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国内溅射靶材发展与应用

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国内溅射靶材发展与应用

发布日期:2016-03-29 00:00 来源:http://www.bjpram.com 点击:

国内溅射靶材发展与应用

 

20 世纪90 年代以来靶材已蓬勃发展成为一个专业化产业,中国及亚太地区靶材的需求占有

世界70%以上的市场份额。大量不同的沉积技术用来沉积生长各种薄膜 ,而靶材是制作薄膜的关

键,品质的好坏对薄膜的意义重大。目前高端品质靶材主要由:日本、德国和美国生产,我国靶

材产业起步较晚,在产品质量与精细标准上与国外有不少的差距,国内也有许多大学及研究机构

对靶材积极投入了大量钻研与开发,经过这几年的发展也涌现了一批在靶材行业优秀的公司和院

校。在国内占据了大部分中等和要求不高的靶材市场份额。

1 靶材应用行业分类

1.1 装饰、工模具镀膜行业靶材铬靶(Cr),平面铬靶,喷涂铬管;

铬硅靶90/10Wt%,50/50at%,25/75at%(电弧,平面靶,旋转管靶);

钛铝靶50/50at%,70Ti/30at%,67AL/33at%(电弧,平面靶,旋转管靶);

钛铝硅靶1:1:1at%,1:2:1at%(电弧,平面靶,旋转管靶);

钛靶,钛管靶,锆靶;

金靶,玫瑰金靶;

石墨靶,镍靶,铝靶,不锈钢靶等。

1.2 太阳能光伏光热行业靶材

氧化锌铝靶ZAO; 硅靶;钛靶、氧化钛靶;铝靶;铬靶、镍铬;锌铝、钨、钼

靶等。

1.3 建筑汽车玻璃大面积镀膜

硅铝靶、旋转硅铝靶;氧化钛靶;锡靶;铬靶;硅靶;钛靶、不锈钢靶。

1.4 平面显示行业

ITO 靶;二氧化硅靶;高纯硅靶5-7N;高纯铬靶3N5;TFT 钼靶;钼铌靶;钨钛

靶90/10wt%;高纯铝靶等。

1.5 光学,光通信,光存储行业

银靶;钽靶;硫化锌靶;高纯铝靶;硅靶。

 

2 常用靶形

常用靶形有电弧靶、平面靶、旋转管靶。

2.1 平面靶材利用率提高方式

(1)改变磁铁运动方向

(2)改变磁力线分布宽度和高度

2.2 靶材性能与要求

靶材质量直接影响着薄膜的物理、外观、力学等性能,因而对靶材质量的评判较为严格,主

要应满足以下要求:杂质及氧含量低、纯度高;致密度高;成分与组织结构均匀;晶粒尺寸细小。

2.3 劣质靶材缺陷

a)和b)为熔炼铬靶烧蚀后靶面情况

c)靶面有凹痕为引弧针安装不当导致的

d)水晶镀膜靶材密度不够,烧蚀后区别

e)等离子喷涂氧化钛旋转管靶不良

 

3 介绍几款常用靶材的应用

3.1 装饰、工模具钛铝靶应用

高钛低铝:50/50at% 70Ti/30at% 80Ti/20at%

高铝低钛:67AL/33at% 75AI/25wt% 80AL/20 wt%

3.2 钛铝靶材应用

铸造法制做钛铝合金靶材无法避免疏松和缩孔,大尺寸钛铝铸管和铸锭不能保证制成旋转管

靶时达到密封和防水效果,并且随着管壁的刻蚀,壁厚变薄,疏松和缩孔只要有一个孔连通,密

封性会变的更加糟糕,轻者渗漏,靶管起辉放电,或大量杂气掺于反应不是掉膜就是起彩颜色不

对。严重者直接从疏孔向真空室射水,污染真孔腔和真空机组。

粉末冶金工艺制做钛铝靶材没有疏松和缩孔的问题,但从粉末冶金微观来看也是多孔材料,

所以要想制做钛铝旋转管靶,对材料致密性要求很严,密度必需>98%以上。但符合密度要求也不

代表可以使用。如果钛铝锭的含氧量很高而且微观结构不合理,钛铝锭内应力大,容易崩,也是

不能做旋转管靶的,所以在粉末制做和粒度配比上有很多条件要求。既使满足这些条件,粉末冶

金钛铝环还需绑锭在不锈钢管或钛管上,由于钛铝热膨胀系数很大,在溅射时局部靶材膨胀可能达到0.5-1MM,所以现在传统绑锭方式不能有效解决这个问题。出现钛铝绑锭分离,靶面热能无法

传导而爆裂的现象。致于所谓紧配绑锭和等离子喷涂钛铝合金靶那都是没有意义的解决方案,不能使用。低档钟表手饰没有薄膜厚度和光泽度要求。大多采用电弧钛铝靶沉积TiAlN。高档品牌表要求厚度

达到1 咪以上,且光泽度不能下降。电弧受液滴影响在光洁厚膜方面没有优势。目前比较好的方

式是采用旋转管靶沉积TiAlN,不仅颜色更接近玫瑰金而且厚度增加后光泽度也不受影响。

3.3 SVC 系列硅合金靶

主要是沉积超硬膜方面的靶材,近年钟表,手机在这方面有要求:如黑色防指纹超硬膜,不

锈钢机壳加硬,仿金色超硬膜等。这一含硅系列靶材在镀膜时是多种化合物共沉积的薄膜,如铬

硅靶在制做IP 黑薄膜时通入反应气体C2H2 铬离子与C 元素反应沉积生成黑色碳化铬(CrC)同时硅(Si)又与C 反应生成SiC。这种金属碳化物陶瓷与碳化硅交替沉积和咬合的薄膜不仅提高了

