Die Erfindung bezieht sich im speziellen auf eine Schutzschicht für Glaskeramikplatten sowie ein Verfahren und eine Anordnungung zu deren Beschichtung, die vorzugsweise als Kochflächen in Kochfeldern dienen und auf zumindest einer Seite eine Schutzschicht mit einer gegenüber der unbeschichteten Glaskeramik erhöhten Kratzfestigkeit besitzen.

Moderne Kochfelder besitzen eine Glaskeramikplatte als Kochfläche, wobei die Glaskeramikplatte typischerweise plan ist, aber auch zwei oder dreidimensional verformt sein kann.

Es sind sowohl Glaskeramikplatten druckschriftlich bekannt bzw. auf dem Markt, die undekoriert oder mit temperaturstabilen Farben, z. B. keramischen Farben, dekoriert sind. Die Kochfläche weist einzelne Kochzonen auf, die induktiv, mit elektrisch betriebenen Strahlungsheizkörpern, mit Gasstrahlungsheizelementen oder mit einem alternativen Heizsystemen (z. B. DHS von SCHOTT) beheizt werden.

Glaskeramikplatten haben typischerweise eine Mohshärte mit einem Härtegrad von 5-6, der vergleichbar dem von Stahl ist, aus dem typischerweise das Kochgeschirr hergestellt wird. Der alltägliche Gebrauch, d. h. Abstellen bzw.

Verschieben des Kochgeschirres sowie Reinigen der Kochflächen mit abrasiven Reinigungsmitteln und Schwämmen bzw. einem Schaber, stellt eine hohe mechanische Belastung des Kochfeldes dar, die dazu führen kann, Gebrauchsspuren auf dem Kochfeld hervorzurufen.

Hinzu kommt, dass die Kochfläche in kaltem Zustand häufig als zusätzliche Abstellfläche Verwendung findet. Gerade hier besteht ein erhöhtes Risiko der Ausbildung von Oberflächenschädigungen beispielsweise durch rauhe Böden keramischer Gegenstände. Alle entstehenden Oberflächenschädigungen führen im Laufe der Zeit zur Ausbildung einer Verkratzung der Oberfläche, die in Abhängigkeit von der gewählten Beleuchtung mehr oder weniger stark für den Beobachter auffällig wird. Hinzu kommt, dass Schädigungen der Oberfläche Ansatzpunkte für Verschmutzungen bieten. Die leichte Reinigbarkeit der Oberfläche wird eingeschränkt, da die Abreinigung von Verschmutzungen aus diesen Schädigungen deutlich erschwert ist. Dieser Effekt ist unabhängig davon, ob das Kochfeld transparent, farbig oder transluzent ist.

Die Glaskeramikplatten der früheren Generation besaßen eine orangenhautähnliche typische Oberflächenstruktur. Obwohl auch diese Platten durch oben beschriebene Vorgänge verkratzt wurden, boten sie aufgrund der zusätzlichen Oberflächenstruktur eine relativ geringe Kratzerauffälligkeit. Die Oberflächen der Glaskeramikplatten sind jedoch im Laufe der Zeit glatter und glänzender

geworden, was aus den vorgenannten Gründen zu einer verstärkten Kratzerauffälligkeit führt.

Die EP 0 716 270 Bl beschreibt eine Kochfläche aus Glaskeramik, auf deren Oberseite ein Dekor vorgesehen ist, die zum Vermeiden von Kratz-bzw. Gebrauchsspuren eine Schutzschicht in Form von Emailflüssen oder einer Silikatbeschichtung mit einer gegenüber der Glaskeramik erhöhten Kratzfestigkeit besitzt, wobei diese Schutzschicht die Glaskeramikkochfläche geschlossen bzw. möglichst geschlossen bedeckt, und auf diese Schutzschicht oder direkt auf die Glaskeramikoberfläche ein Dekor aufgedruckt ist.

Bevorzugt ist die Schutzschicht aus einem dunklen Material ausgebildet. Durch diese Schutzschicht wird zwar die mechanische Belastbarkeit der Glaskeramikkochflächen grundsätzlich erhöht, so dass im Gebrauch der Kochfläche eine verminderte Kratzerauffälligkeit gegenüber einer ungeschützten Kochfläche auftritt, jedoch bieten die allein in der EP Schrift offenbarten Emailflüsse-bzw.

Silikatschutzschichten noch keinen optimalen mechanischen Langzeitschutz. Nachteilig ist nämlich, dass die Schutzschicht selbst ein Dekor darstellt, das mittels Siebdruck aufgebracht wird. Diese Dekorfarben basieren in der Regel auf den gleichen Flüssen wie die zur optischen Gestaltung verwendeten Dekorfarben. Hinsichtlich Abrieb unterliegen sie damit gleichen Restriktionen. Die minimale Abmessung derartiger Dekore liegt in der Größenordnung von 0,5 mm, was auf jeden Fall optisch auffällig ist und somit designerisch störend ist, insbesondere wenn Gläser oder Glaskeramiken mit glatten Oberflächen gewünscht sind.

