專利名稱：沉積氧化鋁涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基底(其在優(yōu)選實施方案中是玻璃基底，更優(yōu)選實施方案中是在浮法玻璃生產(chǎn)工藝中生產(chǎn)的連續(xù)玻璃帶)的表面上沉積氧化鋁涂層的新型方法；涉及在其至少一個表面上具有氧化鋁涂層的基底，特別是玻璃基底；以及涉及涂布的基底，特別是涂布的玻璃基底，在其至少一個表面上具有多層涂層，在所述多層涂層中至少一層包括氧化鋁。
已知氧化鋁涂層可用于各種應(yīng)用，包括電氣和光學(xué)工業(yè)。該涂層是耐磨的，并且可在涂層中作為唯一的層或者在多層涂層中作為頂層以利用這些耐磨性能。氧化鋁涂層已被沉積在各種基底上，所述基底包括金屬、半導(dǎo)體材料和玻璃。可以使用各種方法，如化學(xué)氣相沉積、噴霧熱解和磁控濺射，使涂層沉積。
還有人建議使用化學(xué)氣相沉積(在下文中為方便起見稱為CVD)方法在玻璃上沉積氧化鋁涂層。美國專利4308316建議使用三甲基鋁作為前體來沉積無定形氧化鋁層。WO97/20963建議使用二烷基鋁醇鹽作為前體來在二氧化硅基底上或者在玻璃基底上沉積氧化鋁涂層。美國專利6037003建議使用烷基二鋁醇鹽作為前體來沉積氧化鋁涂層。美國專利5217753建議在工藝中使用三乙基鋁或者二乙基鋁氯化物作為前體來在涂布的玻璃基底上沉積氧化鋁涂層，所述涂布的玻璃基底具有二氧化鈦第一層和硅復(fù)合物第二層，氧化鋁沉積其上。
在浮法玻璃生產(chǎn)工藝中使用常壓CVD方法來在玻璃帶的表面上沉積各種涂層。涂層可以被沉積在玻璃帶上，同時其處于足以驅(qū)動沉積反應(yīng)的溫度。涂布機可以被置于浮法浴(float bath)中、浮法浴和退火爐間的空隙中或退火爐中，蒸氣通過涂布機與玻璃帶的表面接觸。一直需要這樣的方法，其可以在長時間內(nèi)制造具有均質(zhì)性的涂布的玻璃，并由此提高生產(chǎn)方法的經(jīng)濟性。
我們業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)羧酸酯存在于與玻璃接觸的蒸氣中時，在常壓使用CVD方法可以快速且均勻地進行氧化鋁涂層的沉積。這樣將酯引入到蒸氣提供了一種方法，該方法以較高的沉積速率沉積具有均質(zhì)性的氧化鋁涂層，并且該方法能夠在浮法玻璃生產(chǎn)方法中使涂層沉積在連續(xù)玻璃帶上而長時間運行。我們還發(fā)現(xiàn)從這些新型沉積方法中的某些所獲得的涂層顯示出新的和改進的性能，并且這些新型涂布的基底、特別是涂布的玻璃基底提供了本發(fā)明的第二方面。
在第一方面，本發(fā)明提供一種在處于高溫的基底的表面上沉積氧化鋁涂層的方法，所述方法包括使所述基底的表面與含鋁前體和羧酸酯的流體混合物接觸。
鋁前體可以是任何鋁化合物，所述鋁化合物可以在常壓在低于其與酯或者任何可能存在的助氧化劑反應(yīng)的溫度的溫度氣化。已先前建議用于沉積氧化鋁的CVD方法的任何鋁化合物可用于本發(fā)明的方法。可用作前體的有機鋁化合物的實例包括三烷基鋁化合物如三甲基鋁和三乙基鋁；烷基二鋁醇鹽，例如具有通式RnAl2(OR1)6-n的那些，其中可以相同或不同的R和R1表示含1-5個碳原子的烷基，并且n是1-5的整數(shù)；二烷基鋁醇鹽，例如具有通式R2AlOR1的那些，其中可以相同或不同的R和R1表示具有1-5個碳原子的烷基；具有通式RnAlX3-n的烷基鋁鹵化物，其中R表示含1-5個碳原子的烷基，X表示鹵素原子，優(yōu)選氯原子，并且n是1或2的整數(shù)；優(yōu)選的用于本發(fā)明方法的有機鋁化合物是二甲基鋁氯化物和二乙基鋁氯化物。
在特別優(yōu)選的實施方案中，鋁前體是無機鋁化合物?？稍诒景l(fā)明方法中用作前體的無機鋁化合物的實例是具有通式AlX3的三鹵化鋁，其中X表示鹵素原子，并且最優(yōu)選是氯原子。
可用于本發(fā)明方法的羧酸酯是具有通式R-C(O)-O-C-(X)(X1)-C(Y)(Y1)-R1的化合物，其中可以相同或不同的R和R1表示氫原子或者具有1-8個碳原子的烷基，并且X、X1、Y和Y1表示含1-4個碳原子的烷基或者氫原子；優(yōu)選地Y或者Y1中的至少一個表示氫原子。優(yōu)選地，該酯包括3-18個碳原子，并且優(yōu)選地3-6個碳原子。
優(yōu)選的用于本發(fā)明方法的酯包括甲酸乙酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、甲酸正丙酯、乙酸正丙酯、丙酸正丙酯、丁酸正丙酯、甲酸異丙酯、乙酸異丙酯、丙酸異丙酯、丁酸異丙酯、甲酸正丁酯、乙酸正丁酯、乙酸仲丁酯和乙酸叔丁酯。