硬度,而且还保持了碳化硅表面磨擦系数很低的特性。

更有最新证据证明铬硅靶,钛硅靶反应生成的Ti/Cr/TiAlC/SiC 结构薄膜是DLC 最好的过渡连结层,可以在Ti/Cr/TiAlC/SiC 上生长DLC 厚膜,这是非常有意义的事。镀膜权威专家袁镇海

教授指出具有微观菱形氮化硅包裹氮化钛铝的PLAITING 镀层,有可能采用的就是硅铝靶和钛靶,

或者钛铝硅靶沉积的薄膜。

3.4 水晶镀膜系列靶材

水晶饰品,灯饰等镀膜量这几年增长很快,主要集中在中山古镇和义乌浦江为主。古镇是以

灯饰水晶镀膜为主有大小企业几十家。浙江义乌以水晶饰品为主。大多采用汇成真空电弧加磁控

镀膜设备。主要有干邑色,琥珀色,酒红色,AB 彩,玫红色,金黄色,墨绿色,猪肝色等。

水晶镀膜琥珀色,酒红色靶材是深圳矽谷公司铁基合金专利靶材。主推是旋转管靶和平面靶,

电弧靶由于蒸发量大,颜色不如旋转靶好,市场低端也可接受,高端镀膜由江门唐人张镀膜厂为

代表,产品质量稳定,外观颜色均匀靓丽,该公司采用的就是大型平面靶。由于水晶镀膜厂大多

是一台机或两台机的小厂,在镀膜技术上还比较薄弱,特别是对前处理清洗没有概念,所以经常

出现掉膜或退色现象。传统钟表首饰清洗方法中并不适用水晶镀膜清洗。

3.4.1 水晶镀膜工艺案例清洗参考

• 用不锈钢方网装入水晶吊坠;• 80-90℃超声波低浓度除油水5-10 分钟(1KG/100L 纯水)主要目的是除油和油性物质污

染;

• 过纯水;

• 40-50℃超声波低浓度酸洗(盐酸2L/100L 纯水)主要目的是去除表面发霉长毛及朦白污

染物);

• 过纯水;

• 过双氧水和氟化氢氨稀释水(0.5L 双氧水/50g 氟化氢氨/100L 水)(主要是表面活化,增

加薄膜与水晶结合力);

• 多缸活水漂洗;

• 挂架烘烤100-130℃;

• 进炉。

3.4.2 水晶镀膜工艺案例参考

• 抽真空致优于1.0×10﹣2 Pa ;

• 通入氩气真空度3.0×100 Pa ;

• 偏压-300~-500V(辉光清洗)5 分钟;

• 恢复真空;

• 调整好转架转速;

• 通入氩气和氧气(1:2)真空度7.0×10﹣1Pa 待真空稳定后同时打开所有电弧(100~140A)60~90 秒;

• 关闭弧源,气体结束镀膜。

• 出炉。

3.4.3 水晶镀膜薄膜退除药水配方

药水配方 操作条件

琥珀色、酒红色、干邑色 3L 盐酸/10L 纯水 浸泡

AB 彩、猪肝色、枪色 20g 氢氧化钾/50L 双氧水 浸泡

铬枪黑色 50KG 高猛酸钾/50L 水 温度80℃-90℃浸

3.5 国内外钛铝靶材制造商生产能力

 

3.6 进口与国产ITO 靶材比较3.7 ITO 靶材市场应用状况

全球2005 年需求563t,2007 年869t,2009 年1300t,2010 年1445t,2012 年将近2000t,

每年以平均15%的增长率递增。其中日本日矿材料公司占市场50%,日本三井矿业占25%,东曹占

15%,三星科宁占10%,国内靶材公司占据数额几乎可以忽略不计。4 靶材EDS 检测方法及薄膜XPS 检测

以Cr--Si 靶材为例,是从靶块切下一小块样品,图1 是样品的扫瞄电镜表面形貌。图2 为

图1 对应部位的能量散射谱元素半定量分析数据。

图1. 样品测试位置SEM 图 图2. EDS1 的能谱检测结果

玫瑰金镀层成分随深度变化的XPS 试验方法与结果:本节样品是镀玫瑰金的表壳。图3 是镀

层最表面的成分,主要是吸附的碳和氧;图4 是刻蚀至15nm 深处,其成分是金和铜,是玫瑰金

色的金合金主要成分;图5 是刻蚀至80nm 深处,成分主要是钛和氧,是玫瑰金层下的底层。图4. 氩离子溅射掉表面约15nm 污染后的XPS 全谱图5. 氩离子溅射掉表面约80nm 污染后的XPS 全谱

5 结束语

国外靶材公司占据了高端市场,国内靶材公司产品大多集中在装饰和工模具及大面积镀膜

行业;我国是产铟大国,每年国内ITO 靶材需求约1000 亿人民币,而我们国内靶材公司连5%都

做不到,存在很大的差距。究竟是设备原因?还是工业技术落后?或者是我们理论上面的缺失?

如何制造高端靶材占据国内市场?未来方向是什么?广大科研工作者和靶材公司要努力改变现

状。


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