Ferner lassen die Ausführungen keinerlei Rückschluss darauf zu, inwieweit die vorgestellte Lösung mit den verwendeten

Heizersystemen kompatibel ist. Gerade die Verwendung von bevorzugt dunklen Materialien als Schutzschicht für Glaskeramiken mit hoher IR-Transparenz und für Strahlungsheizkörper wird zu einer Beschränkung der gewollten IR-Transparenz und damit zu Einbußen hinsichtlich der Ankochperformance führen.

In der DE 100 00 663 A1 wird ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung beschrieben, mit denen ein optisch transparenter Körper mit einer Kratzschutzschicht aus Al203 ganzflächig mittels eines modifizierten PICVD Verfahrens versehen wird, derart, dass sich eine Hartstoffschicht ausbildet, da es sich gezeigt hat, dass mit den bekannten Verfahren keine ausreichend harte, dichte, kratzfeste sowie temperaturbeständige Schicht, insbesondere aus Aluminiumoxid, zu erzeugen ist. Nachteilig ist der große Verfahrensaufwand, insbesondere wenn großflächige Beschichtungen. homogen aufgebracht werden müssen. Bisher sind Inhomogenitäten nicht vermeidbar, was zudem das optische Erscheinungsbild nachhaltig stört.

Ferner beschreibt WO 96/31995 eine induktiv beheizte Glas- oder Glaskeramikkochfläche mit integrierten Spulen, auf der eine Hartstoffschicht aus Al203 mittels der Technik des Plasmasprühens in einer Schichtdicke zwischen 50 bis 200 ym aufgebracht ist. Nachteilig ist hierbei, dass derart dicke Schichten sehr rau sind und damit die Gebrauchseigenschaften, wie Topfabrieb, Handabrieb sowie das Reinigungsverhalten nachteilig beeinflusst werden. Weiterhin ändert sich das Erscheinungsbild der Kochflächen mit einer solchen Schicht gänzlich. Die Oberfläche erscheint matt und grau.

Durch die DE 42 01 914 AI (= US 5,594, 231) ist es ferner bekannt, Abtastfenster aus Glas oder Glaskeramik von in Kassen von Supermärkten und anderen Verbrauchermärkten installierten Abtastsystemen zum Erfassen von auf den Warenverpackungen aufgebrachten Strichkodes, oberseitig mit einer lichtdurchlässigen Hartmaterial-Schicht, auf der wiederum eine lichtdürchlässige gleitfähige Beschichtung aufgebracht ist, zu versehen, um dieses Abtastfenster verschleißfester zu machen. Als Materialien für die Hartstoffschicht werden u. a. Metalloxide wie A1203, Zr02, Sn02, Y203genannt. Als besonders geeignet wird amorph abgeschiedenes Aluminiumoxid genannt. Gerade die amorphe Abscheidung des Metalloxides begünstigt hier die gewünschten besseren Härte-und Gleiteigenschaften der Schutzschicht. Die hier beschriebenen Hartstoffschichten sind für Anwendungen im Raumtemperaturbereich geeignet, verändern jedoch ihre Eigenschaften bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei Kochflächen üblich sind, was sie für Verwendung bei hohen Temperaturen ungeeignet macht. Eine Schutzschicht für Kochflächen erfordert Materialien, die bis zu 800° C temperaturbeständig sind und die die hohen zwischen der Glaskeramik und Schutzschicht auftretenden thermo- mechanischen Spannungen auszuhalten vermögen.

Durch die DE 201 06 167 U1 ist ein Kochfeld, mit einer Glaskeramikplatte als Kochfläche bekannt geworden, die mit einer transparenten Kratzschutzschicht versehen ist, die u. a. durch eine Hartstoffschicht gebildet werden kann. Als Materialien für diese transparente Schicht werden u. a.

Metalloxide wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid, Zinnoxid, Indiumoxid und Kombinationen daraus genannt. Das Abscheiden der Materialien kann nach dieser Schrift z. B.

durch die SOL GEL-Technik, die CVD-Verfahren, insbesondere durch das PICVD Verfahren und durch Sputtern erfolgen.

Mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten wie sie beispielsweise in den o. g.

Schriften DE 42 01 914 A1 und DE 201 06 167 U1 beschrieben sind, werden die Schichten typischerweise amorph oder in teilkristalliner Struktur abgeschieden. Derartige Schichten können bei längerem Gebrauch in den Heißbereichen bzw. im Fall maximaler thermischer Belastung nachteilige Veränderungen erfahren. So können sich in diesen Bereichen die Schichten durch thermisch induzierte Kompaktierung verfärben bzw. durch Kristallisation eintrüben, mit der Folge, dass die Heißbereiche optisch auffällig werden. Ferner kann es zu einer Aufrauung im Bereich von 1 bis 1000 nm kommen. Die Aufrauung selbst kann bereits eine optische Auffälligkeit bewirken, wobei die entstehenden Vertiefungen zusätzlich zu einer erschwerten Reinigung führen. Die Kristallisationsproblematik in den Heißbereichen verschärft ein mechanisches Versagen der Kratzschutzschicht. Bei der Kristallisation ändert sich der Aufbau der Schicht, so dass Risse in der Schicht entstehen. Durch den Verlust des lateralen Zusammenhalts bietet die Schicht keinen besonderen Kratzschutz mehr.