最優(yōu)選的用于本發(fā)明方法的酯是乙酯，特別是甲酸乙酯、乙酸乙酯和丙酸乙酯。這些中最優(yōu)選的是乙酸乙酯。
本發(fā)明方法需要制備含鋁源和羧酸酯的流體混合物。該混合物應(yīng)該維持在低于鋁源反應(yīng)而形成氧化鋁的溫度的溫度。該混合物優(yōu)選維持在低于酯分解溫度的溫度。
在流體混合物是蒸氣的情況下，鋁源和酯優(yōu)選是可以在適當(dāng)?shù)蜏卣舭l(fā)的化合物。優(yōu)選的鋁源是在室溫為液體的那些或者可溶解在溶劑中而形成可氣化的溶液的那些。
流體混合物優(yōu)選是氣體混合物。氣體混合物的組分可以在基底表面上或在基底表面結(jié)合，但通常它們結(jié)合而形成前體氣體混合物，其然后與基底表面結(jié)合。氣體混合物通常包括載氣如氮氣或者氦氣。該混合物被維持在低于酯分解溫度并且足夠高以使組分保持在蒸氣相中的溫度。
前體氣體混合物被引入恰在基底表面上方的空間中。此表面應(yīng)處于高溫下，所述高溫足夠高以引發(fā)鋁前體和羧酸酯間的反應(yīng)并且導(dǎo)致氧化鋁涂層沉積在基底表面上。基底的溫度通常為350-700℃，更優(yōu)選為550-700℃，最優(yōu)選為600-650℃。
可使用已知的技術(shù)和裝置進行沉積方法。優(yōu)選的CVD的形式是平流CVD，雖然可以使用湍流CVD。
基底通常是具有平整表面的基底，涂層沉積在該平整表面上。優(yōu)選的基底是玻璃基底?；卓梢允遣Ａ?，但在優(yōu)選實施方案中，基底是作為浮法玻璃生產(chǎn)方法的一部分所生產(chǎn)的連續(xù)玻璃帶。
浮法玻璃生產(chǎn)方法中所生產(chǎn)的玻璃帶離開熔爐時，其溫度下降。玻璃的溫度為浮法浴卸料端的約1100℃至玻璃帶離開退火爐時的約200℃。CVD方法通常在玻璃帶尺寸穩(wěn)定并且其溫度數(shù)量級為800℃時進行。通常，浮法浴出口處的溫度數(shù)量級為600℃，退火爐入口處的溫度數(shù)量級為580℃。
本發(fā)明的方法可以在浮法浴中、浮法浴和退火爐間的空隙中、或退火爐中進行。在優(yōu)選實施方案中，涂布在浮法浴中進行。
在浮法玻璃生產(chǎn)方法中使金屬氧化物或者氧化硅涂層沉積在玻璃帶表面上的CVD方法是眾所周知的并且廣泛用于生產(chǎn)涂布的玻璃。本發(fā)明的CVD方法可以使用已知的裝置和技術(shù)進行。
流體混合物的流速應(yīng)被調(diào)節(jié)以提供所期望的沉積速率和所需厚度與質(zhì)量的涂層。最佳速率受各種因素影響，所述因素包括基底的性質(zhì)和溫度、基底的表面積、浮法玻璃生產(chǎn)方法中玻璃帶的線速度和從涂布裝置中除去廢氣的速率。
鋁前體和羧酸酯將通常包括1.0-15.0體積％、優(yōu)選2.0-8.0體積％的前體氣體混合物。鋁前體與羧酸酯的摩爾比將優(yōu)選為0.1∶1.0-0.5∶1.0，更優(yōu)選為0.2∶1.0-0.4∶1.0。其余的流體混合物可包括惰性載氣，其優(yōu)選是氮氣或者氦氣。
在流體混合物中，羧酸酯通常是唯一的含氧物質(zhì)。然而，可以使用較少比例的其他含氧化合物，具體地說是氧氣(或者空氣)。
本發(fā)明方法提供了比現(xiàn)有技術(shù)方法(即那些未使用羧酸酯的方法)更高的沉積速率。與使用現(xiàn)有技術(shù)方法獲得的涂層相比，本發(fā)明方法可以導(dǎo)致更少粉末的氧化鋁涂層的沉積。
氧化鋁涂層將通常具有與氧化鋁即Al2O3相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計量。略缺氧的涂層也可以被生產(chǎn)并且是有用的。
涂層可以直接沉積到裸露的玻璃上，或者沉積到其上已預(yù)先沉積一層或多層涂層的玻璃上。通過沿著玻璃帶設(shè)置多個涂布點，在浮法玻璃制造方法中可以將這種多層涂層沉積到玻璃帶上。
一種可以在氧化鋁層前之前沉積到玻璃上的涂層是堿金屬阻擋層。這種層在本領(lǐng)域中是已知的。在本發(fā)明中優(yōu)選的阻擋層是氧化硅阻擋層。氧化硅可以是二氧化硅，即它可具有化學(xué)計量SiO2，或者它可以包括其他元素如碳(這種層通常稱為碳氧化硅并且如GB2199848所述進行沉積)或者氮(這種層稱為氮氧化硅)。
