geeignete Legierungselemente enthalten kann. Durch das Sputtern eines Siliciumlegierungs-Targets mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit in einer Atmosphäre aus Sauerstoff und Stickstoff oder aus Stickstoffoxid erhält man einen gesputterten Überzug mit einer Zusammensetzungsformel, die Silicium, Sauerstoff, Stickstoff und ein geeignetes Legierungselement umfasst, bei dem es sich bei der praktischen Durchführung der Erfindung um Aluminium handelt.

Wegen der Komplexität des Oxynitrids von Silicium mit Aluminium (nachstehend als "Siliciumaluminiumoxynitrid" oder "SiAlON" bezeichnet) wurde der genaue Bereich der Zusammensetzung der Elemente dieser Verbindung bisher nicht bestimmt. Die Siliciummenge und der Prozentsatz oder die Menge an Silicium und Aluminium in dem SiAlON-Film kann durch Röntgenfluorezenz bestimmt werden; der Prozentsatz oder die Menge an Sauerstoff und/oder Stickstoff sind jedoch schwieriger zu bestimmen.

Um die Anwesenheit von Sauerstoff und Stickstoff in einem erfindungsgemäßen gesputterten Siliciumoxynitrid- und/oder Siliciumaluminiumoxynitrid-Film zu bestätigen, wurde die Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) angewendet. Die Konzentrationen des Sauerstoffs und des Stickstoffs wurden bisher jedoch nicht bestimmt, sondern können abgeleitet werden aus dem gemessenen Brechungsindex ("n"). So weist beispielsweise Siliciumnitrid ein n von etwa 2 bei einer Wellenlänge von 550 nm auf, nachstehend dargestellt durch die Formel n550, und Siliciumdioxid weist ein n550 von etwa 1,46 auf. Es ist zu erwarten, dass Siliciumaluminiumnitrid ein n550 von etwa 2 aufweist, bezogen auf Siliciumnitrid, das ein n550 von etwa 2 aufweist, und auf Aluminiumnitrid, das ein n550 von etwa 2 aufweist. Es ist zu erwarten, dass Siliciumaluminiumoxid ein n550 zwischen 1,46 und etwa 1,7 aufweist, bezogen auf Siliciumdioxid, das ein n550 von etwa 1,46 aufweist, und auf Aluminiumoxid, das ein n550 von etwa 1,7 aufweist. Es ist zu erwarten, dass die efindungsgemäße Schutzschicht innerhalb der oben genannten Bereiche liegt, insbesondere ist zu erwarten, dass ein Siliciumoxynitrid-Schutzfilm ein n550 innerhalb des Bereiches von etwa 1,46 bis 2 aufweist, und es ist zu erwarten, dass ein Siliciumaluminiumoxynitrid-Schutzfilm ein n550 innerhalb des Bereiches aufweist, der eine Untergrenze von größer als etwa 1,46 und eine Obergrenze von ≤ etwa 2 aufweist.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung kann Silicium mit Kombinationen von Oxiden, Nitriden und Oxynitriden dazu verwendet werden, den erfindungsgemäßen Schutzfilm zu ergeben. Wie nachstehend diskutiert, führt die Verwendung von Siliciumnitrid oder Kombinationen von Oxid, Nitrid oder Oxynitrid als Schutzschichten zu dauerhaften Überzügen mit einer erhöhten Flexibilität in Bezug auf die Auswahl der Farbe und des Reflexionsvermögens.

