增強磁控鍍膜靶材利用率研究
摘要：本文根據(jù)進口磁控鍍膜玻璃生產線使用、維護經(jīng)驗，詳細論述了通過調整陰極靶材磁場，如何有效增強靶材利用率。
論文關鍵詞：靶材,利用率,磁控濺射,磁場
有些國產單室磁控濺射設備的廠家采用補焊的方法來延長不銹鋼靶的壽命，由于其對鍍膜玻璃膜層質量要求不高，該方法效果不錯，但使用進口連續(xù)生產線的廠家，還沒有人采用該方法。
靶材濺射溝較深的幾個點，其濺射率最高，不但浪費靶材，還造成鍍膜玻璃膜層在橫向上不均勻。如果能降低濺射溝較深處幾點的磁場，不僅能提高膜層橫向均勻度，而且能延長靶材壽命，提高靶材利用率。
1 磁控濺射的工藝原理
在充入少量工藝氣體的真空室內，當極間電壓很小時，只有少量離子和電子存在，電流密度在10-15A/cm2數(shù)量極，當陰極（靶材）和陽極間電壓增加時，帶電粒子在電場的作用下加速運動，能量增加，與電極或中性氣體原子相碰撞，產生更多的帶電粒子，直至電流達到10-6A/cm2數(shù)量極，當電壓再增加時，則會產生負阻效應，即“雪崩”現(xiàn)象。此時離子轟擊陰極，擊出陰極原子和二次電子，二次電子與中性原子碰撞，產生更多離子，此離子再轟擊陰極，又產生二次電子，如此反復。當電流密度達到0.01A/cm2數(shù)量級左右時，電流將隨電壓的增加而增加，形成高密度等離子體的異常輝光放電，高能量的離子轟擊陰極（靶材）產生濺射現(xiàn)象。濺射出來的高能量靶材粒子沉積到陽極（玻璃毛坯）上，從而達到鍍膜的目的。
在磁場的作用下，電子在向陽極運動的過程中，作螺旋運動，束縛和延長了電子的運動軌跡，從而提高了電子對工藝氣體的電離幾率，有效地利用了電子的能量，因而在形成高密度等離子體的異常輝光放電中，正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效。同時受正交電磁場的束縛，電子只有在其能量消耗盡時才能落在玻璃上，從而使磁控濺射具有高速、低溫的優(yōu)點。
2 靶材狀況
通過對數(shù)套靶從開始使用到報廢全過程的觀察、記錄、分析，我們發(fā)現(xiàn)有非常一致性的規(guī)律，表1是一套靶報廢時的實測參數(shù)，其他靶的參數(shù)略有不同，但變化很小，規(guī)律一致。通過表1的實物測量數(shù)據(jù)，我們可以看出：
靶材磁場和濺射深度對應表 表1
靶材上半部磁場和濺射深度
位置
左圓弧段磁隙
圓弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
磁場強度(高斯)
111
128
149
128
146
130
151
129
145
130
146
130
濺射深度(mm)
22.1
23.5
22.7
20.1
21.1
19.1
20.8
18.4
19.6
18.2
20.1
17.9
位置
23孔
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
磁場強度(高斯)
150
133
154
138
152
135
158
138
157
138
157
136
濺射深度(mm)
19.8
18.1
20.2
18.2
19.3
17.8
19.7
17.9
19.9
18
19.4
17.8
位置
11孔
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圓弧中部
磁場強度(高斯)
150
135
152
131
151
140
152
140
150
120
濺射深度(mm)
19.3
17.7
19.5
17.5
19.4
17.8
19.6
18.9
21.4
21.6
靶材下半部磁場和濺射深度
位置
圓弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
23孔
磁場強度(高斯)
120
151
133
150
130
148
128
148
130
148
135
148
濺射深度(mm)
21.9
21.8
19.2
20.3
18.6
20.4
18.7
20.1
18.4
20.3
18.8
20.2
位置
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
11孔
磁場強度(高斯)
130
147
127
143
132
152
131
160
130
159
130
153
濺射深度(mm)
18.6
20.3
18.4
19.9
18.8
20.5
18.7