Um beispielsweise Zirkonoxid eine höhere Temperaturbeständigkeit zu verleihen, ist es bekannt (G. Wehl et al., Proc. CVD-VII, 536 (1979) ) diesem sogenannte Stabilisatoren aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid oder Calziumoxid zuzufügen. Jedoch hat eine solche Schicht, hergestellt mit den bekannten Verfahren, eine geringe Dichte, so dass eine solche Schicht porös ist.

Das in der US 4 920 014 beschriebene Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht aus stabilisierten Zirkonoxid versucht dieses Problem dadurch zu lösen, das mittels des CVD Verfahrens und genau eingestellter Verfahrensparameter wie Temperatur des Substrates, Zeitpunkt und Dauer der Zuführung der Reaktionssubstanzen etc. die Schicht so abgeschieden wird, dass sie nur noch eine oder zwei parallel zur Substratoberfläche orientierte Kristallebenen aufweist. Abgesehen von einem sehr hohen Verfahrensaufwand, weisen derart kristalline Schichten noch immer eine raue Oberfläche auf.

Aus dem Anwendungsbereich der Turbinentechnik ist es bekannt, dass säulenförmig gewachsene Schichten eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber schnellen thermischen Wechsellasten besitzen. So beschreibt die US 4 321 311 die Verwendung einer kolumnar gewachsenen keramischen Schicht als thermischen Schutz für metallische Komponenten des Turbinenbaus. Die hierin beschriebenen Schichten haben jedoch aufgrund ihrer groben kristallinen Strukturen eine große Rauigkeit bzw. Porosität.

Raue und poröse Oberflächen verschmutzen schnell und sind schwer zu reinigen. Sie sind außerdem optisch nicht klar transparent, sondern stark streuend und für Anwendungen mit optisch ansprechenden Oberflächen nicht geeignet.

Bei anderen optisch transparenten Körpern aus Glas oder Glaskeramik, die hohen Einsatztemperaturen ausgesetzt sind, z. B. Kaminsichtscheiben, Backofenscheiben für Pyrolyseherde etc., sind die Kratzschutzprobleme ähnlich gelagert wie bei Kochflächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schutzschicht eines Körpers mit industriell gängigen, ökonomisch vorteilhaften Beschichtungsprozessen derart auszubilden, dass sie kratz-und verschleißfest ist, bei thermischen Belastungen strukturstabil bleibt und sich optisch nicht verändert sowie eine dauerhaft glatte und optisch ansprechende Oberfläche aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Schutzschicht gemäß den Ansprüchen 1 bis 24, einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 25 bis 41 und einer Anordnung gemäß den Ansprüchen 42 bis 49.

Die erfindungsgemäße Schutzschicht eines Körpers weist mindestens eine Hartstoffschicht, umfassend ein Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid auf, wobei mindestens eine dieser Hartstoffschichten durch mindestens eine, von der Hartstoffschicht verschiedene Zwischenschicht aus Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid unterbrochen wird. Die Hartstoffschichten bilden einen grundlegenden Baustein für die Funktion und die Eigenschaften der Schutzschicht und werden im weiteren als Funktionsschichten bezeichnet.

Die die Funktionsschichten unterbrechenden Zwischenschichten sind im Verhältnis zu den Funktionsschichten sehr dünne Schichten. Die Zwischenschichten unterbrechen die Morphologie der Funktionsschicht. Durch geeignete Wahl des Materials, der Dicke und der Abstände der Zwischenschichten ist es möglich, die Morphologie der Funktionsschicht so zu beeinflussen, dass

die Funktionsschicht in sehr dichten, schmalen Säulen senkrecht zur Substratoberfläche aufwächst.

Wählt man die Verfahrensparameter so, dass die Funktionsschichten in kristalliner Struktur aufwachsen, können die positiven Eigenschaften der Schicht z. B. Härte, Temperaturbeständigkeit und hohe Kratzfestigkeit, noch verstärkt werden.

Als kristallin bezeichnet man generell den Zustand von Festkörpern mit Anordnung ihrer Teilchen in einem dreidimensionalen Raumgitter bei ausgeprägter Fernordnung.

Der kristalline Körper, hier die Funktionsschicht, kann dabei aus vielen kleinen, unregelmäßig gelagerten Kristalliten bestehen oder die Gitterstruktur kann sich durch die ganze Schicht fortsetzen. Die sich bei der Funktionsschicht mit unterbrechenden Zwischenschichten ausbildenden kristallinen Kolumnen sind dicht nebeneinander liegende Säulenstrukturen, die sich überwiegend senkrecht zum Substrat ausbilden. Die Kristalle weisen vorrangig Orientierungen auf, die bei kolumnaren Wachstum nur noch geringe Tendenzen zur Verbreiterung zeigen.

Typische Schichtdicken für Kratzschutzschichten liegen im Bereich von 100 bis 20000 nm, typische Beschichtungen für Glas und Glaskeramik in Bereich bis 5000 nm. Hier sind zum Beispiel Zwischenschichten mit einer Dicke von weniger als 10 nm, vorzugsweise von 1 bis 5 nm, die die Funktionsschichten in Abständen von 30 bis 500 nm, vorzugsweise von 50 bis 250 nm unterbrechen, besonders wirkungsvoll zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften wie

Kratz-und Verschleißfestigkeit, Strukturstabilität bei thermischen Belastungen sowie sich optisch nicht verändernde, dauerhaft glatte, optisch ansprechende Oberflächen.