Die erfindungsgemäße Schutzschicht kann einen "abgestuften" Sauerstoffgehalt aufweisen oder der Sauerstoffgehalt ändert sich abrupt. Wie in der 1 dargestellt, ist die Oberfläche 90 der Schutzschicht, die Oberfläche, die dem Substrat am nächsten liegt und einen Teil der Grenzfläche zwischen der Schutzschicht 16 und der Schicht 24 darstellt, wie in 1 gezeigt, definiert als untere Oberfläche 90 der Schutzschicht 16; die Oberfläche 92, die der unteren Oberfläche 90 gegenüberliegt, wie aus 1 ersichtlich, ist definiert als die obere Oberfläche 92 der Schutzschicht. Die Schutzschicht ist "abgestuft", wenn der Anteil der Schutzschicht 16 zwischen der unteren Oberfläche 80 und der oberen Oberfläche 92 eine chemische Zusammensetzung hat mit einem im Wesentlichen zunehmenden Bruchteil an Sauerstoff und einem abnehmenden Bruchteil an Stickstoff, wenn man sich von der unteren Oberfläche 80 zu der oberen Oberfläche 92 hin bewegt. Der Sauerstoffgehalt der Schutzschicht kann sich abrupt ändern, wenn die Schutzschicht 16 von einer homogenen Schicht verschieden ist oder eine abgestufte Schicht ist. Beispielsweise können ausgewählte Abschnitte der Schutzschicht 16 zwischen den Oberflächen 90 und 92 homogen und/oder abgestuft sein und andere Abschnitte der Schutzschicht 16 können eine variable chemische Zusammensetzung, beispielsweise Änderungen der Konzentration des Sauerstoffanteils, aufweisen. Wie für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, kann die obere Oberfläche 92 und/oder die untere Oberfläche 90 der Schutzschicht aus Silicium, Aluminium, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid, Siliciumoxynitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid, Siliciumaluminiumnitrid oder Siliciumaluminiumoxid oder Kombinationen davon bestehen.

Vom optischen Standpunkt aus betrachtet ist es bei der praktisch Durchführung der Erfindung bevorzugt, dass die Schutzschicht aus Siliciumaluminiumoxynitrid oder Siliciumoxynitrid eine abgestufte Schicht darstellt. Eine abgestufte Schicht innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung kann auf die folgende Weise erhalten werden, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Außerdem ist der hier genannte Gasstrom das Gas, das während des Sputtering in die Beschichtungskammer hineinströmt, wenn nichts anderes angegeben ist. Die untere Oberfläche 90 der Schutzschicht kann sich nähern oder sein aus Siliciumaluminiumnitrid oder Siliciumnitrid. Um eine Schutzschicht abzuscheiden, werden die Sauerstoff- und Stickstoff-Gehalte des Gases variiert, sodass eine abgestufte Oxynitrid-Schicht erhalten wird, die in einer oberen Oberfläche 92 aus Siliciumaluminiumoxid oder Siliciumoxid enden kann, wenn der Stickstoffgehalt während der Abscheidung der Oberfläche Null beträgt. Alternativ kann die obere Oberfläche 92 aus Siliciumoxynitrid oder Siliciumaluminiumoxynitrid bestehen, wenn der Stickstoff-Gehalt während der Abscheidung der Oberfläche ausreichend größer als Null ist. In diesem Fall beträgt das n550 an der unteren Oberfläche 90 in der 1 etwa 2, das n550 für die obere Oberfläche 92 in der 1 kann nur etwa 1,46 betragen, wenn die obere Oberfläche 92 aus Siliciumaluminiumoxid oder Siliciumdioxid besteht, und die obere Oberfläche 92 besteht vorzugsweise aus Siliciumaluminiumoxynitrid oder Siliciumoxynitrid mit einem Wert innerhalb des Bereiches von etwas größer als etwa 1,46 und weniger als etwa 2,0 und besonders bevorzugt von mehr als 1,7 bis 1,8. Zwischen den unteren und oberen Oberflächen 90 und 92 nimmt das n550 kontinuierlich ab von etwa 2,00 auf etwa 1,46 oder höher, wie vorstehend diskutiert. Für den Fall, dass die Schutzschicht 16 in einer extrem chemisch korrosiven Umgebung verwendet werden soll, kann die untere Oberfläche 90 aus Siliciumaluminiumnitrid oder Siliciumnitrid bestehen, und wenn die Schutzschicht 16 abgeschieden wird, nimmt der Stickstoff-Gehalt in dem Gasstrom allmählich ab und der Sauerstoffgehalt in dem Gasstrom nimmt allmählich zu, wobei man eine Siliciumaluminiumoxynitrid-Schicht oder eine Siliciumoxynitrid-Schicht an der oberen Oberfläche erhält. Das n550 an der unteren Oberfläche 90 beträgt etwa 2, n550 an der oberen Oberfläche 92 beträgt etwa 1,7 bis 1,8 und zwischen der oberen Oberfläche 92 und der unteren Oberfläche 90 variiert das n550 zwischen etwa 2,00 und 1,7 bis 1,8. Wie ersichtlich, wurde in der oben genannten Diskussion das n550 der erfindungsgemäßen Schutzschicht berücksichtigt; die Schutzschicht 16 kann aber auch unter Betrachtung der optischen Dicke ("OT") diskutiert werden. Für eine abgestufte Schutzschicht oder Schutzschicht mit einem sich abrupt ändernden Sauerstoffgehalt kann die OT nach der folgenden Formel oder durch praktische Messungen bestimmt werden. Die OT einer abgestuften Schutzschicht und einer Schutzschicht mit sich abrupt änderndem Sauerstoffgehalt kann unter Verwendung der folgenden Gleichung (1) bestimmt werden:

