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，容易导致溅射过程中放电，甚至烧坏靶材，图3为安装使用初期出现严重放电而烧坏的致密度低的喷涂靶材照片。

图3 放电严重致使烧损的喷涂靶

同时，靶材溅射表面瞬间高温容易使松散颗粒团装掉落，污染玻璃表面，影响镀膜质量。国家对于镀膜玻璃表面点状脱膜有明确的规定，规定见表1，相对密度越高，成膜速率越快，溅射过程越稳定。根据靶材制备工艺的差异，熔铸靶相对密度应保证在98%以上，粉末冶金靶材应保证在97%以上以满足生产使用。因此需严格控制靶材致密度以减少掉渣现象的发生。喷涂靶材密度较低，制备成本也低，当相对密度能保证90%以上时，一般不影响使用，目前国内使用的SiAl靶均为喷涂靶。

表1 镀膜面中心部位的点状缺陷要求

缺陷名称说明GB18915要求

针孔

直径<0.8mm无要求

0.8mm≤直径<1.2mm不允许密集

1.2mm≤直径<1.6mm允许中部：3*S个；75mm边部8*S个1.6mm≤直径≤

2.5mm允许中部：2*S个；75mm边部5*S个

直径>2.5mm不允许

斑点1.0mm<直径≤2.5mm允许中部：5*S个；75mm边部6*S个

2.5mm<直径≤5.0mm允许中部：1*S个；75mm边部4*S个

直径>5.0mm不允许

1.针孔指观察到完全透光的点；斑点指膜层未完全脱落反射观察仍可见少量膜层；

2.针孔密集是指直径100mm范围内超过20个针孔；

3.S是以平方米为单位的玻璃板面积，保留小数点后两位。

除致密度外，如果靶材在生产过程中出现异常，如大颗粒脱落或受热出现缩孔，会形成较多气孔（内部缺陷），靶材内部出现较大（熔铸靶>2mm，喷涂靶>0.5mm）或较密集的孔洞都会由于电荷集中而出现放电，影响使用。密度低和含有气孔的靶材在后续处理、搬运或安装时，极易发生碎裂。相对密度高、孔隙少的靶材导热率好，溅射靶材表面的热量易于快速传递给靶材内表面或衬管内的冷却水，散热好，从而保证了成膜过程的稳定性。

4 靶材晶粒尺寸和结晶方向的影响

同一成分的靶材，晶粒尺寸较小的靶材比晶粒尺寸大的沉积速率快，这主要是由于晶界在溅射过程中更容易受到攻击，晶界越多，成膜就越快。晶粒尺寸的大小除影响溅射速率外，也会影响成膜质量。例如在Low-E产品生产过程中，NiCr作为红外反射层Ag的保护层，其质量对镀膜产品有非常大的影响。由于NiCr膜层的消光系数比较大，所以一般镀的很薄（约3nm左右）。如果晶粒尺寸过大，溅射时间短，会造成膜层致密性差，降低其对Ag层的保护作用，导致镀膜产品氧化脱膜。晶粒尺寸对于均匀性的影响则较小，研究表明，同一制备工艺制备的四个同材料金属靶，通过

不同的热处理时间使晶粒尺寸从0.5到3.3mm变化，发现膜层的均匀性并没有差异。因此晶粒尺寸的大小对成膜的均匀性影响很小或者没有影响。但是晶粒尺寸的均匀性则会直接影响到成膜的均匀性，鉴于靶材是在不断地消耗，除考虑靶材同一层面的均匀性外，也应考虑靶材厚度方向上的均匀性，要求不同截面的晶粒尺寸尽量一致，进而保证不同时期溅射成膜的均匀性。图4为不同厂家NiCr 靶的微观组织对比，由晶相照片可以看出靶a的晶粒尺寸大小和均匀性都比靶b的好，靶a对应溅镀成膜的质量更高。据日本Energy公司研究发现，若将钛靶的晶粒尺寸控制在100 μm以下，且晶粒大小的变化保持在20%以内，其溅射所得薄膜的质量可得到大幅度改善。

