1、引言

現(xiàn)代建筑大多已開(kāi)始采用大面積玻璃采光，這一方面帶給我們更明亮的房間以及更寬闊的視野，另一方面由于透過(guò)玻璃傳遞的熱能遠(yuǎn)高于周圍墻體，導(dǎo)致整個(gè)建筑物的使用能耗明顯增大。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，低輻射(Low—E)鍍膜玻璃在建筑領(lǐng)域得到了廣泛 的應(yīng)用，對(duì)降低建筑能耗和節(jié)約能源有著顯著的作用。目前制備低輻射薄膜成熟的技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積(在線Low—E)和真空磁控濺射鍍膜(離線Low—E)兩種。相對(duì)于顏色單一，輻射率較高的在線Low—E玻璃，離線Low—E玻璃輻射率和隔熱系數(shù)更低，顏色種類多，遮陽(yáng)系數(shù)和透光率均可根據(jù)設(shè)計(jì)師的要求進(jìn)行調(diào)整，制備成中空玻璃或夾層玻璃進(jìn)行使用，更適合社會(huì)發(fā)展對(duì)節(jié)能越來(lái)越高的要求，是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家高達(dá)90％以上低輻射玻璃的使用率，中國(guó)的Low—E玻璃普及率僅12％左右，其在中國(guó)還有非常大的發(fā)展空間。但是相對(duì)于普通玻璃和在線Low—E玻璃，離線Low—E玻璃的生產(chǎn)成本比較高，這在一定程度上限制了其應(yīng)用，國(guó)內(nèi)玻璃加工企業(yè)有義務(wù)不斷降低鍍膜產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使低輻射玻璃加快普及進(jìn)程、節(jié)約能源、改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

真空磁控濺射鍍膜能有效地降低靶室的工作壓強(qiáng)和靶的工作電壓，提高濺射和沉積速率，降低基片溫度，減小等離子體對(duì)膜層的破壞，特別適合于大面積鍍膜生產(chǎn)。影響濺射成膜速度和質(zhì)量的因素除包括真空度、濺射氣氛、氣壓、使用功率和靶基距等一 系列設(shè)備工藝條件外，靶材作為鍍膜使用的大宗原材料其本身的特性，包括靶材形狀、純度、密度、孔隙度、晶粒度及綁定質(zhì)量都對(duì)成膜品質(zhì)和濺射速率有非常大的影響。優(yōu)質(zhì)的靶材不但可以保證好的膜層質(zhì)量，也可以延長(zhǎng)Low-E產(chǎn)品的使用周期，更重要的可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，對(duì)鍍膜玻璃行業(yè)有很大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)于大面積鍍膜行業(yè)，靶材的相關(guān)研究也顯得尤為重要。

2、靶材形狀的影響

對(duì)于大面積鍍膜常用的靶材按形狀分包括平面靶和旋轉(zhuǎn)靶，常用的平面靶包括銅靶、銀靶、鎳鉻靶和石墨靶，常用的旋轉(zhuǎn)靶包括鋅鋁靶、鋅錫靶、硅鋁靶、錫靶、氧化鈦靶和氧化鋅鋁靶等。靶材形狀影響磁控濺射鍍膜的穩(wěn)定性和膜層特性，以及靶材的利用率，因此可以通過(guò)改變靶材的形狀設(shè)計(jì)提高鍍膜質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

平面靶材在磁控濺射過(guò)程中，由于磁場(chǎng)分布存在強(qiáng)度的不同(磁場(chǎng)切線方向的磁場(chǎng)最強(qiáng))，靶材濺射過(guò)程中表面區(qū)域存在濺射集中的環(huán)形“跑道”(如圖1)，靶材利用率低(僅有35％左右)。雖然旋轉(zhuǎn)靶的利用率很高，但制備成本較高，對(duì)于一些金屬靶材依然設(shè)計(jì)為平面靶。使用平面靶時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際磁場(chǎng)分布情況，加厚跑道部分材料厚度以提高靶材利用率，提高生產(chǎn)效率。而尺寸較大的平面靶很難整靶成型，需要制備成尺寸較小的靶材進(jìn)行拼接使用，拼接的縫隙可以為靶材熱膨脹提供空間，但縫隙較大時(shí)，容易有空氣殘留，造成抽真空困難。鍍膜過(guò)程中殘余氣體的釋放會(huì)影響膜層的質(zhì)量和均勻性，所以在靶材尺寸設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮縫隙大小，一般在0.5mm左右較佳。

