硬質(zhì)抗反射涂層及其制造和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有抗反射圖層的涂覆襯底。更具體而言，本發(fā)明涉及一種包括光學(xué)干涉涂層形式的抗反射涂層的涂覆襯底。本發(fā)明還涉及生產(chǎn)這樣的涂層的方法以及包括這樣的涂層的襯底的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)干涉涂層用作抗反射涂層。根據(jù)具體用途或應(yīng)用領(lǐng)域，這種涂層暴露到不同程度的機(jī)械應(yīng)力。因此，如果這樣的涂層例如用于手表玻璃、民用和軍用車輛觀察窗、爐灶表面或諸如觸摸顯示屏蓋玻璃的顯示屏蓋，除了必須減少反射，還需要具有高機(jī)械穩(wěn)定性，特別是高度耐刮性。
[0003]由現(xiàn)有技術(shù)已知雙材料體系用作硬質(zhì)材料涂層。這樣的涂層通常包括元素鉻、硅、鈦或鋯的氧化物和氮化物。盡管這樣的涂層具有高硬度和機(jī)械強(qiáng)度，但是該涂層還不透明或者不夠透明，以用于具有抗反射作用、即抗反射作用的光學(xué)干涉體系。
[0004]專利申請DE 10 2011 012 160公開了一種用于減少手表玻璃反射的涂層體系。為了提高該涂層的機(jī)械強(qiáng)度，使用Si3N4涂層作為高折射率的涂層，該涂層額外摻雜有鋁。在此，可以依據(jù)相應(yīng)涂覆的襯底在機(jī)械應(yīng)力測試之前和之后的抗反射性能來確定涂層的機(jī)械穩(wěn)定性。在機(jī)械應(yīng)力測試之后，DE 102 011 012 160中公開的涂覆襯底呈現(xiàn)比應(yīng)力測試之前具有更高程度的反射。應(yīng)力測試之后的反射相對于未涂覆襯底的反射減少了 50%。
[0005]另外，隨著因各個層厚增加而提高的體系硬度，也伴隨著抗反射性能的損失，因?yàn)樵谕繉訑?shù)量不變的情況下抗反射效果隨著層厚增加而減弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種除了具有良好的抗反射效果外還呈現(xiàn)高機(jī)械穩(wěn)定性的涂層和涂覆襯底。本發(fā)明的另一個目的在于提供這樣涂層的生產(chǎn)方法。
[0007]本發(fā)明的目的已經(jīng)以令人驚訝的方式和方法通過獨(dú)立權(quán)利要求的內(nèi)容得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明優(yōu)選的設(shè)計和擴(kuò)展方案由屬權(quán)利要求給出。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的涂覆襯底包括防止反射的涂層，接下來也稱為抗反射涂層。在此，該抗反射涂層設(shè)計為包括多個電介質(zhì)層的光學(xué)干涉涂層。涂層的層體系包括交替的低折射率層和高折射率層并且由至少兩個低折射率層和至少一個高折射率層構(gòu)成。高折射率層設(shè)置在兩個低折射率層之間。最上方的電介質(zhì)層是低折射率層。最上層是指到襯底具有最大間距的層。相應(yīng)地，涂層的最下層直接設(shè)置在襯底上。
[0009]優(yōu)選地，低折射率層在550nm波長下的折射率在1.3至1.6的范圍內(nèi)，特別在1.45至1.5的范圍內(nèi)。由此能夠?qū)崿F(xiàn)高抗反射效果。
[0010]低折射率層包括Si02。根據(jù)一個實(shí)施方式，低折射率層由3102或摻雜的S1 2構(gòu)成。具體而言，摻雜的S1j#別是指摻雜有選自鋁、硼、鋯、鈦、鉻或碳元素組的一種或多種氧化物、氮化物、碳化物和/或氮碳化合物的Si02?？蛇x地或附加地，低折射率層可以含有N2。優(yōu)選地，摻雜的S12為摻雜鋁的S12，其硅含量在I至99重量％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在85至95重量％的范圍內(nèi)。
[0011]涂層可以包含多個具有相同組分的低折射率層?？蛇x地，涂層的各個低折射率層也可以具有不同的組分。
