Temperbares Solar Control Schichtsystem und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein temperbares Solar Control

Schichtsystem auf transparenten Substraten mit einstellbarer Reflexionsfarbe und Transmission und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Derartige Schichtsysteme werden, auf Glas mittels Vakuumbe- Schichtung aufgebracht, hauptsächlich in der Architektur zur Fenster- und Fassadengestaltung und in der Automobilindustrie verwendet. In beiden Anwendungsgebieten müssen die Schichtsysteme chemisch beständig und mechanisch haltbar sein, wobei es für die vergleichbare Beurteilung dieser Ei- genschaften standardisierte Tests gibt, wie zum Beispiel das Kochen in 5%iger Salzsäure und verschiedene Abriebtests.

Gleichzeitig müssen die Schichtsysteme ein hohes Maß an Durchlässigkeit für das sichtbare Licht (Transmission) , bevorzugt sind Transmissionswerte von ca. 75% bis 80%, und ein hohes Maß an Reflexionsvermögen für Strahlung im Wellenlängenbereich von wenigen μm, dem so genannten nahinfraroten Bereich, aufweisen. Diese speziellen wellenlängenabhängigen Transmissions- und Reflexionseigenschaften kennzeichnen die Schichtsysteme, welche vorrangig dem Sonnenschutz dienen, die bekannten Solar-Management (auch Solar Control) -Systeme . In besonderen Anwendungsfällen ist jedoch auch ein hohes Reflexionsvermögen im ferneren Infrarotbereich erforderlich, welches sich im Emissionsverhalten des Schichtsystems widerspiegelt .

Ein weiteres wesentliches Charakteristikum des betreffenden, auf Glas aufgebrachten Sonnenschutzschichtsystems ist die Möglichkeit der Wärmebehandlung, wie sie beispielsweise beim Tempern zur Herstellung von Sicherheitsglas für Architektur und die Fahrzeugindustrie oder bei der Formgebung von Glas

für Windschutzscheiben angewendet wird. Da es in verschiedenen Anwendungsfällen erforderlich ist, zur kostengünstigen Herstellung und Erzielung homogener Schichten die Beschich- tung vor der Wärmebehandlung durchzuführen, müssen die Schichtsysteme mechanische, chemische und optische Eigenschaften aufweisen, welche sich bei den verschiedenen Wärmebehandlungen mit je nach Anwendungsfall unterschiedlichem Temperatur- und Zeitregime nicht oder nicht wesentlich verschlechtern .

In US 6,159,607 wird ein Schichtsystem beschrieben, welches diesen Anforderungen im Wesentlichen gerecht wird. Danach wird eine Metallschicht aus Nickel oder einer Legierung davon, welche die erforderlichen Reflexionseigenschaften für die Infrarotstrahlung aufweist, von einer stöchiometrischen Siliziumnitridschicht (Si ₃ N ₄ ) überdeckt, die wiederum das Schichtsystem mechanisch und chemisch beständig macht.

Die nickelhaltige Metallschicht weist keine Verschlechterung des Emissionsvermögens infolge der Wärmebehandlung auf. Jedoch ist festgestellt worden, dass im Verlauf der Wärmebe- handlung Diffusionsprozesse insbesondere des Stickstoffs aus der Siliziumnitridschicht in die Metallschicht und des Nickels in umgekehrter Richtung vonstatten gehen.

Infolge dieser Prozesse kommt es in Abhängigkeit von Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung zu Farbverschiebungen des Schichtsystems gegenüber nicht wärmebehandelten Schichtsystemen, was insbesondere für die Anwendung in der Architektur unerwünscht ist. Denn in der Fassadengestaltung wird aus Kostengründen lediglich dort wärmebehandeltes Sicherheitsglas eingesetzt, wo es zur Unfallverhütung tatsächlich erforderlich ist, so dass nicht wärmebehandeltes und wärmebehandeltes stets nebeneinander eingesetzt sind und somit eventuelle Farbunterschiede besonders in Erscheinung treten.