而對(duì)于旋轉(zhuǎn)靶，濺射過(guò)程中靶材旋轉(zhuǎn)，濺射區(qū)不斷更換，幾乎不會(huì)出現(xiàn)類似于平面靶材的濺射跑道。但在磁控濺射過(guò)過(guò)程中，磁鋼內(nèi)部磁鐵的環(huán)形設(shè)計(jì)使得磁場(chǎng)存在一定的邊緣效應(yīng)，即靶材磁場(chǎng)端部與中間直線區(qū)域強(qiáng)度不一致。由于端部磁場(chǎng)強(qiáng)度大，正交電磁場(chǎng)對(duì)濺射離千造成影響，導(dǎo)致端部濺射速率快，產(chǎn)生不均勻刻蝕現(xiàn)象，直簡(jiǎn)狀的旋轉(zhuǎn)靶材會(huì)出現(xiàn)中部材料較厚時(shí)，邊部濺射穿，利用率普遍較低。囚此．旋轉(zhuǎn)靶材一般設(shè)計(jì)為狗骨狀（即中間直徑小，兩端自徑大，見(jiàn)圖2),以提高靶材利用率（利用率可達(dá)80%以上），節(jié)約生產(chǎn)成本。

3、靶材相對(duì)密度和孔隙的影響

靶材的相對(duì)密度足是靶材實(shí)際密度與理論密度的比比值，單一成分靶材的理論密度為結(jié)晶密度，合金或混合物靶材的理論密度通過(guò)各組元的理論密度和其在合金或棍合物中所占比例計(jì)符得出的，熱噴涂靶材組織疏松多孔，含氧址高（即使足真空噴涂，也難以避免合金靶材中氧化物和氮化物的產(chǎn)生），表而呈現(xiàn)灰色，缺少金屬光澤，吸附的雜質(zhì)、濕氣足主要的污染源，妨礙高真空的迅速獲得，容易導(dǎo)致濺射過(guò)程中放電，甚至燒壞靶材，圖3為安裝使用初期出現(xiàn)嚴(yán)職放電而燒壞的致密度低的噴涂靶材照片。

同時(shí)，靶材濺射表面瞬間高溫容易使松散顆粒團(tuán)裝掉落，污染玻璃表面，影響鍍膜質(zhì)量。國(guó)家對(duì)于鍍膜膜玻璃表面點(diǎn)狀脫膜有明確的規(guī)定，規(guī)定見(jiàn)表1,相對(duì)密度越高，成膜速率越快，濺射過(guò)程越穩(wěn)定。根據(jù)靶材制備工藝的并差異，熔鑄靶相對(duì)密度應(yīng)保證在98%以上，粉末冶金靶材應(yīng)保證在97%以上以滿足生產(chǎn)使用。因此需嚴(yán)格控制靶材致密度以減少掉渣現(xiàn)象的發(fā)生。噴涂靶材密度較低，制備成本也低，當(dāng)相對(duì)密度能保證90%以上時(shí)，一般不影響使用，目前同內(nèi)使用的SiAl靶均為噴涂靶。

除致密度外，如果靶材在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常，如大顆粒脫落或受熱出現(xiàn)縮孔，會(huì)形成較多氣孔（內(nèi)部缺陷），靶材內(nèi)部出現(xiàn)較大（熔鑄靶>2mm, 噴涂靶>0.5mm)或較密梊的孔洞都會(huì)由于電荷集中而出現(xiàn)放電，影響使用。密度低和含有氣孔的靶材在后續(xù)處理、搬運(yùn)或安裝時(shí)，極易發(fā)生碎裂。相對(duì)密度高、孔隙少的靶材導(dǎo)熱率好，濺射靶材表面的熱批易千快速傳遞給靶材內(nèi)表面或襯管內(nèi)的冷卻水，散熱好，從而保證了成膜過(guò)程的穩(wěn)定性。