worin bedeuten:
OT
die optische Dicke;
n550
den Brechungsindex bei einer gegebenen Wellenlänge an dem gegebenen Punkt t' in der Schutzschicht;
t'
den Abstand entlang einer Geraden senkrecht zu und zwischen den Oberflächen 90 und 92, und
t
die physikalische Dicke der Schutzschicht.

Wie ersichtlich kann dann, wenn die Schutzschicht homogen ist, die Gleichung 1 umgeformt werden unter Bildung der nachfolgenden Gleichung 2: OT = n550t(2) worin OT, n550 und t wie oben definiert sind.

Die abgestufte Schicht und die Schutzschicht mit sich abrupt änderndem Sauerstoffgehalt gemäß der vorliegenden Erfindung erlauben die Einstellung der Farbe des Gegenstandes bzw. Artikels durch Variieren der Werte für n550 und der physikalischen Dicke der Schutzschicht 16.

Zur Erläuterung der Erfindung wurde ein Versuch durchgeführt, um die Variationen der Eigenschaften der homogenen Siliciumaluminiumoxynitrid-Schicht als Funktion des Sauerstoffgehaltes in dem Gasstrom während des Sputterns zu untersuchen. Danach wurde der Gasstrom, der in die Sputtering-Kammer eingeführt wurde, gemessen, die jeweilige Atmosphäre in der Sputtering-Kammer war nicht bekannt. Alle Proben der nachstehenden Diskussion wurden, wenn nichts anderes angegeben ist, beschichtet unter Verwendung einer Inline-Labor-Beschichtungsvorrichtung mit zwei Airco ILS 600-Kammern.

Es wurden 21 Stücke eines klaren Sodakalk-Silicatglases mit den Dimensionen 0,3 m × 0,3 m × 2,3 mm (Dicke) (12 inch × 12 inch × 0,0092 inch) hergestellt. Auf jedem Glasstück wurden Auslöschungslinien erzeugt, die entlang der Länge der Stücke in gleichem Abstand von den Rändern der Stücke verliefen, unter Verwendung einer Aceton-löslichen Tinte vor dem Sputter-Beschichten der Glasstücke. Ein Stück aus einer Mylar®-Kunststofffolie mit den Dimensionen 10,2 cm × 10,2 cm × 0,013 cm (Dicke) (4 inches × 4 inches × 0,005 inch) wurde auf die Oberfläche jedes zu beschichtenden Glasstückes gelegt. Die Mylar®-Folie und die Auslöschungslinien waren in einem Abstand voneinander angeordnet. Jede Probe wurde fünfmal durch die Beschichtungskammer hindurchgeführt, d.h. mit jeder Probe wurden fünf Kathoden-Durchgänge durchgeführt. Nach dem Beschichten wurde der Überzug auf der Tinte mit einem Aceton-getränkten Laborgewebe abgewischt, um die Auslöschungslinien zu entfernen, und der auf dem Glasstück verbleibende Überzug ergab eine Stufe zur Messung der Filmdicke des Überzugs, beispielsweise unter Verwendung eines Tencor P1-Stylus Profilometers. Der auf der Mylar®-Kunststofffolie abgeschiedene Siliciumaluminiumoxynitridfilm wurde zur Durchführung von Röntgenfluoreszenz (XRF)-Analysen verwendet. Eine Mylar®-Kunststofffolie wurde verwendet, weil sie im Gegensatz zu dem Glasstück frei von Silicium und Aluminium ist.