Weiterhin ist es zur Erzielung o. g. Eigenschaften, aber hauptsächlich unter verfahrenstechnischen Aspekten vorteilhaft, die Funktionsschichten in gleichmäßigen Abständen mit Zwischenschichten zu unterbrechen.

Um eine möglichst geringe Porosität der Schutzschicht und damit auch eine möglichst geringe, reinigungsfreundliche Rauheit ihrer Oberfläche zu erzielen, sind die Funktionsschicht und die sie unterbrechenden Zwischenschichten vorzugsweise so ausgebildet, dass die laterale Ausdehnung der Kolumnen kleiner als 1 J. m ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die laterale Ausdehnung der Kolumnen kleiner als 200 nm. Die dicht gepackten Säulenstrukturen ermöglichen es außerdem, eine weitgehend unbehinderte optische Transmission zu erreichen und störende Effekte durch Lichtstreuung zu vermeiden.

Als besonders geeignet für transparente erfindungsgemäße Schutzschichten erweisen sich dabei Funktionsschichten aus Siliziumnitrid oder Metalloxiden in Kristallphasen.

Es wurde gefunden, dass erfindungsgemäße Funktionsschichten aus Metalloxiden, insbesondere aus Zirkonoxid mit einer stabilisierende Komponente aus 0,5 bis 50 mol% Y203, vorzugsweise 1 bis 10 mol% Y203 und besonders bevorzugt 1,0 bis 7,5 mol% Y203, mit Zwischenschichten aus Siliziumoxid, vor allem für transparente, optisch besonders ansprechende und in hohem Maße temperaturstabile (bis max. 800° C) Schutzschichten geeignet sind.

Insbesondere zur Vermeidung von Veränderungen des optischen Erscheinungsbildes von Funktionsschichten aus stabilisiertem Zirkonoxid durch die Zwischenschichten werden Zwischenschichten aus Zirkonnitrid verwendet. Durch einen Temperaturnachbehandlungsschritt kann das Zirkonnitrid in Zirkonoxid umgewandelt werden. Damit hat die Zwischenschicht den gleichen Brechungsindex wie die Funktionsschicht und ist unabhängig von ihrer Dicke optisch nicht wirksam. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der reaktiven Abscheidung der Schichten lediglich ein Reaktivgaswechsel erfolgen muss.

Analog zu dieser Vorgehensweise kann Zirkon auch durch andere Metalle ersetzt werden.

Verwendet man Zwischenschichten aus Titan-Aluminium-Oxid, kann deren Brechungsindex n im Bereich von 1,55 < n < 2,50 über die Einstellung des Mengenverhältnsses von Titan zu Aluminium eingestellt und gegebenenfalls an den einer Funktionsschicht angepasst werden.

Derartige Zwischenschichten bieten die Möglichkeit, die Schichtdicke der Zwischenschichten zu variieren, da sie bezogen auf die Funktionsschicht keinen Einfluss auf die optische Erscheinung haben.

Zudem bieten die Zwischenschichten in engen Grenzen die Möglichkeit, dass optische Erscheinungsbild gezielt zu beeinflussen. Dazu können Zwischenschichten gewählt werden, die einen von der Funktionsschicht abweichenden Brechungsindex aufweisen und deren Dicke so gewählt ist, dass diese optisch aktiv werden können. Durch Variation der Abstände sind weitere Effekte erreichbar.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Schutzschichten noch weitere Hartstoffschichten, insbesondere transparente Hartstoffschichten aufweisen.

Hartstoffschichten aus Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid haben in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen unterschiedlichste Schichtmorphologien und Eigenschaften. Zur Erzielung einer guten Temperaturbeständigkeit wird ein möglichst kristallines Aufwachsen der Schicht angestrebt. Durch die Unterbrechung mit sehr dünnen Zwischenschichten, vorzugsweise geringer als 10 nm, in Abständen von 30 bis 500 nm, vorzugsweise von 50 bis 250 nm wird ein dichtes kolumnares, vorzugsweise dichtes kolumnares kristallines Aufwachsen der Funktionsschichten in engen Säulenstrukturen ermöglicht, wobei die Säulen nur noch geringe Tendenzen zur Verbreiterung zeigen, vorzugsweise im Mittel nur noch eine laterale Ausdehnung von weniger als 200 nm besitzen. Dadurch erhalten diese Hartstoffschichten eine dichte, glatte und optisch ansprechende Oberfläche und sind strukturstabil bei mechanischen und thermischen Belastungen.

Die erfindungsgemäßen Schutzschichten sind zur Beschichtung unterschiedlichster Körper, die vor allem eine hohe Kratzfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweisen müssen, geeignet. Weiterhin ermöglichen sie ein ansprechendes optisches Erscheinungsbild und je nach Schichtmaterial auch Transparenz. Sie sind besonders geeignet als Schutzschichten für Glas, Glaskeramik oder Körper aus anderen nichtmetallischen kristallinen Materialien, aber darauf nicht beschränkt.

So können beispielsweise Zwischenschichten so gewählt werden, dass sie in optischen Schichtsystemen optisch nicht wirksam sind und die strukturellen, mechanischen und thermischen Eigenschaften von optischen Schichtsystemen verbessern.