另一種可以在氧化鋁層前之前沉積到玻璃上的涂層是一層或多層的抗暈彩層(anti iridescent layer)，如美國專利4377613中所述的那些。典型地，這種底層包括直接沉積到玻璃上的氧化錫薄膜和沉積在氧化錫上的二氧化硅薄膜。
氧化鋁涂層的厚度通常為300-2000埃，更優(yōu)選為500-1500埃，最優(yōu)選為600-1200埃。使用本發(fā)明方法生產(chǎn)的氧化鋁涂層的折射率為1.5-1.7，大多數(shù)通常為約1.6，這些值是在340-770nm的波長范圍內(nèi)測量的算術(shù)平均值。此折射率意味著可使用氧化鋁層來代替現(xiàn)有的提供顏色抑制性能的底涂層如碳氧化硅涂層和二氧化硅/氧化錫涂層。
與現(xiàn)有的涂層、最值得注意的是碳氧化硅涂層相比，本發(fā)明的氧化鋁涂層可以是更平整的。氧化鋁涂層的表面Rms可以是1.0-5.0nm。如此較平整的涂層可以通過將其沉積在較粗糙的涂層上而被用作消霧層。消霧涂層在本領(lǐng)域中是已知的并且在例如GB2136316和EP782975中進行了描述。使用本發(fā)明方法可以有益地將氧化鋁涂層沉積在其上作為消霧涂層的較粗糙的涂層的實例是氧化錫涂層并且具體地說是已使用CVD方法被沉積的氧化錫涂層。具有氧化錫涂層和作為消霧層沉積于其上的氧化鋁涂層的涂布的玻璃是本發(fā)明另一個實施方案。優(yōu)選地，這種涂布的玻璃是使用CVD方法直接將氧化錫涂層沉積到玻璃上而生產(chǎn)的。
本發(fā)明的氧化鋁涂層的硬度典型地在20℃為8-20Mohs。
本發(fā)明方法也可用來生產(chǎn)鋁和另一種金屬的混合氧化物。優(yōu)選地，所述混合氧化物包括較大比例的鋁和較少比例的另一種金屬。典型地這些混合氧化物的金屬含量包括至少90摩爾％的鋁和10摩爾％或以下的另一種或多種金屬。可以通過將適當(dāng)量的附加金屬源引入到流體混合物而生產(chǎn)這種混合氧化物。可有益地被引入的附加金屬的實例包括錫和鋅。各種錫源被用于CVD方法，例如單丁基錫三氯化物，并且這些可以被引入到流體混合物。同樣合適的鋅源如二乙基鋅是可以獲得的并且可用于本發(fā)明方法中。這些附加金屬的存在可以增加層的折射率并且這在某些應(yīng)用中可能是有益的。附加金屬的存在也可使涂層導(dǎo)電。
此外，如果需要的話，氧化鋁涂層可以摻雜例如氟。這種氟的摻雜可能影響涂層的某些光學(xué)常數(shù)和/或可能賦予涂層外表面某些性能，例如，疏水性等。


圖1示意地說明了可用于實施本發(fā)明方法的和如實施例1-7所用的靜態(tài)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器和氣體輸送系統(tǒng)的實例。
在圖1中，通常標(biāo)記為1的靜態(tài)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器和氣體輸送系統(tǒng)包括具有出口管線5和入口管線7的反應(yīng)器3，出口管線5和入口管線7都可以是纏繞的并且用加熱帶加熱以在這些管線中減少冷凝的可能。管路7連接到四通閥9。其他與閥9相連的是連接到吹掃氣源的管路11、連接到廢氣熔爐的管路13和連接到鼓泡器17、19和21和連接到機械化加熱注射器23和25的管路15。管路27、29和31將鼓泡器中產(chǎn)生的蒸氣進料到管路15。管路33和35將從注射器驅(qū)動器注入的液體進料到管路15。管路37連接到氮源。
除非另有說明，全部氣體體積在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下測量。使用高分辨率掃描電子顯微術(shù)和涂布的玻璃的反射和透射光譜的光學(xué)模型來確定所述各層的厚度值。以約5％的不確定度測量涂層的厚度。使用Tapping Mode AFM確定涂層表面的粗糙度。
在表1中總結(jié)了實施例1-7的工藝條件。
表1
DMAC-二甲基鋁氯化物TEDA-三乙基二鋁三仲丁醇鹽DEZ-二乙基鋅MBTC-單丁基錫三氯化物以下實驗條件適用于實施例8-13。具有傳送帶的實驗室熔爐包含一個10英寸寬的雙向涂布機，所述傳送帶能夠使玻璃片通過該熔爐。
涂布機適合于將氣化反應(yīng)物傳送到玻璃片的表面。玻璃片被預(yù)熱到632℃的溫度。
使用被維持在一定溫度的稱作鼓泡器的源室制備進料到涂布機的蒸氣物流。惰性氣體如氦氣或者氮氣以一定受控速率被引入到鼓泡器以攜帶鼓泡器中的反應(yīng)物，將其輸送到涂布機并其后到玻璃表面。
表2