Da derartige Farbunterschiede auch für infrarotreflektierende Schichtsysteme im weiteren Infrarotbereich bei Wellenlän-

gen von ungefähr 10 μm unerwünscht sind, wurden in einem in WO 02/092527 beschriebenen, solchen Schichtsystem zwischen der Reflexionsschicht und einem darüber angeordnetem dielektrischen Layer, der auch aus Silizium-Nitrid bestehen kann, eine so genannte Anti-Migrationsschicht, vorzugsweise Nickel-Chrom-Oxid enthaltend, eingefügt. Diese Anti- Migrationsschicht soll die zu den Farbunterschieden führenden Diffusionsvorgänge während und nach der Wärmebehandlung kompensieren. Jedoch hat es sich in der Praxis erwiesen, dass das nur für bestimmte Wärmebehandlungsprozesse gelingt.

Eine andere Möglichkeit, die Farbunterschiede von nebeneinander verwendeten, wärmebehandeltem und nicht wärmebehandeltem Glas zu vermeiden wird in EP 0646 551 beschrieben. Danach werden mit einer weiteren Siliziumnitridschicht unter- halb der infrarotreflektierenden Metallschicht sowie variablen Dicken einer oder beider Siliziumnitridschichten neben den mechanischen und chemischen insbesondere die optischen Eigenschaften es Schichtsystems gezielt eingestellt, wodurch sich gezielte, geringe Farbabweichungen genau so herstellen lassen, dass nach der Wärmebehandlung keine sichtbaren Farbunterschiede mehr vorhanden sind und diese beschichteten Gläser innerhalb einer Fassade anwendbar sind. Jedoch müssen dafür zwei verschiedene, genau aufeinander und auf die Wärmebehandlung abgestimmte Schichtsysteme hergestellt werden. Dieser Abgleich der Schichtsysteme ist für jede der einzusetzenden Farben notwendig und deshalb sehr kostenintensiv und unflexibel sowie nur in den Grenzen möglich, welche die erforderliche mechanische und chemische Beständigkeit des jeweiligen Schichtsystems zulässt.

Die Verwendung von verschiedenen, aufeinander abgestimmter Schichtsysteme in einem Anwendungsfall lässt sich nur durch Schichtsysteme verhindern, welche ihre optischen Eigenschaften auch bei solchen Wärmebehandlungen nicht wesentlich ändern, bei denen hinsichtlich Dauer und Behandlungstemperatur die innerhalb der verschiedenen Prozesse üblichen Bereiche

ausschöpfbar und gleichzeitig beide Parameter flexibel wählbar sind. Zu diesem Zweck wird in US 6,524,714 ein Schichtsystem beschrieben, welches anstelle der bekannten nickel- haltigen Reflexionsschicht eine zumindest teilweise nitri- dierte Metallschicht verwendet, vorzugsweise ein nickel- oder chromhaltiges Metallnitrid. Hierbei wird der Grad der Nitridierung des Metalls durch den Stickstoffanteil im Arbeitsgas des Beschichtungsabschnittes reguliert, in welchem das Metall aufgebracht wird.

Durch die Nitridierung der reflektierenden Metallschicht werden die beschriebenen Diffusionsprozesse im Schichtsystem, insbesondere des Stickstoffs, und somit dessen Farbverschiebungen zumindest im Rahmen der beschriebenen Wärmebehandlungen von 10 Minuten bei 625°C vermindert. Als Ver- gleich dient dabei ein Schichtsystem, welches dieselbe, jedoch nitridfreie Metallschicht umfasst und derselben Wärmebehandlung unterzogen wurde.