a b

图4 NiCr靶的微观组织对比

对于多晶体，晶体的晶粒在不同程度上会沿着某些特殊的取向排列。在靶材溅射过程中，低能离子不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被撞原子，引起晶格点阵上原子连锁碰撞。这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行，但在原子最紧密排列点阵方向上最为有效。因此，靶表原子容易沿着原子最紧密排列方向择优溅射出来，材料的结晶方向对溅射速率和成膜厚度均匀性有很大影响，常可以通过改变靶材结晶结构的方法来提高的射速率和成膜质量。例如通过控制硅靶的加工工艺，使其晶粒存在一定的择优取向，可以将膜层的膜厚偏差从10%降低至5%。不同材料具有不同的结晶结构，应采用不同的成型、热处理方法和条件进行加工，使靶材具有最优的晶粒取向，提高磁控溅射成膜速率和膜层质量。

5 靶材纯度和材质均匀性的影响

溅射靶材的纯度对所镀薄膜的性能影响很大。当表面清洁的玻璃进入高真空镀膜腔室内，如果靶材纯度不够，在电场及磁场的作用下，靶材中的杂质颗粒在溅射过程中会附着到玻璃表面，造成部分位置的膜层不牢固出现脱膜现象。因此，靶材的纯度越高，所镀薄膜的性能越好。尹荣德在对纯度为99.9%的铜靶进行研究的过程中发现，在Cu靶制备的过程中难免会引入硫和铅元素，微量S 的加入可以防止热加工过程中晶粒尺寸变大和产生微裂纹等使表面粗糙的情况发生。但S含量添加高于18ppm时，又会出现微裂纹，随着S、Pb两种杂质元素量的增加，靶材裂纹数量及打弧放电次数均会有所增加。所以应尽可能降低靶材中的杂质含量，减少溅射薄膜污染源，提高薄膜的均匀性。

对于导热性能差的靶材，例如SiAl 靶，常会由于靶材内存在杂质引起传热受阻，或者生产使用的冷却水温和实际镀膜线水温存在差异等原因造成使用过程中靶材开裂。一般情况下，轻微的裂纹不会对镀膜生产造成很大的影响。但当靶材出现较为明显的裂缝时，电荷非常容易在裂缝部位边缘集中，从而导致靶表异常放电。放电现象会导致出现掉渣，成膜异常，产品报废量增加。所以在制备靶材的过程中，除控制纯度外，也应该控制制备工艺条件。

对于合金靶材，常会出现材料分布不均的现象，如SiAl靶中的铝团聚，锌铝靶中铝的偏析（铝的原子质量为27小于锌的原子质量65，浇注后在冷却过程中铝会上浮，引起一侧铝含量高，一侧低）。由于熔点低，SiAl靶中团聚的Al在溅射成膜过程中非常容易出现掉渣，而喷涂过程中Al的

加入量是一定的，一部分出现团聚时说明其它位置铝含量偏少，影响SiAl靶的导热和导电性，从而使溅射速率出现不一致，膜层均匀性变差，靶材出现开裂，加剧靶材放电的现象，也会降低成膜质量。而靶材成分的偏析会影响溅射速率（膜层均匀性）和膜层成分。因此，除控制靶材纯度外，合金靶中材质的分布也是至关重要的。