4、靶材晶粒尺寸和結(jié)晶方向的影響

同一成分的靶材，晶粒尺寸較小的靶材比品粒尺寸大的沉積速率快，這主要是由于晶界在濺射過(guò)程中更容易受到攻擊，晶界越多，成膜就越快。晶粒尺寸的大小除影響濺射速率外，也會(huì)影響成膜質(zhì)量。例如在Low-E產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，NiCr作為紅外反射層Ag的保護(hù)層，其質(zhì)量對(duì)鎖膜產(chǎn)品有非常大的影響。由于NiCr膜層的消光系數(shù)比較大，所以一般鎖的很?。s3nm左右）。如果晶粒尺寸過(guò)大，濺射時(shí)間短，會(huì)造成膜層致密性差，降低其對(duì)Ag層的保護(hù)作用，導(dǎo)致鎖膜產(chǎn)品氧化脫膜。品粒尺寸對(duì)于均勻性的影響則較小，研究表明，同一制備工藝制備的四個(gè)同材料金屬靶，通過(guò)不同的熱處理時(shí)間使晶粒尺寸從0.5到3.3mm變化，發(fā)現(xiàn)膜層的均勻性并沒(méi)有差異。因此晶粒尺寸的 大小對(duì)成膜的均勻性影響很小或者沒(méi)有影響。但是晶粒尺寸的均勻性則會(huì)直接影響到成膜的均勻性，鑒千靶材是在不斷地消耗，除考慮靶材同一層面的均勻性外，也應(yīng)考慮靶材厚度方向上的均勻性，要求不同截面的晶粒尺寸盡擻一致，進(jìn)而保證不同時(shí)期濺射成膜的均勻性。圖4為不同廠家NiCr靶的微觀組織對(duì)比，由晶相照片可以看出靶a的晶粒尺寸大小和均勻性都比靶b的好，靶a對(duì)應(yīng)濺鎖成膜的質(zhì)批更高。據(jù)日本Energy公司研究發(fā)現(xiàn)，若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100μm以下，且晶粒大小的變化保持在20%以內(nèi)，其濺射所得蒲膜的質(zhì)撮可得到大幅度改善。

對(duì)于多晶體，晶體的晶粒在不同程度上會(huì)沿著某些特殊的取向排列。在靶材濺射過(guò)程中，靶表原子容易沿著原子最緊密排列方向擇優(yōu)濺射出來(lái)，材料的結(jié)晶方向?qū)R射速率和成膜厚度均勻性有很大影響，?？梢酝ㄟ^(guò)改變靶材結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方法來(lái)提高的射速率 和成膜質(zhì)址。例如通過(guò)控制硅靶的加工工藝，使其晶粒存在一定的擇優(yōu)取向，可以將膜層的膜厚偏差從10%降低至5%。不同材料具有不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用不同的成型、熱處理方法和條件進(jìn)行加T,使靶材具有最優(yōu)的品粒取向，提高磁控濺射成膜速率和膜層質(zhì)量。

5、靶材純度和材質(zhì)均勻性的影響

濺射靶材的純度對(duì)所鎖簿膜的性能影響很大。當(dāng)表面清潔的玻璃進(jìn)入高真空鎖膜腔室內(nèi)，如果靶材純度不夠，在電場(chǎng)及磁場(chǎng)的作用下，靶材中的雜質(zhì)顆粒在濺射過(guò)程中會(huì)附著到玻璃表面，造成部分位置的膜層不牢固出現(xiàn)脫膜現(xiàn)象。因此，靶材的純度越高，所鎖菏膜的性能越好。尹榮德在對(duì)純度為99.9%的銅靶進(jìn)行研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在Cu靶制備的過(guò)程中難免會(huì)引入硫和鉛元素，微扭S的加入可以防止熱加工過(guò)程中晶粒尺寸變大和產(chǎn)生微裂紋等使表面粗糙的情況發(fā)生。但S含量添加高于18ppm時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)微裂紋，隨著S、Pb兩種雜質(zhì)元素量的增加，靶材裂紋數(shù)量及打弧放電次數(shù)均會(huì)有所增加。所以應(yīng)盡可能降低靶材中的雜質(zhì)含量，減少濺射薄膜污染源，提高薄膜的均勻性。

對(duì)于導(dǎo)熱性能差的靶材，例如SiAl靶，常會(huì)由于靶材內(nèi)存在雜質(zhì)引起傳熱受阻，或者生產(chǎn)使用的冷卻水溫和實(shí)際鎖膜線水溫存在差異等原因造成使用過(guò)程中靶材開(kāi)裂。一般情況下，輕微的裂紋不會(huì)對(duì)鎖膜生產(chǎn)造成很大的影響。但當(dāng)靶材出現(xiàn)較為明顯的裂縫時(shí)，電荷非常容易在裂縫部位邊緣集中，從而導(dǎo)致靶表異常放電。放電現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)掉渣，成膜異常，產(chǎn)品報(bào)廢最增加。所以在制備靶材的過(guò)程中，除控制純度外，也應(yīng)該控制制備工藝條件。