In der folgenden Tabelle 1 ist in Spalte 1 der Sauerstoffgehalt (O2) in % in dem Gesamtgas, das in die Sputtering- oder Beschichtungskammer während des Sputterns der Glasstücke einströmte, angegeben, die der Kathode während des Sputterns zugeführte Energie in Kilowatt (kW) ist in der Spalte 2 angegeben, die Kathodenspannung (V) während des Sputterns ist in der Spalte 3 angegeben, die n550-Werte des durch Sputtern aufgebrachten Films sind in der Spalte 4 angegeben, der Extinktionskoeffizient (k) bei einer Wellenlänge von 550 nm ist in der Spalte 5 angegeben, die physikalische Dicke des abgeschiedenen Films in Angström (Å) ist in der Spalte 6 angegeben und das Verhältnis zwischen Aluminium und Summe von Aluminium + Silicium (Al/(Al+Si)) in der Überzugsschicht, wie sie auf der Mylar®-Kunststofffolie abgeschieden worden war, in Gew.-% ist in der Spalte 7 angegeben.

Die physikalische Überzugsschicht-Abscheidungsrate kann aus den Daten der Tabelle 1 erhalten werden durch Dividieren der Schichtdicke durch das Produkt aus der Sputtering-Energie und der Anzahl der Kathodendurchgänge, die in diesem Fall fünf betrug. Die optische Abscheidungsrate der Überzugsschicht kann erhalten werden aus den Daten der Tabelle 1 durch Multiplizieren der physikalischen Abscheidungsrate mit dem Brechungsindex.

Das spektrale Reflexionsvermögen (Remission bzw. Reflexionsfaktor) der beschichteten Glasoberfläche und die spektrale Durchlässigkeit (Transmissionsfaktor) der Proben 1 bis 21 wurden über einen Wellenlängenbereich von 380 bis 720 nm unter Verwendung eines Spectrogard-Colorimeters bestimmt. Der Brechungsindex wurde für jeden Film bestimmt durch Einsetzen der Spektraldaten durch eine Cauchy-Parameterisierung über diesen Wellenlängenbereich. Der Extinktionskoeffizient k wurde für jeden Film bestimmt durch Einsetzen der Spektraldaten durch eine exponentielle Parameterisierung über den gleichen Wellenlängenbereich; das Einsetzen wurde durchgeführt unter Verwendung der VASE Software von der Firma J. A. Woollam Company, Lincoln, NE.

Die 4 stellt ein Konturdiagramm dar, das die Änderung von n550 als Funktion des Sauerstoffgehaltes in % in dem Gasstrom in Standard-cm3 pro min (sccm) und der Sputtering-Energie während des Sputterns in kW zeigt. Das Konturdiagramm der 4 wurde erstellt unter Verwendung eines im Handel erhältlichen statistischen Analysen-Softwarepakets und ist ein Response-Oberflächenmodell, das abgestimmt ist auf die Brechungsindex-, Sauerstoffstrom- und Energie-Daten der Tabelle 1. Die Konturen der 4 zeigen eine Abnahme des Brechungsindex des abgeschiedenen Films, wenn der Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom von 0 auf 20 % zunimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass oberhalb 10 bis 12 % Sauerstoff in dem Gasstrom die Änderungsrate des Brechungsindex sich abzuflachen scheint. Bei allen Energiewerten und bei einem Sauerstoffgehalt zwischen 0 und 15 % in dem Gasstrom nimmt der Brechungsindex mit steigendem Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom ab. Eine geringfügige Zunahme der Response-Oberfläche mit steigender Sputtering-Energie bei konstantem Sauerstoffstrom lässt eine mögliche Zunahme der Abhängigkeit von dem Brechungsindex bei der Sputtering-Energie vermuten.

Die Absorption der Oxynitrid-Schichten ist gering, wie die kleinen Extinktionskoeffizienten (k) zeigen, die in der Spalte 5 der Tabelle 1 aufgezählt sind. Der maximale k-Wert beträgt 0,0045 bei einer Wellenlänge von 550 nm, was anzeigt, dass der Oxynitridfilm hochtransparent ist und dass die Durchlässigkeit des beschichteten Gegenstandes bzw. Artikels durch die Absorption nicht merklich abnimmt, wenn die Schutzschicht verwendet wird.