[0012]涂層的一個或多個高折射率層以透明硬質(zhì)材料層的形式設(shè)置。高折射率層在接下來也稱為硬質(zhì)材料層，其包含具有呈現(xiàn)主要(001)優(yōu)先取向的六角形晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氮化鋁。根據(jù)本發(fā)明，AlN在硬質(zhì)材料層中的份額大于50重量％。
[0013]通過高折射率的硬質(zhì)材料層確保了涂層的機(jī)械穩(wěn)定性。令人驚訝地，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬質(zhì)材料層的AlN是結(jié)晶或者至少在很大程度上結(jié)晶，并且具有六角形的晶體結(jié)構(gòu)時，可以獲得特別耐刮、耐磨損和耐拋光應(yīng)力的涂層。特別是AlN涂層的結(jié)晶度為至少50%。
[0014]就此而言這是令人驚訝的，因?yàn)閷Υ送ǔＵJ(rèn)為，無定形的涂層由于缺少晶粒而比相應(yīng)的結(jié)晶涂層具有更低的表面粗糙度。低的涂層粗糙度造成不易出現(xiàn)缺陷，例如由異物在涂層表面上的摩擦所引起的缺陷。然而，根據(jù)本發(fā)明的涂層不僅呈現(xiàn)高耐刮性，而且對于環(huán)境影響以及拋光和磨損應(yīng)力具有更高的耐受性。例如，該硬質(zhì)材料層呈現(xiàn)高化學(xué)抗性，例如相對于清潔劑和洗滌劑的化學(xué)抗性。另外，根據(jù)本發(fā)明的涂層盡管具有結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，但對于波長在可見光譜和紅外光譜范圍內(nèi)的光來說是可透的，由此該涂層在視覺上是不刺眼的，并且能夠應(yīng)用在例如光學(xué)部件中，例如用作爐灶面的涂層。具體而言，該涂層基于標(biāo)準(zhǔn)光源C對于可見光的透射比為至少50 %，優(yōu)選至少80 %，并且對于紅外光的透射比為至少50%，優(yōu)選至少80%。此外，涂層相對于金屬體的靜摩擦μ〈0.5，特別優(yōu)選〈0.25。
[0015]在一個實(shí)施方式中，硬質(zhì)材料層在550nm波長下的折射率在1.8至2.3的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1.95至2.1的范圍內(nèi)。
[0016]為了將高折射率層和低折射率層一起應(yīng)用在光學(xué)干涉的體系中，該高折射率層必須具有足夠的透射比。高折射率層的高透射比特別可以通過層中小尺寸的各個晶粒實(shí)現(xiàn)。這種小尺寸例如可以避免散射效應(yīng)。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，平均晶粒尺寸為最高25nm，優(yōu)選最高15nm，更優(yōu)選5至15nm。小晶粒尺寸的另一個優(yōu)勢在于，含晶粒的涂層具有更高的機(jī)械穩(wěn)定性。較大的晶粒通常在其晶體結(jié)構(gòu)中具有錯位，這不利于機(jī)械穩(wěn)定性。
[0017]硬質(zhì)材料層中的AlN晶粒具有六角形的晶體結(jié)構(gòu)，其主要的優(yōu)先取向?yàn)?001)方向，即平行于襯底表面。在呈現(xiàn)優(yōu)先取向的晶體結(jié)構(gòu)中，晶粒優(yōu)選占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的一個對稱方向。在本發(fā)明中，具有優(yōu)先取向(001)的AlN晶體結(jié)構(gòu)特別是指這樣的晶體結(jié)構(gòu):該晶體結(jié)構(gòu)在X射線衍射測量(掠入射測量:GIXRD)的XRD光譜中，在34°和37°之間的區(qū)域內(nèi)顯示出最大反射。該區(qū)域內(nèi)的反射可以對應(yīng)于具有(001)擇優(yōu)取向的AlN晶體結(jié)構(gòu)。
