大面积镀膜用熔铸和热喷涂旋转靶材的比较

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1、大面积镀膜用熔铸和热喷涂旋转靶材的比较大面积镀膜用熔铸和热喷涂旋转靶材的比较2011年04月14日　　来源:温艳玲，夏黎海，　　DetlefMelzer,ChristophSimons　　[简介]:　　靶材是真空镀膜的重要原材料，靶材的纯度、密度直接影响膜系的成分和综合性能。近二三十年以来，随着溅射镀膜技术的快速发展，新的靶材制备技术不断出现，靶材质量和性能也取得了显著提高。大面积镀膜用熔铸和热喷涂旋转靶材的比较　　温艳玲，夏黎海，DetlefMelzer,ChristophSimons①　　上海贺利氏工业技术材料有限公司;①W.

2、C.HeraeusGmbH　　靶材是真空镀膜的重要原材料，靶材的纯度、密度直接影响膜系的成分和综合性能。近二三十年以来，随着溅射镀膜技术的快速发展，新的靶材制备技术不断出现，靶材质量和性能也取得了显著提高。　　起初，美国镀膜设备供应商BOC公司开发出旋转阴极靶材，靶材的利用率由传统矩形平面靶的40%提高到80%，大量节约镀膜成本，从此旋转靶材在大面积镀膜行业得到了广泛应用。　　然而，制备长达4米的矩形平面靶尚且不易，而制备相同长度、直径Φ150~190mm的中空圆柱靶更是一种真正的挑战！贺利氏是全球500强企业之一，作为世界上最大

3、的靶材供应商，拥有成熟的旋转靶材热喷涂制备技术，并于2006年成功推出镀膜玻璃用高密度Zn、Sn、Ni及其合金旋转靶材的熔铸制备技术。本文从制备技术、靶材组织和溅射性能方面对两种旋转靶材做了比较。　　热喷涂和熔铸制靶技术　　热喷涂是利用火焰、电弧或等离子射流等某种热源将涂层材料（丝、棒、粉）加热到熔融或半熔融状态，借助焰流或高速气体将其雾化，形成小的熔滴，并加速喷射到衬管或衬板表面，快速冷却凝固成涂层的过程。因此，热喷涂技术可分为三种：火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂。　　靶材熔铸技术也可分为三种不同的浇铸形式：无衬管或衬板的整体式

4、甩带浇铸、有衬管或衬板的直接浇铸、分段甩带浇铸而后粘结成靶材。表1给出了贺利氏主要旋转靶材及其制备方法。　　表1贺利氏主要旋转靶材及其制备方法Zn/ZnAl2/ZnSn(Sb)　　AgSnNiCr/NiVTiSiAlZAO　　电弧喷涂　　√　　等离子喷涂　　√√　　整体式浇铸　　√　　直接浇铸　　√√　　浇铸+粘结　　√　　其它√√　　靶材显微组织比较　　由于制备方法不同，旋转靶材表现出不同的性质（表2），特别是显微组织。　　表2两种方法制备靶材的性质比较热喷涂旋转靶　　熔铸旋转靶　　密度孔隙率　　80~95%理论密度5~20%　

5、　100%理论密度0%　　氧含量氮含量　　<5000ppm<400ppm　　<200ppm<50ppm　　平均晶粒尺寸晶粒　　形状　　(10-100)?m圆饼状　　(0.1~2)mm球状或树枝晶　　显微组织取向　　平行于旋转轴方向　　垂直于旋转轴方向　　Sn靶金相组织　　热喷涂旋转靶材的显微组织为圆饼状扁平细晶粒，晶粒取向平行于旋转轴方向。组织内有大量微米级孔洞，整体孔隙率高达5~20%。孔隙的数量和形状强烈地依赖于使用的涂层材料、喷涂技术和气体流量。气孔与靶材制备和储存中的环境湿度、氧气的吸附和脱附直接相关。因此，热喷涂靶材在溅

6、射前必须用隔离的前级泵除去表面吸附气体。　　熔铸靶材呈现为较粗大的等轴晶或树枝晶显微组织，晶粒取向垂直于旋转轴的方向。然而，组织致密，无气孔，表明制备过程中无氧气和湿气的吸附或脱附问题。气孔的消失使靶材的导热率提高，有助于溅射靶材表面的热量快速传递给旋转靶材内表面的冷却水（或衬管）。　　靶材氧含量比较　　组织的多孔性是热喷涂靶材的一个重要缺陷。在喷涂过程中，靶材表面和空气中的O2和N2大面积接触，即使是真空等离子喷涂技术（实际上是低气压喷涂），也不能避免合金靶材中氧化物和氮化物的产生。相对来说，熔铸制靶技术很容易通过熔渣反应防止金

7、属的氧化和氮化，从而得到极低氧含量的纯金属或合金靶材。　　材料种类和粘结工艺　　热喷涂可使用棒材、线材和粉状颗粒的涂层材料（熔融前不会蒸发），因而热喷涂制靶技术适用于金属、合金和陶瓷等多种材料。熔铸靶材技术仅限于熔点和浇铸设备相匹配的金属或合金材料，脆性陶瓷不适合浇铸，熔点太高则需要特别的浇铸设备。而且，一些陶瓷材料在达到熔点之前会升华或分解。　　热喷涂旋转靶材是把涂层材料直接喷涂于衬管上，不需要另外的粘结工序。这和低熔点金属（熔点<450℃）的直接浇铸和整体式甩带浇铸相同，然而，Ag等一些熔点较高的“软”金属必需分别粘结。　　靶

8、材的溅射性能　　两种方法制备靶材的组织不同，决定了靶材使用性能的差异（表3）。　　表3两种方法制备靶材的溅射性能差异热喷涂旋转靶熔铸旋转靶　　靶材表面状态　　平整,灰色，色相较暗平整致密，有金属光泽孔洞表现大量直径<0.5mm的小孔偶有单个孔洞，直