Die Silicium- und Aluminium-Gehalte der Überzugsschicht auf der Mylar-Folie der Proben 1 bis 21 wurden quantitativ bestimmt durch Röntgenfluoreszenz (XRF) und sind in der Tabelle 2 angegeben. In der Tabelle 2 ist in der Spalte 1 die Silicium-Masse (Si) in &mgr;g/cm2 in der Überzugsschicht auf der Kunststofffolie angegeben. In der Spalte 2 ist die Aluminium-Masse (Al) in &mgr;g/cm2 in der Überzugsschicht auf der Kunststofffolie angegeben. In der Spalte 3 ist das Verhältnis in % zwischen der Aluminiummasse (Al) und der Gesamtmasse von Aluminum (Al) plus Silicium (Si) (Al/(Al+Si)) in der Überzugsschicht auf der Mylar®-Kunststofffolie angegeben. In der Spalte 4 ist die Aluminummasse (Al) in &mgr;g/cm2 für die Überzugsschicht auf Glas ("cfg") vor Durchführung des nachstehend beschriebenen Tests mit heißem Salzwasser angegeben. In der Spalte 5 ist die Aluminummasse (Al) in &mgr;g/cm2 für die Überzugsschicht auf cfg nach Durchführung des Tests mit heißem Salzwasser angegeben. In der Spalte 6 ist der Aluminiumverlust in Gew.-% des Überzugs auf cfg nach Durchführung des Tests mit heißem Salzwasser angegeben.

Zur Durchführung des Tests mit heißem Salzwasser wurden zwei beschichtete Segmente aus jedem der Glasstücke herausgeschnitten. Der heiße Salzwassertest besteht darin, dass man die beschichteten Glassegmente in eine 2,5 gew.-%ige Lösung von Natriumchlorid in entionisiertem Wasser 2,5 h lang bei 75 °C (167 °F) legt. Die Segmente werden entnommen, in entionisiertem Wasser gespült und mit unter Druck stehendem Stickstoff getrocknet. Dann werden die Segmente durch Anwendung eines XRF-Verfahrens zur Bestimmung des Aluminium-Verlustes analysiert.

Die 5 zeigt ein Kontur-Diagramm, in dem die Daten der Tabellen 1 und 2 für den Aluminium-Verlust in % nach Durchführung des heißen Salzwassertests als Funktion des Sauerstoffgehaltes in % in dem Gasstrom in sccm und der Sputtering-Energie in kW verwendeten wurden. Die Kurven der 5 wurden auf ähnliche Weise erzeugt wie die Kurven der 4. Ein minimaler Aluminium-Verlust ist angegeben bei etwa 10 bis 15 % O2 in dem Sauerstoffstrom für eine Sputtering-Energie von etwa 2 bis 3 kW. Bei der höchsten Energie von 4 kW nimmt der Aluminium-Verlust kontinuierlich ab mit steigendem Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom. Es wird angenommen, dass der Aluminiumverlust umso höher ist, je weniger stabil und je weniger chemisch haltbar die Überzugsschicht ist, und umgekehrt.

Die 6 zeigt ein Konturdiagramm, in dem die Daten der Tabelle 1 in Bezug auf die physikalische Beschichtungsrate als Funktion des Sauerstoffgehaltes in % in dem Gasstrom, der in die Sputtering-Kammer während des Sputterns eingeführt wird, in sccm und die Sputtering-Energie in kW verwendet wurden. Die Kurven der 6 wurden auf die gleiche Weise erzeugt wie die Kurven der 4. Das Konturdiagramm weist eine Änderung der Krümmung innerhalb der Grenzwerte des experimentellen Aufbaus auf. Bei einer niedrigen Energie (2 kW) steigt die physikalische Abscheidungsrate zuerst an mit steigendem Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom, erreicht ein Maximum bei etwa 10 % Sauerstoff in dem Gasstrom und nimmt dann wieder ab. Dies lässt vermuten, dass der Sauerstoff durch das Sputtering-Verfahren bis zu 10 % Sauerstoff in dem Gasstrom bei einem Energie-Wert von 2 kW vollständig verbraucht wird; Sauerstoffströme mit über 10 % O2 stellen einen Überschuss an Sauerstoff gegenüber dem Strom der Silicium- und Aluminiumatome dar, die von dem Target gesputtert werden, was seinerseits zu einer zunehmenden Oxidation der Target-Oberfläche und zu einer verminderten Abscheidungsrate führt.