Jedoch ist mit der Nitridierung des Metalls neben der Verringerung der mechanischen und chemischen Beständigkeit eine Verschlechterung der Reflexionseigenschaften insbesondere im Infrarotbereich verknüpft. Die verringerte Beständigkeit ist zwar durch eine Modifizierung der Siliziumnitridschichten ausgleichbar, jedoch ist damit in jedem Fall wiederum eine änderung der optischen Eigenschaften verbunden, so dass ein Kompromiss zwischen der Farbverschiebung und der Beständigkeit zu finden ist.

Des Weiteren ist es erforderlich, ein solches reflektierendes Schichtsystem auch flexibleren Wärmebehandlungsprozessen zu unterziehen und dabei die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften zu erfüllen .

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein mittels Vakuumbeschichtung auf Glas aufbringbares Sonnenschutzschichtsystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung darzu-

stellen, welches variabel wärmebehandelbar ist und dabei unter Beibehaltung der chemischen und mechanischen Beständigkeit keine sichtbare Farbverschiebung aufweist.

Die Aufgabe wird durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 23. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das temperbare, sichtbares Licht reflektierende und absorbierende Schichtsystem zur Beschichtung von dielektrischen Substraten SO enthält auf dem Substrat SO in dieser Reihenfolge mindestens eine transparente, hochbrechende dielektrische Schicht S2, eine funktionelle metallische Reflexionsund Absorberschicht S4 und eine transparente, hochbrechende dielektrische Schicht S6.

Das erfindungsgemäße Solar Control Schichtsystem ermöglicht es, die Reflexionsfarbe und die Transmission einzustellen.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Brechungsindex mindestens einer der Schichten S2 und S6 bei Licht der Wellenlänge 550 nm zwischen 2.0 und 2.5 beträgt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht S2 aus einem Oxid oder Nitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung besteht. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht S6 Silizium enthält.

Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Schichtsystem so ausgeführt sein, dass mindestens eine der Schichten S2 und S6 aus mindestens zwei Teilschichten unterschiedlicher Materialien besteht.

Hierbei kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Schichten S2 und S6 ein Oxid oder Nitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung enthält. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die

Schicht S6 Silizium enthält.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Schichten S2 und S6 SnO2 und Si3N4 enthält.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese- hen, dass die Schicht S4 aus Chrom oder einer Chromverbindung, beispielsweise CrNx besteht.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schicht S4 aus Titan oder einer Titanverbindung, beispielsweise TiNx besteht.

Weiter Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schicht S4 aus NiCr oder einer NiCr-Verbindung besteht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Substrat SO und der Schicht S2 eine transparente, mittel- bis niedrigbrechende dielektrische Barriere- und/oder Haft- schicht Sl angeordnet.

Vorteilhaft beträgt der Brechungsindex der Schicht Sl bei Licht der Wellenlänge 550 nm zwischen 1.60 und 1.75.

gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist auf der Schicht S6 eine transparente, mittel- bis niedrigbrechende dielektrische Barriere- und/oder Haftschicht S7 angeordnet.

Vorteilhaft beträgt der Brechungsindex der Schicht S7 bei Licht der Wellenlänge 550 nm zwischen 1.60 und 1.85.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine der Schichten Sl und S7 ein Oxynitrid eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Halbleiterlegierung enthält .

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass zwischen den Schichten S2 und S4 eine Blockerschicht S3 eingefügt ist.

Weiter vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass zwischen den

Schichten S4 und S6 eine Blockerschicht S5 eingefügt ist.

Dabei kann mindestens eine der Schichten S3 und S5 SiOxNy, substöchiometrisches NiCrOx oder NiCrNx enthalten.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- sehen, dass mindestens eine weitere metallische Reflexionsund Absorberschicht vorgesehen ist.