對(duì)于合金靶材，常會(huì)出現(xiàn)材料分布不均的現(xiàn)象，如SiAl靶中的鋁團(tuán)聚，鋅鋁靶中鋁的偏析（鋁的原子質(zhì)量為27小于鋅的原子質(zhì)量65, 澆注后在冷卻過(guò)程中，鋁會(huì)上浮，引起一側(cè)鋁含扯高，一側(cè)低）。由于熔點(diǎn)低，SiAl靶中團(tuán)聚的Al在濺射成膜過(guò)程中非常容易出現(xiàn)掉渣，而噴涂過(guò)程中AI的加入量是一定的，一部分出現(xiàn)團(tuán)聚時(shí)說(shuō)明其它位置鋁含量偏少，影響SiAl靶的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，從而使濺射速率出現(xiàn)不一致，膜層均勻性變差，靶材出現(xiàn)開(kāi)裂，加劇靶材放電的現(xiàn)象，也會(huì)降低成膜質(zhì)量。而靶材成分的偏析會(huì)影響濺射速率（膜層均勻性）和膜層成分。因此，除控制靶材純度外，合金靶中材質(zhì)的分布也是至關(guān)重要的。

6、靶材綁定及襯管質(zhì)量的影響

為了避免些韌性較差的金屬、合金或氧化物等易裂材料在使用過(guò)程中破裂，在制備平面靶時(shí)通常會(huì)把靶材綁定在銅背板上，旋轉(zhuǎn)靶材則會(huì)綁定在不銹鋼襯管上，常用的綁定材料為金屬鋼或其它金屬物質(zhì)。除保護(hù)靶材免于運(yùn)送或者拿取中的意外破裂外，也可以改善靶材機(jī)械強(qiáng)度不足的問(wèn)題，利用靶材拼接到背板（襯管）來(lái)俯決大尺寸靶材制備使用受限的問(wèn)題。

可確保靶材的冷卻及電接觸良好，防止靶材在濺射中出現(xiàn)濺射不均勻和靶材開(kāi)裂等問(wèn)題。由于靶材在濺射過(guò)程中會(huì)生成大量的熱，而陶瓷靶材如AZO靶散熱性能較差，如果綁定出現(xiàn)較大面積結(jié)合不好（綁定靶材的無(wú)效粘結(jié)面積大千靶材和襯管／背板接觸面積的10%).非常容易出現(xiàn)濺射過(guò)程局部熱址積聚，低熔點(diǎn)綁定材料鈉（熔點(diǎn)為156°C)熔化，導(dǎo)致靶材開(kāi)裂甚至脫落。同時(shí)，由于ZnO的存在，AZO靶在使用過(guò)程中常出現(xiàn)表面結(jié)瘤現(xiàn)象，而裂縫處更易出現(xiàn)打弧放電，使結(jié)渣悄況加?。ㄒ?jiàn)圖Sa),嚴(yán)重影響靶材的使用功率和周期，降低鎖膜產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。而且導(dǎo)熱導(dǎo)電不均勻會(huì)引起靶材濺射不均勻（成膜不均勻），表而結(jié)瘤和放電現(xiàn)象也會(huì)引起成膜不均勻，膜層顏色出現(xiàn)差異，對(duì)介質(zhì)層變化影響敏感的=銀產(chǎn)品差異更為明顯，使鎖膜廢品率升高。因此，靶材的綁定質(zhì)獄對(duì)其使用有著很大的影響。

而對(duì)于一些導(dǎo)熱良好不需要綁定的金屬或合金旋轉(zhuǎn)靶，如ZnAI、ZnSn、SiAJ靶等，由千靶材材料與不銹鋼管熱膨脹系數(shù)（物質(zhì)在熱脹冷縮效應(yīng)作用之下、幾何尺寸隨著溫度的變化而發(fā)生變化的規(guī)律性系數(shù)）存在差異，也需要使用某種連接材料進(jìn)行粘結(jié)。如果結(jié)合不好，也會(huì)出現(xiàn)靶材受熱不均，導(dǎo)熱受阻，出現(xiàn)開(kāi)裂脫落的現(xiàn)象（如圖5b),影響鍛膜產(chǎn)品的質(zhì)址和生產(chǎn)。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)靶材，除綁定質(zhì)員外，不銹鋼襯管本身的質(zhì)址對(duì)鎖膜生產(chǎn) 也有影響。不銹鋼管端頭內(nèi)側(cè)倒角過(guò)大或過(guò)小時(shí)（一般為25° ), 端頭或安裝螺紋處存在較大劃傷、磕傷變形或存在雜質(zhì)異物時(shí)，都容易出現(xiàn)密封不嚴(yán)引起漏氣，將直接導(dǎo)致真空度低，濺射成膜成分異常，均勻性變差等影響鎖膜產(chǎn)品質(zhì)姑。同時(shí)，不銹鋼管的平直度及內(nèi)徑大小也會(huì)影響到具使用。如果不銹鋼管靶簡(jiǎn)內(nèi)徑較小或者內(nèi)徑整體存在偏差（僅端部尺寸符合內(nèi)徑大小的要求）內(nèi)，安裝上磁鋼后，在生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)磁鋼和靶材之間嚴(yán)重摩擦，旋轉(zhuǎn)時(shí)靶材跳動(dòng)嚴(yán)重，不僅會(huì)損壞端頭，也會(huì)影響成膠質(zhì)吐。尤其對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)出現(xiàn)輕微變形的磁鋼，對(duì)了靶材襯管的要求相對(duì)就會(huì)更高。