Im Gegensatz dazu steigt die Abscheidungsrate bei einer hohen Energie (4 kW) kontinuierlich an mit steigendem Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom; es ist kein Maximum in der Abscheidungsrate festzustellen. Dies lässt vermuten, dass der Strom der von dem Silicium-Aluminium-Legierungstarget gesputterten Atome ausreichend hoch ist, um den gesamten Sauerstoff bis zu 20 % Sauerstoff in dem Gasstrom bei 4 kW vollständig zu verbrauchen. Ein Übergang zwischen den beiden Zuständen tritt bei mittleren Energiewerten auf. Erwartungsgemäß zeigt das Konturdiagramm einen Anstieg der Abscheidungsrate, wenn die Sputtering-Energie auf über 2,5 kW ansteigt bei einem hohen Sauerstoffgehalt in % in dem Strom, beispielsweise von 20 % Sauerstoff in dem Gasstrom; eine geringfügige anfängliche Abnahme der Rate zwischen 2 und 2,5 kW bei 20 % Sauerstoff kann ein Artefakt der Konturanpassung sein. Das Diagramm der 6 kann dazu verwendet werden, die Abscheidungsrate der Überzugsschicht zu optimieren.

Die 7 zeigt ein Konturdiagramm der optischen Abscheidungsrate als Funktion des Sauerstoffgehaltes in dem Gasstrom während des Sputterns und der Sputtering-Energie in kW. Die Kurven der 7 wurden aus den Daten der Tabelle 1 auf ähnliche Weise wie die Kurven der 4 erstellt. Die 7 zeigt, dass bei 0 % Sauerstoff und 20 % Sauerstoff in dem Gasstrom die Variation der optischen Abscheidungsrate ähnlich der physikalischen Abscheidungsrate ist. Dies war zu erwarten aufgrund des Umstandes, dass der Brechungsindex (bei konstantem Sauerstoffgehalt in dem Gasstrom) nur geringfügig abhängt von der Sputtering-Energie (vgl. 4); daher sollte der Trend in Bezug auf die optische Abscheidungsrate bei konstantem Sauerstoffstrom ähnlich demjenigen der physikalischen Abscheidungsrate sein. Im Gegensatz dazu nimmt die optische Abscheidungsrate kontinuierlich ab bei einer niedrigen Sputtering-Energie (2 kW), wenn der Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom zunimmt; dies ist eine Folge des abnehmenden Brechungsindex mit steigendem Sauerstoffgehalt in dem Gasstrom. Es sei darauf hingewiesen, dass die optische Abscheidungsrate nahezu und in neuartiger Weise unabhängig dem Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom bei einer höheren Energie (4 kW) ist. Offensichtlich wird die Abnahme des Brechungsindex mit steigendem Sauerstoffgehalt in dem Gasstrom aufgewogen durch die schnelle Zunahme der physikalischen Abscheidungsrate (6) bei hoher Energie.

In der nachfolgenden Diskussion wurde, wenn nichts anderes angegeben ist, wie nachstehend beschrieben eine Trübung festgestellt. Ein beschichtetes Teststück aus Glas ("Coupon") wurde behandelt, um die Oberfläche wie nachstehend diskutiert zu beeinflussen. Die Coupons wurden einzeln mit dem bloßen Auge in einem dunklen Raum mit einem Flutlicht von etwa 150 Watt betrachtet. Der Coupon wurde vor dem Licht angeordnet und seine Position wurde eingestellt relativ zu dem Licht, um die Trübung zu maximieren. Die festgestellte Trübung wurde dann in einem 12-Einheiten-System von A+ bis D- bewertet, wobei A+ steht für trübungsfrei. Eine geringe Trübung lässt vermuten, dass die Schutzschicht die darunterliegenden Überzüge gegen einen ungleichförmigen chemischen Abbau schützt, der seinerseits eine Streuung des sichtbaren Lichtes verursacht.