Vorteilhaft enthält mindestens eine weitere metallische Reflexions- und Absorberschicht Chrom oder Titan.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass mindestens eine weitere metallische Reflexions- und Absorberschicht Stickstoff enthält.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine weitere metallische Reflexionsund Absorberschicht eine stickstoffhaltige Chrom- Gradientenverbindung ist, wobei der Stickstoffgehalt in mindestens einem Randbereich der Schicht am größten ist und nach innen abnimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines der artigen ist dadurch gekennzeichnet, dass mindes- tens eine Schicht durch Sputtern, bevorzugt DC- oder MF- Magnetronsputtern aufgebracht wird.

Vorteilhaft wird mindestens eine der Schichten Sl und S7 durch CVD- oder plasmagestützte CVD-Prozesse aufgebracht.

Bevorzugt wird mindestens eine der Schichten Sl und S7 durch reaktives Magnetronsputtern von Silizium bzw. Silizium- Aluminiumlegierungen in Sauerstoff- und/oder stickstoffhaltiger Atmosphäre aufgebracht.

Besonders bevorzugt wird mindestens eine der Schichten Sl und S7 durch reaktives Magnetronsputtern von Silizium bzw. Silizium-Aluminiumlegierungen in Sauerstoff- und oder stick-

stoffhaltiger Argonatmosphäre aufgebracht.

Außerdem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mindestens eine der Schichten Sl und S7 als Gradientenschichten mit unterschiedlichen Stöchiometrien durch reaktives Magnetronsputtern von Silizium bzw. Silizium- Aluminiumlegierungen in Sauerstoff- und/oder stickstoff- und/oder argonhaltiger Atmosphäre aufgebracht wird.

Beispiele möglicher erfindungsgemäßer Schichtsysteme sind:

S0/Sl/Si3N4/CrNx/Si3N4/S7

S0/Sl/SnO2/Si3N4/CrNx/Si3N4/S7

S0/Sl/SnO2/NiCrNx/CrNx/Si3N4/S7

S0/Sl/SnO2/SiOxNy/CrNx/Si3N4/S7

Durch eine Variation der Dicke der absorbierenden und reflektierenden Schicht S4 kann die Transmission des Schicht- Systems eingestellt werden. Durch die Verwendung von CrNx- Verbindungen unterschiedlicher Dicken zum Erreichen der gewünschten Transmission und ganz bestimmter Stöchiometrien zur Erzielung der Temperfähigkeit kann die Farbshift nach dem Tempern sehr gering gehalten werden. CrNx stellt eine gute Absorberschicht dar. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von CrNx an Stelle des typischerweise verwendeten NiCr oder NiCr-Verbindungen (NiCrOx) ist die nur geringe Haze-Vergrößerung nach dem Tempern, die sonst unter anderem auch durch die Diffusion von Nickel in die benachbarten Schichten hervorgerufen wird.

Weiterhin kann die unter der Absorberschicht liegende (sub- stratseitige) und je nach gewünschter Reflexionsfarbe recht dicke hochbrechende Schicht statt nur aus Si3N4 zusätzlich auch noch aus Metalloxidschichten aufgebaut sein. Zwischen der Oxidschicht und der Absorberschicht ist dann eine dünne Blockerschicht nötig. Durch diese mögliche Verwendung zu-

sätzlicher Materialien können bei gegebener Coaterkonfigura- tion und Targetbestückung die Taktzeiten deutlich verringert werden .

Die optionale Schicht Sl stellt eine Barriereschicht dar, die die Diffussion von Na+ aus dem Glassubstrat in das

Schichtsystem und Glaseinflüsse, wie Korrosion oder Saugerabdrücke, auf die Schichteigenschaften verhindern soll. Außerdem wird durch die Abscheidung der Schicht Sl das vom Glassubstrat mit in die Beschichtungsanlage eingeschleppte Wasser vom Substrat entfernt.

Die ebenso optionale Schicht S7 stellt mit ihrem bezüglich der üblichen Deckschicht S6 niedrigeren Brechungsindex eine Entspiegelungsschicht dar, die die Transmission des Schichtsystems im Falle einer gewünschten hohen Transmission noch deutlich erhöht.