Besonders vorteilhaft eignet sich die Schutzschicht für die Beschichtung von Glaskeramikkochflächen. Hier stehen Anforderungen von hoher Kratzfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und einem optisch ansprechenden Erscheinungsbild im Vordergrund, welche mit der erfindungsgemäßen Beschichtung erfüllbar sind.

Bei transparenten Schutzschichten können die Glaskeramikkochflächen oder andere zu beschichtende Körper unterhalb oder innerhalb der Schutzschicht zusätzlich dekoriert sein. Bei nicht transparenten und transparenten Schutzschichten können die Glaskeramikkochflächen auch oberhalb der Schutzschicht zusätzlich dekoriert sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines Körpers mit einer erfindungsgemäßen Schutzschicht umfasst im wesentlichen das Bereitstellen des Körpers und der Schichtstoffe in einem Vakuumsystem und das Beschichten des Körpers mittels eines reaktiven physikalischen Aufdampfprozesses, wobei Schichtstoffe in atomaren Abmessungen erzeugt werden und als Funktionsschicht in kolumnaren Strukturen, im wesentlichen senkrecht zur Körperoberfläche auf dem Körper aufwachsen. Das Aufwachsen einer Funktionsschicht wird dabei zumindest einmal unterbrochen, indem eine sehr dünne Zwischenschicht abgeschieden wird, die unbeeinflusst von der bereits gewachsenen Funktionsschicht eine andere Morphologie als diese aufweist, so dass die Tendenz der Verbreiterung von

kolumnaren Strukturen in der Funktionsschicht unterbrochen wird.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten eines Körpers aus Glas, Glaskeramik oder einem anderen nichtmetallischen kristallinen Material, vorzugsweise zum Beschichten einer Kochfläche, mit einer erfindungsgemäßen Schutzschicht umfasst im wesentlichen das Überführen des Körpers in ein Vakuumsystem zu Beschichtung unmittelbar nach seiner Herstellung und das Bereitstellen der Schichtstoffe sowie das Beschichten des Körpers mittels eines reaktiven physikalischen Aufdampfprozesses, wobei Schichtstoffe in atomaren Abmessungen erzeugt werden und als Funktionsschicht in kolumnaren Strukturen, im wesentlichen senkrecht zur Körperoberfläche auf dem Körper aufwachsen. Das Aufwachsen einer Funktionsschicht wird dabei zumindest einmal unterbrochen, indem eine sehr dünne Zwischenschicht abgeschieden wird, die unbeeinflusst von der bereits gewachsenen Funktionsschicht eine andere Morphologie als diese aufweist, so dass die Tendenz der Verbreiterung von kolumnaren Strukturen in der Funktionsschicht unterbrochen wird.

Zur Erzeugung kristalliner, kolumnenartiger Schichtmorphologien eignen sich besonders physikalische Aufdampfprozesse mit hohen Energieeinträgen und Prozesstemperaturen wie beispielsweise Sputterverfahren.

Jedoch sind nicht alle Sputterverfahren hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit für industrielle Beschichtungen geeignet.

Unter diesem Aspekt eignen sich insbesondere Magnetronverfahren für die erfindungsgemäßen Beschichtungen.

Magnetron-Sputtersysteme ermöglichen hohe Beschichtungsraten im niedrigen Druckbereich bei relativ geringer Substraterwärmung und sind in den Prozessparametern gut steuerbar.

Für industrielle Fertigungen von Schichten eignen sich ebenfalls Aufdampfverfahren mit Elektronenstrahlverdampfern, da auch hier. gute Beschichtungsraten erzielbar sind und die Prozessparameter gut beherrschbar sind. Allerdings ist für erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren hier zusätzlich ein unterstützender Beschuss mit Ionen erforderlich, um die benötigten hohen Energieeinträge zu erhalten. Die Energie der Ionen des unterstützenden Ionenstrahls liegt zwischen 1 bis 2500 eV, bevorzugt zwischen 1 bis 800 eV, und besonders bevorzugt zwischen 20 bis 450 eV.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Ionenquelle gleichzeitig zur Reinigung und Aktivierung des Substrates verwendet werden kann.

Zum Beschichten eines Körpers mit transparenten Schutzschichten eigenen sich besonders Metalloxide. Die Schichtausgangsstoffe liegen dann in fester Form als metallische Komponenten oder als Metalloxide vor.

Dabei kann es vorteilhaft sein, mindestens ein zusätzliches Gas, beispielsweise Stickstoff, zur Optimierung der Abtragsrate bei der Erzeugung der Schichtstoffe bzw. zur Optimierung des Ionisationsgrads des Reaktivgases und/oder Sauerstoff zur Optimierung der Oxidation der Schicht in das Vakuumsystem einzuspeisen.

Zusätzlich können oxidische Schichten, die verfahrensbedingt nicht vollständig oxidiert hergestellt wurden und deshalb eine gestörte Kristallstruktur aufweisen, durch eine nachträgliche thermische Behandlung in oxidierender Atmosphäre aufoxidiert und damit ausgeheilt werden. Die Temperaturbehandlung kann in einem Rezipienten erfolgen, in dem der beschichtete Körper auf Temperaturen bis 800°C, bevorzugt auf 400°C bis 700°C erwärmt werden kann.