[0018]令人驚訝的是已經(jīng)發(fā)現(xiàn):根據(jù)本發(fā)明的具有沿主要(001)擇優(yōu)取向的硬質(zhì)材料層相比于具有相同或類似組分但沒有(001)擇優(yōu)取向的硬質(zhì)材料層具有更高的彈性模量和更大的硬度。
[0019]因此，呈現(xiàn)主要(001)擇優(yōu)取向的實(shí)施方式的高彈性模量可以解釋，因?yàn)榻Y(jié)晶材料的彈性模量與其擇優(yōu)取向有關(guān)。因而，涂層的高折射硬質(zhì)材料層中平行于襯底表面的彈性模量是最高的。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在1mN的測試負(fù)載下，該硬質(zhì)材料層平行于襯底表面的彈性模量為80至250GPa，優(yōu)選110至200GPa。
[0020]涂層的耐刮性除了與硬度有關(guān)以外，還與各個層或分層相互間的粘附情況以及涂層在襯底上的粘附情況有關(guān)。另外，如果涂層的各個層和/或襯底具有不同的熱膨脹系數(shù)，可能會導(dǎo)致在涂層中產(chǎn)生張力以及涂層剝落。
[0021]高折射率的硬質(zhì)材料層以及根據(jù)本發(fā)明的涂層的耐磨損性也取決于各個層的硬度和彈性模量之比。優(yōu)選地，高折射率層的硬度和彈性模量的比值為至少0.08，優(yōu)選0.1，更優(yōu)選大于0.1o這可以通過(001)擇優(yōu)取向來實(shí)現(xiàn)。在此，組分類似而擇優(yōu)取向不同的層具有相對低的比值，該比值在0.06至0.08的范圍內(nèi)。
[0022]當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的(001)擇優(yōu)取向與(100)和(101)方向相比最顯著時，特別能夠獲得上述特性。此外，在本發(fā)明的一個擴(kuò)展方案中，(100)取向的晶體結(jié)構(gòu)的份額高于(101)取向的晶體結(jié)構(gòu)份額。
[0023]具有(001)擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)的份額可以如下進(jìn)行測定:
[0024]-獲得各個層的掠入射XRD(GIXRD)光譜，即薄層X射線衍射；
[0025]-測定34°到37°區(qū)域內(nèi)相應(yīng)(001)反射的最大強(qiáng)度1(_;
[0026]-測定32°到34°區(qū)域內(nèi)(100)反射的最大強(qiáng)度1(1(|(|);
[0027]-測定37°到39°區(qū)域內(nèi)(101)反射的最大強(qiáng)度1(1(11);
[0028]呈現(xiàn)(001)擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)份額x_)和y _)按照下式計算:
X(OOl) — I (001)/ (1 (001)+1 (100))
和 y (001) — I (001)/ (1 (001)+1 (101))。
[0029]已證實(shí)，特別有利的是，Xftltll)份額大于0.5，優(yōu)選大于0.6，更優(yōu)選大于0.75，和/或y tell)份額大于0.5，優(yōu)選大于0.6，更優(yōu)選大于0.75。
[0030]在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，高折射率層中的氧含量為最高10原子數(shù)％，優(yōu)選最高5原子數(shù)％，更優(yōu)選最高2原子數(shù)％。
[0031]層中的低氧含量防止了氮氧化合物的形成，氮氧化合物對于晶體生長，特別是對于形成晶體結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)取向具有不利的影響。
[0032]如果利用濺射法對硬質(zhì)材料層進(jìn)行涂覆，特別能夠獲得高折射率的硬質(zhì)材料層以及抗反射涂層的上述特性。
[0033]高折射率的硬質(zhì)材料層可以是純的氮化鋁層，或者硬質(zhì)材料層除了氮化鋁還可以含有其他組分，例如一種或多種其他氮化物、碳化物和/或碳氮化合物。氮化物、碳化物或碳