靶材质量对大面积镀膜生产的影响

靶材质量对大面积镀膜生产的影响The influence of the target equality on the large area

coating glass production

胡冰王烁

摘要：真空磁控溅射镀膜现在已经成为工业镀膜生产中最主要的技术之一。靶材作为磁控溅射镀膜使用的大宗原材料，其质量对膜层性能有很大的影响，同时会影响到镀膜的生产效率和成本，对大面积玻璃镀膜企业有很大的影响。本文结合生产实际使用情况，将靶材对镀膜生产影响的主要特征参数，包括靶材的密度、晶粒尺寸、纯度、与衬管（背板）连接质量等因素进行了分析和研究，并在其参数控制方面给予相关建议。

Abstract：In present，vacuum magnetron sputtering coating has become one of the main techniques of coating industry . Be used as bulk raw materials of the magnetron sputtering coating，targets have a great influence on film quality, efficiency and cost of coating production,have a great influence on large area coating glass industry.In this paper, the main characteristic parameters of the targets, including the grain size , purity, density of target materials and quality of bonding,etc. which influence the quality of the large area coating were analysised and studied combine with the actual production，some advices in the parameters control were given.

关键词大面积镀膜Low-E玻璃靶材

Key words Large area coating low-emissivity glass targets

1 引言

现代建筑大多已开始采用大面积玻璃采光，这一方面带给我们更明亮的房间以及更宽阔的视野，另一方面由于透过玻璃传递的热能远高于周围墙体，导致整个建筑物的使用能耗明显增大。经过几十年的发展，低辐射（Low-E）镀膜玻璃在建筑领域得到了广泛的应用，对降低建筑能耗和节约能源有着显著的作用。目前制备低辐射薄膜成熟的技术包括化学气相沉积（在线Low-E）和真空磁控溅射镀膜（离线Low-E）两种。相对于颜色单一，辐射率较高的在线Low-E玻璃，离线Low-E玻璃辐射率和隔热系数更低，颜色种类多，遮阳系数和透光率均可根据设计师的要求进行调整，制备成中空玻璃或夹层玻璃进行使用，更适合社会发展对节能越来越高的要求，是社会持续发展的必然趋势。相对发达国家高达90%以上低辐射玻璃的使用率，中国的Low-E玻璃普及率仅12%左右，其在中国还有非常大的发展空间。但是相对于普通玻璃和在线Low-E玻璃，离线Low-E玻璃的生产成本比较高，这在一定程度上限制了其应用，国内玻璃加工企业有义务不断降低镀膜产品的生产成本，使低辐射玻璃加快普及进程，节约能源，改善环境，实现社会的可持续发展。

真空磁控溅射镀膜能有效地降低靶室的工作压强和靶的工作电压，提高溅射和沉积速率，降低基片温度，减小等离子体对膜层的破坏，特别适合于大面积镀膜生产。影响溅射成膜速度和质量的因素除包括真空度、溅射气氛、气压、使用功率和靶基距等一系列设备工艺条件外，靶材作为镀膜使用的大宗原材料其本身的特性，包括靶材形状、纯度、密度、孔隙度、晶粒度及绑定质量都对成膜品质和溅射速率有非常大的影响。优质的靶材不但可以保证好的膜层质量，也可以延长Low-e产品的使用周期，更重要的可降低生产成本，提高生产效率，对镀膜玻璃行业有很大的经济效益。因此，对于大面积镀膜行业，靶材的相关研究也显得尤为重要。

2 靶材形状的影响

对于大面积镀膜常用的靶材按形状分包括平面靶和旋转靶，常用的平面靶包括铜靶、银靶、镍铬靶和石墨靶，常用的旋转靶包括锌铝靶、锌锡靶、硅铝靶、锡靶、氧化钛靶和氧化锌铝靶等。靶材形状影响磁控溅射镀膜的稳定性和膜层特性，以及靶材的利用率，因此可以通过改变靶材的形状设计提高镀膜质量和生产效率，节约成本。

平面靶材在磁控溅射过程中，由于磁场分布存在强度的不同（磁场切线方向的磁场最强），靶材溅射过程中表面区域存在溅射集中的环形“跑道”（如图1），靶材利用率低（仅有35%左右）。虽然旋转靶的利用率很高，但制备成本较高，对于一些金属靶材依然设计为平面靶。使用平面靶时，可以根据实际磁场分布情况，加厚跑道部分材料厚度以提高靶材利用率，提高生产效率。而尺寸较大的平面靶很难整靶成型，需要制备成尺寸较小的靶材进行拼接使用，拼接的缝隙可以为靶材热膨胀提供空间，但缝隙较大时，容易有空气残留，造成抽真空困难。镀膜过程中残余气体的释放会影响膜层的质量和均匀性，所以在靶材尺寸设计过程中，应考虑缝隙的大小，一般在0.5mm左右较佳。

图1 平面靶溅射环形跑道

而对于旋转靶，溅射过程中靶材旋转，溅射区不断更换，几乎不会出现类似于平面靶材的溅射跑道。但在磁控溅射过程中，磁钢内部磁铁的环形设计使得磁场存在一定的边缘效应，即靶材磁场端部与中间直线区域强度不一致。由于端部磁场强度大，正交电磁场对溅射离子造成影响，导致端部溅射速率快，产生不均匀刻蚀现象，直筒状的旋转靶材会出现中部材料较厚时，边部溅射穿，利用率普遍较低。因此，旋转靶材一般设计为狗骨状（即中间直径小，两端直径大，见图2），以提高靶材利用率（利用率可达80%以上），节约生产成本。

图2 旋转靶材形状设计

3 靶材相对密度和孔隙的影响

靶材的相对密度是靶材实际密度与理论密度的比值，单一成分靶材的理论密度为结晶密度，合金或混合物靶材的理论密度通过各组元的理论密度和其在合金或混合物中所占比例计算得出的。热喷涂靶材组织疏松多孔，含氧量高（即使是真空喷涂，也难以避免合金靶材中氧化物和氮化物的产生），表面呈现灰色，缺少金属光泽，吸附的杂质、湿气是主要的污染源，妨碍高真空的迅速获得，