Zusätzlich kann in den Rezipienten Sauerstoff eingelassen werden. Bevorzugt liegen die Sauerstoffpartialdrücke, die eingestellt werden, zwischen. 10~2 und 1000 mbar. Die Dauer der Temperaturbehandlung sollte zwischen 1 Minute und 10 Stunden, bevorzugt zwischen 10 bis 60 Minuten liegen.

In Abhängigkeit vom Zeitpunkt in der gesamten Produktionskette kann es erforderlich sein, die zu beschichtenden Körper vor der Beschichtung einer Reinigung zu unterziehen. Eine Reinigung wird dann nicht notwendig erfolgen, wenn die Beschichtung unmittelbar an den letzten Heißschritt in der Herstellung eines Glas-bzw.

Glaskeramikkörpers anschließt, da zu diesem Punkt sauberste Oberflächen vorliegen.

Die Reinigung der zu beschichtenden Gegenstände kann durch Verwendung mindestens eines geeigneten Reinigungsbades mit abschließender Trocknung erfolgen, um Verschmutzungen von der zu beschichtenden Oberfläche zu entfernen. In Abhängigkeit von den auftretenden Verschmutzungen kann es erforderlich sein, mehr als ein Reinigungsbad einzusetzen und zusätzliche Reinigungseffekte durch eine Beheizung und/oder Ultraschallanregung anzuwenden.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Reinigung in einer Vakuumkammer durch eine Plasmabehandlung mit Ionen (mögliche Ausführungsformen sind z. B. Beschuss des Substrats mit Ionen aus einer Ionenquelle,"Baden"der Probe im Plasma einer Glimmentladung), deren Energie vorzugsweise im Bereich von 1 bis 2500 eV, bevorzugt von 50 bis 1600 eV, und besonders bevorzugt von 100 bis 500 eV liegt, durchzuführen. Dadurch wird eine besonders intensive Reinigung der Oberfläche von Fremdatomen und Adsorbaten erreicht. Sinnvolle Reinigungszeiten liegen zwischen einigen Sekunden bis zu einigen Minuten.

Außerdem ist es vorteilhaft, die Oberfläche des zu beschichtenden Körpers zu aktivieren. Die Aktivierung kann ebenfalls in einer Vakuumkammer durch eine Plasmabehandlung der Oberfläche, wie vor beschrieben, erfolgen. Die Reinigung und Aktivierung können dann gegebenenfalls in einem Prozessschritt erfolgen.

Vor Beginn und während der Beschichtung kann der zu beschichtende Körper in der Vakuumkammer auf die Prozesstemperatur erwärmt werden. Dazu sind in den Vakuumkammern geeignete Heizelemente installiert. Die Körpertemperatur kann zu Prozessbeginn zwischen Raumtemperatur und 800 °C gewählt werden, bevorzugt zwischen 50°C und 550°C, besonders bevorzugt zwischen 100°C und 350°C.

Weiterhin kann es erwünscht sein, eine besonders hohe Oberflächengüte des beschichteten Körpers zu erzielen. Dazu kann in einem oder mehreren Polierschritten, die dazu geeignet sind, die geringe verbleibende Oberflächenrauhigkeit bis zu einem Ra-Wert von 1 nm zu verbessern, die Oberfläche nochmals nachgearbeitet werden.

Die Beschichtung eines Körpers aus Glas, Glaskeramik oder einem anderen nichtmetallischen kristallinen Material, insbesondere einer Glaskeramik-Kochplatte, mit einer Schutzschicht, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Schutzschicht, gelingt erfindungsgemäß mit einer Beschichtungsanlage und einer mit ihr über eine Eingangsschleuse (2.2) und Substratübergabestation (2.1) direkt verbundenen Herstellungsanlage (1), in der das zu beschichtenden Substrat (8) unmittelbar vorher hergestellt wurde. Die Beschichtungsanlage umfasst mindestens eine- Beschichtungskammer (4. n), die eine Vakuumkammer ist, wobei diese Targets mit den Schichtausgangsmaterialien, Anregungsquellen zur Erzeugung von Schichtausgangsmaterialien in atomaren Abmessungen, mindestens ein Prozessgas- Einlassventil (15) zur Zufuhr von Prozessgasen in die Vakuumkammer sowie Shutter (7) als verschließbare Öffnungen zur Zu-und Abfuhr des zu beschichtenden Substrates (8) enthält.

Die Anregungsquelle kann eine Magnetronsputterquelle (13) oder eine bzw. mehrere Elektronenstrahlverdampfungsquelle/n sein. Mit diesen Anregungsquellen sind hohe Beschichtungsraten für großflächige Beschichtungen möglich.

Insbesondere mit Doppel-Magnetrons (MF-Magnetron) kann die Beschichtung mit hoher Präzision und Stabilität ausgeführt werden.

In einer vorteilhaften Ausführung weist die Beschichtungsanlage eine Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) auf, wobei diese eine Vakuumkammer ist und mindestens eine Reinigungs-/Aktivierungs-Ionenstrahlquelle (11) zur Reinigung und/oder Aktivierung des Substrates (8) aufweist, zwischen

der Eingangsschleuse (2.2) und der Beschichtungskammer (4.1) angeordnet ist und über Shutter (7) mit diesen verbunden ist.

