EP1514851B1

Protective coating for a body as well as process and plant unit for preparing protective coatings

Abstract

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EP1514851B1, drawing sheet 1
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Expired 27 August 2024, 2.1 years ago.

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40 claims: 11 independent, 29 dependent

  1. 1
    Glaskeramik-Kochfeld mit einer Schutzschicht, die mindestens eine Hartstoffschicht umfasst, die eine morphologisch dichte, im wesentlichen senkrecht zur Körperoberfläche aufwachsende Kolumnenstruktur aufweist und Zirkonoxid in einer temperaturstabilen Kristallphase umfasst.
  2. 2
    Glaskeramik-Kochfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte Kolumnenstruktur der Hartstoffschicht zu mindestens 50 %, vorzugsweise zu mehr als 80 % kristallin ist.
  3. 3
    Glaskeramik-Kochfeld nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolumnen im Mittel eine laterale Ausdehnung von kleiner 1µm und bevorzugt von kleiner 200 nm besitzen.
  4. 4
    Glaskeramik-Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Hartstoffschicht im Bereich von 100 bis 20000 nm, bevorzugt zwischen 500 bis 10000 nm und besonders bevorzugt zwischen 1500 bis 5000 nm liegt.
  5. 5
    Glaskeramik-Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit der Oberfläche einen R a -Wert 50 nm, bevorzugt einen R a -Wert 30 nm und besonders bevorzugt einen R a -Wert 20 nm aufweist.
  6. 6
    Glaskeramik-Kochfeld nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine dichte kristalline Kolumnenstruktur aufweisende Hartstoffschicht Siliziumnitrid umfasst.
  7. 7
    Glaskeramik-Kochfeld nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zirkonoxid zur Stabilisierung der temperaturstabilen Kristallphase mindestens eine weitere Komponente zu gemischt ist.
  8. 8
    Glaskeramik-Kochfeld nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stabilisierende Komponente mindestens ein Oxid aus der Gruppe Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Scandiumoxid, Titanoxid oder aus der Gruppe der Lanthanoid-Oxide, wie z.B. Lanthanoxid oder Ceriumoxid umfasst.
  9. 9
    Glaskeramik-Kochfeld nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonoxid umfassende Hartstoffschicht zusätzlich die Komponente Hafniumoxid enthält.
  10. 10
    Glaskeramik-Kochfeld nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonoxid umfassende Hartstoffschicht als stabilisierende Komponente 0,5 bis 50 mol% Y 2 O 3 , vorzugsweise 1 bis 10 mol% Y 2 O 3 und besonders bevorzugt 1,0 bis 7,5 mol% Y 2 O 3 enthält.
  11. 11
    Glaskeramik-Kochfeld nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonoxid umfassende Hartstoffschicht als stabilisierende Komponente 4 mol% (± 1 mol%) Y 2 O 3 enthält.
  12. 12
    Glaskeramik-Kochfeld nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine weitere Hartstoffschicht, insbesondere transparente Hartstoffschicht aufweist.
  13. 13
    Glaskeramik-Kochfeld nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Hartstoffschicht zu mindestens 50% aus Siliziumoxid besteht.
  14. 14
    Glaskeramik-Kochfeld gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht lateral eng zusammenhängende, senkrecht zur Körperoberfläche aufwachsende kristalline Kolumnen aufweist, deren laterale Ausdehnung im Mittel weniger als 1 µm, bevorzugt weniger als 200 nm beträgt und die vorrangig Orientierungen von Kristallen aufweist, die bei kolumnaren Wachstum geringe Tendenzen zur Verbreiterung zeigen, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Hartstoffschicht einen R a -Wert 50 nm, bevorzugt einen R a -Wert 20 nm aufweist.
  15. 15
    Verfahren zum Herstellen eines Glaskeramik-Kochfelds mit einer Schutzschicht gemäss Ansprüche 1-14, mit den Schritten:a) Bereitstellen der Glaskeramik-Kochplatte und der Schichtstoffe in einem Vakuumsystem, b) Beschichten der Glaskeramik-Kochplatte mittels eines reaktiven physikalischen Aufdampfprozesses, wobei Schichtstoffe in atomaren Abmessungen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass b1) während des reaktiven physikalischen Aufdampfprozesses die in atomaren Abmessungen erzeugten Schichtstoffe zusätzlich energetisch angereichert werden, so dass sich morphologisch dichte Kolumnenstrukturen beim Aufwuchs der Schicht bilden, wobei die zusätzliche energetische Anreicherung durch einen unterstützenden Ionenstrahl erfolgt, der auf das Substrat gerichtet ist und wobei durch gezielte Einstellung der Intensität des Ionenstrahls und Wahl der Energie der Ionen die in atomaren Abmessungen erzeugten Atome der Schichtstoffe in morphologisch dichten Kolumnenstrukturen aufwachsen.
  16. 16
    Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass a1) die zu beschichtende Glaskeramik-Kochplatte unmittelbar nach ihrer Herstellung in das Vakuumsystem zur Beschichtung überführt wird.
  17. 17
    Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Glaskeramik-Kochplatte mit Magnetronsputtern erfolgt.
  18. 18
    Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Glaskeramik-Kochplatte mit Ionenstrahlsputtern erfolgt.
  19. 19
    Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Ionen des unterstützenden Ionenstrahls zwischen 1 bis 2500 eV, bevorzugt zwischen 1 bis 800 eV, und besonders bevorzugt zwischen 20 bis 450 eV liegt.
  20. 20
    Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Ionenquelle die Ionen des unterstützenden Ionenstrahls bereitstellt.
  21. 21
    A Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen des unterstützenden Ionenstrahls dem am Sputterprozess beteiligten Plasma entzogen werden.
  22. 22
    Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstoffe in fester Form als metallische Komponenten oder als Metalloxide vorliegen.
  23. 23
    Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich während des Aufdampfprozesses Sauerstoff in das Vakuumsystem eingespeist wird.
  24. 24
    Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzliches Gas, vorzugsweise Stickstoff, zur Optimierung der Abtragsrate bei der Erzeugung der Schichtstoffe und zur Optimierung der Entstehung von atomaren Sauerstoff, in das Vakuumsystem eingespeist wird.
  25. 25
    Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Glaskeramik-Kochplatte eine Temperaturnachbehandlung, vorzugsweise in einer Sauerstoffatmosphäre, zur Optimierung der Kristallstruktur und des Sauerstoffgehaltes der aufgebrachten Schichtstoffe umfasst.
  26. 26
    Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturnachbehandlung bei Temperaturen bis 800°C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 400°C bis 700°C erfolgt.
  27. 27
    Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Körpers vor seiner Beschichtung einer Reinigung unterzogen wird.
  28. 28
    Verfahren nach Ansprüche 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung in einer Vakuumkammer durch eine Plasmabehandlung mit Ionen erfolgt, 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.
  29. 29
    Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Körpers vor seiner Beschichtung aktiviert wird.
  30. 30
    Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung in einer Vakuumkammer durch eine Plasmabehandlung mit Ionen erfolgt, 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.
  31. 31
    Verfahren nach Anspruch 28 und 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung und Aktivierung in einem Prozessschritt erfolgen.
  32. 32
    Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der zu beschichtende Körper zumindest vor dem Abscheiden der Schichtstoffe auf Prozesstemperaturen bis 800° C erwärmt wird, die bevorzugt zwischen 50° C und 550° C und besonders bevorzugt zwischen 100° C und 350° C liegen.
  33. 33
    Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung das Polieren der Oberfläche der aufgebrachten Schicht in mindestens einem Polierschritt umfasst.
  34. 34
    Verwendung einer Anordnung zum Beschichten eines Körpers aus Glas, Glaskeramik oder einem anderen nichtmetallischen kristallinen Material, umfassend eine Beschichtungsanlage, die mindestens eine Beschichtungskammer (4.1) aufweist, wobei die Beschichtungskammer (4.1) eine Vakuumkammer ist und die Beschichtungskammer (4.1) ein Target (14) mit dem Schichtausgangsmaterial, eine Anregungsquelle zur Erzeugung von Schichtausgangsmaterialien in atomaren Abmessungen, eine auf das Substrat (8) gerichtete, unterstützende Ionenstrahlquelle (12), mindestens ein Prozessgas-Einlassventil (15) zur Zufuhr von Prozessgasen in die Beschichtungskammer (4.1) sowie Shutter (7) zur Zu- und Abfuhr des zu beschichtenden Substrates (8) in die Beschichtungskammer (4.1) aufweist, wobei, die Beschichtungsanlage über eine Substratübergabestation (2.1) und eine Eingangsschleuse (2.2) direkt mit der Herstellungsanlage (1) des zu beschichtenden Substrates (8) verbunden ist zum Beschichten einer Glaskeramik-Kochplatte mit einer Schutzschicht gemäß den Ansprüchen 1 bis 14.
  35. 35
    Verwendung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle eine Ionenstrahl-Anregungsquelle (13) ist.
  36. 36
    Verwendung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle eine Magnetronsputterquelle ist.
  37. 37
    Verwendung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanlage eine Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) aufweist, wobei die Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) 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.
  38. 38
    Verwendung nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanlage weitere Beschichtungskammern (4.n), mit n 1 aufweist.
  39. 39
    Verwendung nach einem der Ansprüche 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanlage eine Nachbehandlungskammer (5) aufweist, wobei die Nachbehandlungskammer (5) eine Vakuumkammer ist und mindestens ein Sauerstoff-Zufuhrventil (16) sowie Heizelemente (9) enthält und über einen Shutter (7) mit der Beschichtungskammer (4.1) bzw. einer weiteren Beschichtungskammer (4.n) verbunden ist.
  40. 40
    Verwendung nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer (4.1) bzw. die weiteren Beschichtungskammern (4.n) und die Reinigungs-/Aktivierungskammer (3) Heizelemente (9) zur Einstellung der Beschichtungstemperatur aufweisen.
Independent claims40