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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， Detlef Melzer, Christoph Simons 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，Detlef Melzer, Christoph Simons 上海贺利氏工业技术材料有限公司; W.C.Heraeus GmbH 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150190mm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) Ag Sn NiCr/NiV Ti SiAl ZAO 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 8095%理论密度 520% 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 (0.12)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520%。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，直径2mm 放电率 大量小孔容易吸收湿气， 较高的放电率 很少放电，稳定溅射 溅射性能 溅射过程中松散颗粒容易掉落， 污染被镀物 显微组织表现出高致密性， 无松散颗粒 使用寿命 较短 比喷涂靶长约 20% 热喷涂靶材组织疏松多孔，含氧量高，因而呈现灰色表面，缺少金属光泽；吸附的杂质、湿气妨碍高真空的迅速获得，容易导致溅射过程中放电，靶材溅射表面瞬间高温易于使松散颗粒团状掉落，污染被镀件（玻璃）表面，影响镀膜质量和镀膜产品的合格率。 熔铸靶材结构致密，不易被湿气和杂质侵入，高纯度的金属元素稳定溅射，从而降低设备故障率和镀膜产品不良率；而且，靶材的高密度决定了更好的导热效果、 更多的可溅射材料和更长的使用寿命。经验证明，熔铸靶材正以其优良的溅射性能和高的性价比赢得越来越多的镀膜厂家的青睐。 靶材成本 热喷涂和熔铸靶材不同的生产过程决定了不同的成本构成。 热喷涂靶材的生产成本随靶材厚度的增加而增大，靶材厚度越大，喷涂时间越长，能量和气体量消耗越大。而且，可以通过调整喷涂工艺获得不同的靶材尺寸。 相对而言，熔铸旋转靶材的成本随厚度变化较小，靶材先熔铸成型，而后机械加工达到尺寸要求。对于不同尺寸的旋转靶材，其原材料和加工成本基本是固定的。综合考量，熔铸靶材以其高纯度、高密度、优良的溅射性能向我们展示了高的性价比。 上海贺利氏浇铸靶材已