Zur Herstellung von Schutzschichten mit mehreren Funktionsschichten aus unterschiedlichen Schichtausgangsmaterialien ist es möglich, entweder mehrere Targets A (14) in nur einer Beschichtungskammer (4.1) anzuordnen oder entsprechend weitere Beschichtungskammern (4. n) anzuordnen.

Zur Herstellung der Zwischenschichten ist es möglich, entweder ein weiteres Target B (12) mit dem Schichtausgangsmaterial der Zwischenschicht in der Beschichtungskammer (4.1) anzuordnen oder eine weitere Beschichtungskammer (4.2) mit dem Target B (12) anzuordnen.

Weitere Anordnungen und Kombinationen von Beschichtungskammern (4. n) und Targets sind je nach Schichtaufbau und Verfahrensablauf denkbar und möglich.

Zur weiteren Optimierung von Metalloxidschichten, ist es vorteilhaft, diese in einer Sauerstoffatmosphäre nachzubehandeln. Dazu weist die Beschichtungsanlage eine Nachbehandlungskammer (5) auf, wobei diese ebenfalls eine Vakuumkammer ist und mindestens ein Sauerstoff-Zufuhrventil (16) sowie Heizelemente (9) enthält und über Shutter (7) mit der Beschichtungskammer (4.1) bzw. einer weiteren Beschichtungskammer (4. n) verbunden ist.

Vorzugsweise enthalten die Beschichtungskammern (4.1, 4. n) und die Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) Heizelemente (9) zur Aufheizung des Substrates (8) und Realisierung eines

optimalen Heizkonzeptes während der Beschichtung des Substrats (8).

Nach der Beschichtung des Substrates (8) und gegebenenfalls Nachbehandlung der Schicht, wird dieses über eine Ausgangsschleuse (6.1) und Substratausgabeeinheit (6.2) aus der Beschichtungsanlage geführt. Die Ausgangsschleuse (6.1) ist über einen Shutter (7) mit der letzten Vakuumkammer in der Bearbeitungskette verbunden.

Die Erfindung soll im weiteren an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dazu zeigt Figur 1 : eine Magnetronsputteranlage Mit einer in Figur 1 gezeigten Magnetronsputteranlage können Schutzschichten, insbesondere transparente, optisch ansprechende, struktur-und temperaturstabile Kratzschutzschichten, beispielsweise aus Zirkonoxid in einer temperaturstabilen Kristallphase, insbesondere Yttrium- Zirkon-Oxid, großflächig und mit einem industriell gut handhabbaren Verfahren auf eine Glaskeramikkochplatte aufgebracht werden.

Substratübergabe : Das Substrat (8), beispielsweise eine CERAN-Platte für Kochfelder mit einer Abmessung von 60 cm * 60 cm, wird unmittelbar nach seiner Herstellung, im Anschluss an den letzten Heißschritt der Keramisierung, aus der Herstellungsanlage (1) in die Beschichtungsanlage überführt.

Die Beschichtungsanlage ist eine vertikale Anlage, die eine randlose Beschichtung der Substrate (8) ermöglicht. Die

Substrate (8) werden einzeln in die Beschichtungsanlage überführt.

Nach der Überführung eines Substrates (8) in die Substratübergabestation (2.1) wird diese geschlossen und ein Druck von < 1 mbar eingestellt. Anschließend wird das Substrat (8) über einen Shutter (7) in die Eingangsschleuse (2.2) überführt. Die Eingangsschleuse (2.2) wird evakuiert, so dass in dieser ein Druck von < 10-2 mbar eingestellt wird.

Generell erfolgt die weitere Übergabe des Substrates (8) von einer Prozesseinheit zur nächsten innerhalb der Sputteranlage über die Shutter (7).

Das Substrat wird anschließend in die Reinigungs- /Aktivierungskammer (3) überführt.

Substratreinigung und-aktivierung : Die Reinigungs-/und Aktivierungskammer (3) ist ebenfalls eine Vakuumkammer, in der sich Heizelemente (9) zur Aufheizung des Substrates (8) und Reinigungs-/Aktivierungs- Ionenstrahlquellen (11) befinden.

Eine Reinigung muss nicht notwendig erfolgen, da die Beschichtung unmittelbar an den letzten Heißschritt in der Herstellung anschließt. Gegebenenfalls kann die Reinigung des Substrates (8) in einem Schritt mit der Aktivierung der Oberfläche des Substrates (8) erfolgen.

Die Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) wird zunächst auf den Prozessdruck < 5*10-5 mbar evakuiert und das Substrat (8) wird auf eine Temperatur bis ca. 700 °C erwärmt. Da das Substrat (8) direkt nach dem letzten Heißschritt der

Keramisierung zur Beschichtung überführt wurde, ist die Aufheizung auf diese hohen Temperaturen mit einem weitaus geringeren Aufwand möglich, als bei den bekannten Verfahren.

In der Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) werden nun zur Reinigung und Aktivierung Argon-Ionen mit einer Energie von ca. 400 eV auf die Oberfläche des Substrates (8) geschossen.

Das Substrat (8) bewegt sich dabei kontinuierlich vorwärts mit einer Geschwindigkeit von ca. 3 cm/min. Anschließend wird das Substrat (8) in die Beschichtungskammer (4.1) überführt.