Bei Verwendung einer abgestuften Siliciumaluminiumoxynitrid-Schicht als Decküberzug ist eine Stabilität in Bezug auf die Zusammensetzung und die Farbe zu erwarten, sowie eine höhere optische Dichte gegenüber derjenigen einer homogenen Siliciumaluminiumoxynitrid-Schicht mit der gleichen physikalischen Dicke.

An der Luft-Grenzfläche beispielsweise mit der oberen Oberfläche 92 der Schutzschicht 16 (vgl. 1) hat der abgestufte Index-Decküberzug vorzugsweise in erster Linie eine Oxynitrid-Zusammensetzung, die einen maximalen Schutz ergibt.

Die Tabelle 1 weist Daten auf, die zeigen, dass die optische Dicke der Siliciumaluminumoxynitride (Werte der Spalte 4 multipliziert mit den Werten der Spalte 6) eine Funktion der unterschiedlichen Sauerstoff-Prozentsätze des Gasstromes und der Sputtering-Energie ist. Diese Daten zeigen, dass bei einer gegebenen Target-Energie von beispielsweise 3 kW mit steigendem Sauerstoffgehalt in % in dem Gasstrom die optische Dicke des Oxynitrid-Überzugs abnimmt (vgl. die Proben 2, 6, 13, 14, 19 und 20). In der 6 zeigt das Kontur-Diagramm, dass für kleine Sauerstoff-Prozentsätze in dem Gasstrom, der in die Sputtering-Kammer während der Sputterns eingeführt wird, die Abscheidungsrate der Silicium enthaltenden Filme, ausgedrückt als Å/kW/Durchgang, höher ist als in reinem Stickstoff. Wenn der Sauerstoff-Prozentsatz in dem Gasstrom zunimmt von beispielsweise 5 auf 10 % in Abhängigkeit von der Target-Energie, beginnt die Abscheidungsrate abzunehmen. Bei der praktischen Durchführung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die untere Oberfläche 90 der Schutzschicht in erster Linie eine Siliciumnitrid-Zusammensetzung mit einem wesentlich höheren Brechungsindex als die obere Oberfläche 92 ist. Zwischen den Oberflächen 90 und 92 kann der Sauerstoffgehalt in dem Gas in % entweder allmählich oder abrupt zunehmen, je nach Aufbau des Überzugs und je nach Abscheidungsverfahren. Der Anstieg der Sauerstoffkonzentration in dem Film führt zu einer entsprechenden Abnahme des Brechungsindex der Schutzschicht. Dieser Decküberzug mit abgestufter Zusammensetzung weist eine bessere chemische Stabilität auf als ein homogener Siliciumnitrid-Film und er hat eine höhere optische Dicke als ein homogener Oxynitrid-Film.

In der Praxis kann in einer Inline-Produktions-Beschichtungseinrichtung eine Kammer der Abscheidung des Decküberzugs gewidmet sein. Bei den derzeitigen magnetischen Sputter-Vakuumabscheidungs-Beschichtungsaufbauten kann die Abscheidungskammer bis zu drei Abscheidungsabschnitte umfassen, wobei jeder Abschnitt ein oder zwei Targets enthält. Deshalb können insgesamt bis zu 6 Targets für die Abscheidung der homogenen, abgestuften oder nicht-homogenen Schutzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung verfügbar sein. Die nachstehende Beschreibung stellt ein Beispiel für die Abscheidung der abgestuften Oxynitrid-Schutzschicht dar, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Durch frei Haupt-Gasleitungen strömt Stickstoff in alle Kammern, während ein kontrollierter Sauerstoffstrom nur in die letzte Kammer durch eine Hilfsgasrohrleitung fließt. Die letztgenannte Rohrleitung ist nahe bei der stromabwärts gelegenen Hochvakuum-Pumpstation angeordnet. Das Target, das dieser Hilfsgasrohrleitung am nächsten ist, scheidet den äußersten Teil des Überzugs ab, der den höchsten Gehalt an Sauerstoff in dem Decküberzug aufweist. Dieser Teil des Decküberzugs hat den niedrigsten Brechungsindex innerhalb seiner Dicke. Der Rest des Decküberzugs kann eine abnehmende Menge an Sauerstoff enthalten, dessen Konzentration in erster Linie durch die Stromaufwärts-Diffusion des Sauerstoffs aus der Hilfs-Glasrohrleitung kontrolliert wird.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung ist es bevorzugt, eine Siliciumaluminiumoxynitrid-Schutzschicht anstelle einer Siliciumaluminiumnitrid-Schutzschicht zu haben, weil Siliciumaluminiumoxynitrid gegen chemischen Angriff beständiger ist. Ein Siliciumaluminiumoxynitrid-Decküberzug von etwa gleicher Dicke wie ein Siliciumaluminiumnitrid-Decküberzug bietet einen besseren Schutz für Überzüge mit niedrigem Emissionsvermögen und es ist zu erwarten, dass er einen ähnlichen Schutz wie andere Typen von durch Sputtern aufgebrachten Überzügen bietet.