以下實驗條件適用于實施例14-21，其中鋁前體是一種無機鋁化合物。具有移動式傳送帶的實驗室熔爐還包含一個10英寸寬的雙向涂布機，所述移動式傳送帶以150英寸/min(ipm)的速度將一個或多個玻璃片傳送通過所述熔爐，所述涂布機適于將氣化反應(yīng)物輸送到玻璃片表面，以通過化學(xué)氣相沉積形成薄膜或者薄膜疊層。
玻璃片被加熱到約632℃，同時涂布機在反應(yīng)器面上，即與玻璃表面最接近的部分，溫度為約260℃。
對于除實施例19之外的所有實施例，總氣體流量基本上為35標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(slm)，實施例19基本上為32slm。
通過利用多個被稱為“鼓泡器”的源室(有一個用于被維持在一定溫度的乙酸乙酯(EtOAc)和三氯化鋁(AlCl3))來完成各種前體材料的制備。在特定的流速下將氦氣引入鼓泡器?；蛘?，可使用加熱的薄膜蒸發(fā)器來輸送EtOAc。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)通過本發(fā)明方法生產(chǎn)的所得氧化鋁涂層具有1.5-1.65的折射率，使得實現(xiàn)了所期望的光學(xué)效果，特別是當(dāng)用于與其他涂層結(jié)合時。
表3總結(jié)了沉積條件和各實施例的所得薄膜厚度。對于實施例19-21，光學(xué)確定薄膜厚度，而對于實施例14-18，使用化學(xué)侵蝕和隨后表面光度法。
表3
在實施例19-21中，在涂布機中使各種上述反應(yīng)物結(jié)合而將氧化鋁涂層沉積在澄清的堿石灰-石英玻璃片上，其上預(yù)先沉積了厚度為200埃的SiO2層。實施例14-18被沉積在Pilkington Energy AdvantageTM玻璃上，其中頂層為SnO2:F。如可從表3中提供的資料看出，AlCl3和EtOAc的結(jié)合而沒有其他組分，當(dāng)以本文所述方式結(jié)合和沉積時，由于非常令人滿意的生長速率，形成了具有有用厚度的氧化鋁薄膜。在有些情況下，添加分子氧看起來大大增強了薄膜生長速率和薄膜厚度。添加摻雜劑如氟看起來沒有增強生長速率或者薄膜厚度，但可能提供其他益處。
優(yōu)選地，氧化鋁涂層以大于200埃/秒的速度沉積。當(dāng)在生產(chǎn)過程中涂布基底時，高沉積速率可能是重要的。這對在線浮法玻璃生產(chǎn)方法來說是特別正確的，其中玻璃帶在數(shù)量級為數(shù)百英寸/分鐘的一定線速度下移動，并且其中需要一定的涂層厚度。由本發(fā)明優(yōu)選實施方案獲得的沉積速率可為其他已知沉積氧化鋁涂層的方法的沉積速率的兩倍或更多。特別地，使用含具有3-6個碳原子的酯的前體混合物，利用本發(fā)明可以實現(xiàn)氧化鋁的高沉積速率。
沉積速率取決于所使用的特定的酯、酯和氯化鋁兩者的濃度以及玻璃的溫度。對于化合物的任何特定結(jié)合，可以通過簡單試驗來確定對于快速涂層沉積的最佳濃度(特別是酯和氯化鋁的最佳比值)和流速。然而，應(yīng)將理解使用較高濃度的反應(yīng)物和高氣體流速可能導(dǎo)致較低效率的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為涂層的總轉(zhuǎn)化率，使得對于工業(yè)運行的最佳條件可能不同于提供最高沉積速率的條件。
就使用無機鋁前體的優(yōu)選實施方案來說，根據(jù)本發(fā)明被輸送到熱玻璃基底表面的氣體反應(yīng)混合物最優(yōu)選包括(全部百分?jǐn)?shù)為摩爾％)約0-約40％氧、約1.5％-約25％有機酯、約0.5％-約10％鹵化鋁，并且最優(yōu)選包括約0％-約25％氧、約3％-約15％有機酯和約1％-約5％鹵化鋁。
權(quán)利要求
1.一種通過使處于高溫的基底表面與含鋁前體的流體混合物接觸而將氧化鋁涂層沉積到所述表面上的方法，其特征在于該流體混合物還包括羧酸酯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述鋁前體是無機鋁化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述鋁化合物是具有通式AlX3的三鹵化鋁，其中X是鹵素原子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述酯濃度為鹵化鋁濃度的約1-9倍。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述鋁化合物是三氯化鋁。