6 靶材绑定及衬管质量的影响

为了避免一些韧性较差的金属、合金或氧化物等易裂材料在使用过程中破裂，在制备平面靶时通常会把靶材绑定在铜背板上，旋转靶材则会绑定在不锈钢衬管上，常用的绑定材料为金属铟或其它金属物质。除保护靶材免于运送或者拿取中的意外破裂外，也可以改善靶材机械强度不足的问题，利用靶材拼接到背板（衬管）来解决大尺寸靶材制备使用受限的问题。可确保靶材的冷却及电接触良好，防止靶材在溅射中出现溅射不均匀和靶材开裂等问题。由于靶材在溅射过程中会生成大量的热，而陶瓷靶材如AZO靶散热性能较差，如果绑定出现较大面积结合不好（绑定靶材的无效粘结面积大于靶材和衬管/背板接触面积的10%），非常容易出现溅射过程局部热量积聚，低熔点绑定材料铟（熔点为156℃）熔化，导致靶材开裂甚至脱落。同时，由于ZnO的存在，AZO 靶在使用过程中常出现表面结瘤现象，而裂缝处更易出现打弧放电，使结渣情况加剧（见图5a ），严重影响靶材的使用功率和周期，降低镀膜产品的生产效率，增加生产成本。而且导热导电不均匀会引起靶材溅射不均匀（成膜不均匀），表面结瘤和放电现象也会引起成膜不均匀，膜层颜色出现差异，对介质层变化影响敏感的三银产品差异更为明显，使镀膜废品率升高。因此，靶材的绑定质量对其使用有着很大的影响。

而对于一些导热良好不需要绑定的金属或合金旋转靶，如ZnAl、ZnSn、SiAl靶等，由于靶材材料与不锈钢管热膨胀系数(物质在热胀冷缩效应作用之下，几何尺寸随着温度的变化而发生变化的规律性系数)存在差异，也需要使用某种连接材料进行粘结。如果结合不好，也会出现靶材受热不均，导热受阻，出现开裂脱落的现象（如图5b），影响镀膜产品的质量和生产。

a b

图5 绑定质量引起的靶材异常

对于旋转靶材，除绑定质量外，不锈钢衬管本身的质量对镀膜生产也有影响。不锈钢管端头内侧倒角过大或过小时（一般为25°），端头或安装螺纹处存在较大划伤、磕伤变形或存在杂质异物时，都容易出现密封不严引起漏气，将直接导致真空度低，溅射成膜成分异常，均匀性变差等影响镀膜产品质量。同时，不锈钢管的平直度及内径大小也会影响到其使用。如果不锈钢管靶筒内径较小或者内径整体存在偏差（仅端部尺寸符合内径大小的要求）内，安装上磁钢后，在生产过程中易出现磁钢和靶材之间严重摩擦，旋转时靶材跳动严重，不仅会损坏端头，也会影响成膜质量。尤其对于使用时间较长出现轻微变形的磁钢，对于靶材衬管的要求相对就会更高。

7 腔室条件对靶材成膜影响

除上述靶材自身存在的问题外，腔体未能清洁干净，或长时间生产后腔室表面吸附了较多的杂质，都在生产过程中会出现不导电颗粒附着在靶材表面。溅射过程中电荷在凸起部分容易出现积聚，导致结瘤越来越大，放电严重，从而也会影响到成膜的质量。同样，如果腔室存在微量漏气，反应生成的不导电溅射物也有可能附着在靶材表面成为结瘤，影响成膜效率和膜层均匀性。所以，腔室的条件对靶材的使用情况也有着非常重要的影响。积瘤初期通过纯氩烧靶很容易去除，但如果不做处理，积瘤会逐渐长大，并引起严重的打弧，影响生产。每次生产前应对靶材用强电流对靶材进行烧靶，以清理靶材表面的杂质。并定期对真空腔室进行打磨、吸尘及擦拭处理，对包网进行喷砂处理以去掉附着在上面的金属反应物，从而保证洁净的镀膜环境。

8 总结

靶材的形状设计主要影响靶材利用率，合理的尺寸设计可以提高靶材的利用率，节约成本。晶粒尺寸越小，镀膜的速率越快，均匀性越好。纯度和致密度越高，孔隙率越少，成膜质量越好，放电掉渣的几率就越小。除靶材材料的影响外，靶材衬管是质量，靶材与背管或背板的结合情况都会影响膜层的生产情况。镀膜腔室的环境也会影响靶材的使用，从而影响到成膜的质量。靶材的质量高，膜层质量好，靶材使用寿命长，造成的镀膜废品少，这些都会降低镀膜的生产成本，对Low-E 产品的普及有非常重要的意义。

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