Anspruch[de]
  1. Beschichteter Gegenstand des Typs mit einer funktionellen Beschichtung auf einem Substrat und einer Schutzschicht über der funktionellen Beschichtung, wobei die Schutzschicht ausgewählt ist aus einer Siluciumoxynitrid- oder Siliciumaluminiumoxynitridschicht mit einem sich graduell oder abrupt ändernden Sauerstoffgehalt, wobei die äußere Oberfläche der Schutzschicht einen erhöhten Sauerstoffgehalt im Vergleich zu der Bodenfläche der Schutzschicht aufweist.
  2. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Siliciumoxynitridbeschichtung die folgende Formel aufweist: Si3·2xO2xN4·4x worin x größer als 0 und kleiner als 1 ist.
  3. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Siliciumaluminiumoxynitridbeschichtung eine Zusammensetzung oder Mischung einer einzelnen Phase oder Phasen, die Silicium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff enthalten, ist.
  4. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 3, wobei die Schutzschicht eine Siliciumaluminiumoxynitridbeschichtung ist.
  5. Beschichteter Gegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Schutzschicht zwischen 50 und 200 Ångstrom beträgt.
  6. Beschichteter Gegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Schutzschicht, die am weitesten von dem Substrat entfernt ist, in Kontakt mit einem äußeren Film ist.
  7. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 6, wobei der äußere Film ausgewählt ist aus Siliciumnitrid, Siliciumdioxid und Zinkoxid.
  8. Beschichteter Gegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die funktionelle Beschichtung ein durch Sputterbeschichtung aufgebrachter Film ist.
  9. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die durch Sputterbeschichtung aufgebrachte funktionelle Schicht eine Beschichtung mit niedrigem Emissionsvermögen mit einem Infrarotreflektierenden Metallfilm zwischen einem Paar dielektrischer Filme ist.
  10. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die durch Sputterbeschichtung aufgebrachte funktionelle Schicht eine Beschichtung mit niedrigem Emissionsvermögen mit wenigstens zwei Infrarot-reflektierenden Metallfilmen ist, wobei jeder dieser Filme sich zwischen zwei dielektrischen Filmen befindet.
  11. Beschichteter Gegenstand nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei sich ein Primerfilm zwischen dem Metallfilm und einem der dielektrischen Filme befindet.
  12. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 11, wobei der Primerfilm aus 80 % Titan und 20 % Aluminium besteht.
  13. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Glassubstrat ist und die funktionelle Schicht beinhaltet:

    eine dielektrische Schicht auf dem Glassubstrat, die als erster dielektrischer Film definiert ist,

    eine Infrarot-reflektierende Metallschicht über der dielektrischen Schicht,

    einem Primerfilm auf dem Infrarot-reflektierenden Metallfilm und eine dielektrische Schicht, die als zweiter dielektrischer Film definiert ist, über dem Primerfilm.
  14. Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 13, wobei die funktionelle Beschichtung weiterhin beinhaltet:

    eine Infrarot-reflektierende Metallschicht, die als zweiter Metallfilm definiert ist, über dem zweiten dielektrischen Film,

    eine Primerschicht auf dem zweiten Metallfilm,

    eine dielektrische Schicht, die als dritte dielektrische Schicht definiert ist, über der zweiten Primerschicht.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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