7、腔室條件對(duì)靶材成膜影響

除上述靶材自身存在的問(wèn)題外，腔體未能清潔凈，或長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)后腔室表而吸附了較多的雜質(zhì)，都存生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不導(dǎo)電顆粒附著在靶材表面。濺射過(guò)程中電荷在凸起部分容易出現(xiàn)積聚．導(dǎo)致結(jié)瘤越來(lái)越大，放電嚴(yán)正，從而也會(huì)影響到成膜的質(zhì)址。同樣．如果腔室存在微樹(shù)漏氣，反應(yīng)牛成的不導(dǎo)屯濺射物也有可能附著在靶材表面成為結(jié)瘤，影響成膜效率和膜層均勻性。所以，腔室的條件對(duì)靶材的使用情況也有著非常重要的影響。積瘤初期通過(guò)純氬燒靶很容易去除，但如果不做處理，積瘤會(huì)逐漸長(zhǎng)大，并引起嚴(yán)重的打弧，影響生產(chǎn)。每次生產(chǎn)前應(yīng)對(duì)靶材用強(qiáng)電流對(duì)靶材進(jìn)行燒靶，以清理靶材表面的雜質(zhì)。并定期對(duì)真空腔室進(jìn)行打磨、吸塵及擦拭處理，對(duì)包網(wǎng)進(jìn)行噴砂處理以去掉附著在上面的金屬反應(yīng)物，從而保證潔凈的鍍膜環(huán)境。

8、總結(jié)

靶材的形狀設(shè)計(jì)主要影響靶材利用率，合理的尺寸設(shè)計(jì)可以提高靶材的利用率，節(jié)約成本。晶粒尺寸越小，鍍膜的速率越快，均勻性越好。純度和致密度越高，孔隙率越少，成膜質(zhì)量越好，放電掉渣的幾率就越小。除靶材材料的影響外，靶材襯管是質(zhì)量，靶材與背管或背板的結(jié)合情況都會(huì)影響膜層的生產(chǎn)情況。鍍膜腔室的環(huán)境也會(huì)影響靶材的使用，從而影響到成膜的質(zhì)量。靶材的質(zhì)量高，膜層質(zhì)量好，靶材使用壽命長(zhǎng)，造成的鍍膜廢品少，這些都會(huì)降低鍍膜的生產(chǎn)成本，對(duì)Low—E產(chǎn)品的普及有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)南玻集團(tuán)工程玻璃事業(yè)部．玻璃鍍膜工藝技術(shù)．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2010

[2]VicComello．Targetdesignkeytosuccessfulsputtering．R&Dmagazine，2002(4)：91～93

[3]Wickersham，C．E．Crystallographictargeteffectsinmagnetronsputtering．VacuumScience&TechnologyA：Vacuum。Sur—faces，andFilms，1987，7(4)：1755—1758

[4]潘杰，姚力軍．靶材及其形成方法．申請(qǐng)?zhí)枺?01110455069．X

[5]溫艷玲，夏黎海．大面積鍍膜用熔鑄和熱噴涂旋轉(zhuǎn)靶材的比較

[6]陳建軍，楊慶山．濺射靶材的種類、應(yīng)用、制備及發(fā)展趨勢(shì)．湖南有色金屬，2006，8(4)：38～41

[7]DunlopJohnAlden．Spu~eringtargetwithultra—fine，orientedgrainsandmethodofmakingSalTle．1998，US5809393(A)

[8]楊邦朝，崔紅玲．濺射靶材的制備與應(yīng)用．真空，2001，6(3)：11～15

[9]YoonYoungduk，AndohToshiyuki．Sputteringtarget．JP2O12——053266

[10]劉志堅(jiān)，陳遠(yuǎn)星．濺射靶材的應(yīng)用及制備初探．南方金屬，2003．12(135)：23～24

[11]樊幸昌．G61一鍍膜生產(chǎn)線鍍膜玻璃脫膜針孔故障分析及解決方案．玻璃，2008(2)：57～58

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