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述基底在其上具有二氧化硅涂層，并且所述氧化鋁涂層沉積在二氧化硅涂層上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于在400-800nm電磁波譜范圍內(nèi)該氧化鋁涂層的平均折射率為約1.5-1.65。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于該鋁前體是有機鋁化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于該鋁化合物是具有通式RnAl2(OR1)6-n的烷基二鋁醇鹽，其中可以相同或不同的R和R1表示含1-5個碳原子的烷基，并且n是1-5的整數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該鋁化合物是具有通式RnAlX3-n的烷基鋁鹵化物，其中R表示含1-5個碳原子的烷基，X表示鹵素原子，優(yōu)選氯原子，并且n是1或2的整數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于該鋁化合物是二乙基鋁氯化物。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述羧酸酯是具有通式R-C(O)-O-C-(X)(X1)-C(Y)(Y1)-R1的化合物，其中可以相同或不同的R和R1表示氫原子或者具有1-8個碳原子的烷基，并且可以相同或不同的X、X1、Y和Y1表示氫原子或者含1-4個碳原子的烷基。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述酯包括3-18個碳原子。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述酯選自甲酸乙酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、甲酸正丙酯、乙酸正丙酯、丙酸正丙酯、丁酸正丙酯、甲酸異丙酯、乙酸異丙酯、丙酸異丙酯、丁酸異丙酯、甲酸正丁酯、乙酸正丁酯、乙酸仲丁酯和乙酸叔丁酯。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述酯是乙酸乙酯。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述基底是玻璃基底。
17.權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述玻璃基底是在浮法玻璃生產(chǎn)方法中提供的連續(xù)玻璃帶。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于基底溫度是350-700℃。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于基底溫度是550-700℃。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述基底是在浮法玻璃生產(chǎn)方法中生產(chǎn)的連續(xù)玻璃帶，并且在浮法浴內(nèi)的某一點所述流體混合物與所述玻璃帶接觸。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述流體混合物還包括錫前體，使得含錫氧化鋁涂層沉積到基底表面上。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于所述錫前體是單丁基錫三氯化物。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于所述流體混合物還包括鋅前體，使得含鋅氧化鋁涂層沉積到基底表面上。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于所述鋅前體是二乙基鋅。
全文摘要
一種通過使基底表面與含鋁前體和羧酸酯的流體混合物接觸而將氧化鋁涂層沉積到所述基底上的方法。
文檔編號C03C17/34GK101014547SQ200580007886
公開日2007年8月8日 申請日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月10日
發(fā)明者M·P·小雷明頓, D·A·斯特里克勒, S·瓦拉納斯, L·葉 申請人:皮爾金頓北美公司, 皮爾金頓集團有限公司