Beschichtung : Die erste Beschichtungskammer (4.1) ist ebenfalls eine Vakuumkammer und dient der Beschichtung mit einem ersten Ausgangsmaterial für eine Funktionsschicht. Daran schließt sich eine weitere Beschichtungskammer (4.2) an. Diese dient der Unterbrechung der Beschichtung mit der Funktionsschicht, es erfolgt hier die Beschichtung mit der Zwischenschicht.

Soll die Beschichtung noch weitere Schichten aus unterschiedlichen Ausgangsmaterialien umfassen oder soll die Beschichtung mehrerer Substrate (8) parallel verlaufen, können auch weitere Beschichtungskammern (4. n) folgen.

In der ersten Beschichtungskammer (4.1) befindet sich ein Target A (14) mit dem Schichtausgangsmaterial für die Funktionsschicht und in der zweiten Beschichtungskammer (4.2) befindet sich ein Target B (12) mit dem Schichtausgangsmaterial für die Zwischenschicht. In dieser und in eventuell erforderlichen weiteren Beschichtungskammern (4. n) sind jeweils Heizelemente (9), Blenden (10), und Magnetronsputterquellen (13) angeordnet, wobei sich die Targets A und B (12,14) unmittelbar auf den Magnetronsputterquellen (13) befinden.

Mit den Heizelementen (9) wird das Substrat (8) auf der gewünschten Prozesstemperatur gehalten. Das Schichtausgangsmaterial des Targets A (14) für die Funktionsschicht ist metallisches Zirkon-Yttrium. Dieses wird mit Hilfe der Magnetronsputterquellen (13) zerstäubt. Die Magnetronsputterquellen (13) sind MF-Magnetrons (Länge 1 m, 40 kHz, 20 kW), welche im Transition-Mode gefahren werden.

Das Prozessgas-Einlassventil (15) ist in die Magnetronsputterquelle (13) integriert und besteht aus mehreren Ventilen, die über die Länge des MF-Magnetrons verteilt sind. Die Zuführung von Sauerstoff bewirkt, dass durch eine spezielle, dem Fachmann bekannte Regelung, die Magnetronsputterquelle (13) im sog."Transition-Mode" arbeitet. Dabei wird über die Prozessgas-Einlassventile (15) Sauerstoff zugeführt, so dass sich ein Yttrium-Zirkon-Oxid- Film auf dem Substrat (8) bildet. Die Blenden (10) definieren dabei ein Beschichtungsfenster über die gesamte Länge des Substrates (8) mit einer Breite von 40 cm.

Das Substrat (8) wird nun durch geeignete Bewegungen über dem Beschichtungsfenster homogen mit einer Schichtdicke von 150 nm beschichtet. Dann erfolgt die Überführung in die zweite Beschichtungskammer (4.2), in der eine Zwischenschicht aus Siliziumoxid mit einer Schichtdicke von 5 nm zur Unterbrechung der bisher aufgewachsenen Funktionsschicht aufgebracht wird. Zum Aufbringen dieser Schicht wird als Magnetronsputterquelle (13) ein gepulstest DC-Magnetron (Pulsfrequenz 100 kHz, Leistung 10 kW) mit einem Silizium Target B (12) verwendet. Durch geeignete Sauerstoffzugabe über ein Prozessgas-Einlassventile (15) wird der Siliziumoxidfilm gebildet. Das Prozessgas-Einlassventil (15) ist ebenfalls mit der Magnetronsputterquelle (13) gekoppelt.

Das Substrat (8) wird wieder in die erste Beschichtungskammer (4.1) überführt und der Beschichtungsvorgang mit Yttrium- Zirkonoxid wird fortgesetzt. Diese Vorgänge werden sooft wiederholt, bis die Schutzschicht eine Dicke von 2,01 jum (13 Teilschichten Yttrium-Zirkonoxid ä 150 nm und 12 Zwischenschichten Siliziumoxid ä 5 nm = 2010 nm) hat.

Nach der Beschichtung wird das Substrat (8) in die Nachbehandlungskammer (5) überführt.

Nachbehandlung : Die Nachbehandlungskammer (5) ist eine Vakuumkammer mit Heizelementen (9) und einem Sauerstoff-Zufuhrventil (16).

Das Substrat (8) wird auf Temperaturen > 400°C erhitzt und in der Kammer wird ein erhöhter Sauerstoffpartialdruck von > 10-2 mbar eingestellt, um eine vollständige Oxidation der Schicht zu gewährleisten.

Prinzipiell ist es auch möglich, diese Nachbehandlung außerhalb der Beschichtungsanlage durchzuführen. Nach der Nachbehandlung wird das Substrat (8) in die Ausgangsschleuse (6.1) übergeben, welche dann auf Atmosphärendruck belüftet wird. Über die Substratabgabestation (6.2) verlässt das fertig beschichtete Substrat (8) die Beschichtungsanlage.

Die so beschichtete Kochfläche aus CERAN hat eine wesentlich erhöhte Kratzfestigkeit gegenüber einer unbeschichteten Kochfläche. Die Beschichtung ist widerstandsfähig gegenüber mechanischer Belastung, strukturstabil bei Temperaturbelastungen bis 800°C und hat ein ansprechendes optisches Design.