20.9
19.4
21
19.1
21.7
位置
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圓弧段中部
右圓弧段磁隙
磁場強度(高斯)
135
150
131
150
130
149
138
147
120
111
濺射深度(mm)
19.4
21
19.6
22.1
20.5
22.4
21.1
23.3
23.5
22.3
2.1每塊磁鐵中部的磁場強度小，靶材濺射溝淺；磁鐵間縫隙磁場強度大，濺射溝深。
磁鐵中部的磁場強度小，縫隙磁場強度大，這一現(xiàn)象是由磁鐵的物理屬性造成的。磁場強度大的地方濺射溝深，這是因為磁場強度大的區(qū)域二次電子和離子密度大；磁場強度小的地方濺射溝淺，這是因為磁場強度大的區(qū)域二次電子和離子密度小。
2.2靶材報廢時濺射溝中心線不在磁鐵N、S極正中間，而是偏向外邊即N極12.5㎜左右，新靶濺射溝的中心線，偏向N極8.5㎜左右。
離子在向陰極運動過程中，受到正交電磁場的作用而發(fā)生偏轉，因此濺射溝中心線不在磁鐵N、S極正中間，而是偏向N極，離子體距離新靶的靶面近，離子的偏移量小，因此濺射溝的中心線只偏向N極8.5mm左右，而舊靶的濺射溝距磁鐵近，磁場強度大，并且距離子遠，偏移量大，因此濺射中心線偏向N極12.5mm左右。
2.3靶材濺射溝隨磁中、磁隙呈波浪狀起伏，在磁鐵中部濺射溝偏向中間，即S極，在磁鐵縫隙濺射溝偏向外邊，即N極。其原理同上。
2.4靶材兩端圓弧段比中間直線段的濺射溝要深一些，約25%。
雖然圓弧段比中間直線段磁場強度要小很多，但因為電子運動到該處受到阻塞，再加上泵抽效應的影響，致使該處的等離子體密度大，濺射效率高，濺射溝深。
2.5 HRC-5100型靶的靶長2695mm而玻璃最大寬度為2134mm，即靶材的兩邊有（2695-2134）/2=561/2=280.5mm沒有有效地沉積到玻璃上。玻璃的邊緣約對應靶的第4個孔和第32孔，從（表1）可以看出，濺射溝兩端最深處的濺射，基本沒有沉積到玻璃上，而該處靶材濺射效率卻最高，造成靶材過早地報廢。
為了消除邊緣效應、泵抽效應，使膜層橫向均勻，而人為將靶設計寬一些，同時為滿足磁控濺射工藝，將磁場設計成環(huán)形，防止電子流失控。
如果我們適當?shù)亟档桶胁膬啥说拇盆F強度，這樣就可以既不影響整板玻璃的橫向色差均勻度，又能減少高濺射速率區(qū)域的濺射速率，提高靶材壽命。
3.靶材磁場的調整
3.1 找出調整點
根據(jù)表1我們不難看出，靶材直線段最深處一般不超過21.0mm，而圓弧段都超過21.0mm，因此我們把深度超過21.0mm的點定為調整點。在靶材的上半部，共有左圓弧段磁隙、圓弧段中部、33孔、31孔、3孔和圓弧段中部六個點的磁場需要調整，在靶材的下半部，共有圓弧段中部、33孔、11孔、7孔、5孔、4孔、3孔、圓弧段中部和右圓弧段磁隙九個點的磁場需要調整。
3.2調整的標準
在表1中我們可以看出，同樣的磁場強度，由于所處的位置不同，其左、右磁場強度的不同，都會造成濺射深度的不同。因此很難明確指出應當將調整點的磁場強度調整到某個數(shù)值，或降幾個百分點，這需要憑經(jīng)驗來摸索。有一點非常關鍵，在調整圓弧段磁場強度時，如果降得過多，將造成無法保持電子流，無法形成異常輝光放電，也就無法形成濺射。
3.3調整的方法
3.3.1先準備一些低碳鋼條，6mm寬，3mm厚，20～100mm長。
3.3.2將磁鐵上的壓緊鋁排拆下，刮干凈磁鐵上的銹跡。
3.3.3在調整點的磁鐵中部放上鋼條，模擬靶材表面的實際高度，測量該點的磁場強度，根據(jù)測量值，調整鋼條的長度，裝上鋁壓排、銅板和新靶材，在這套靶材將要報廢時，再次測量靶材磁場強度和濺射深度，作為再次調整磁場強度的依據(jù)。
3.3.4調整結果：經(jīng)過兩個周期的使用，我們終于得到了較滿意的效果，見表2。
靶材磁場和濺射深度對應表 表2
靶材上半部磁場和濺射深度
位置
左圓弧段磁隙
圓弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
磁場強度(高斯)
101
111
132
125
141
129
152
129
145
131
146
130
濺射深度(mm)
23.2
23.6
23.2
22.7
23.4
21.8
23.4
21.1
22.9
21.1
22.8
20.8
位置
23孔
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
磁場強度(高斯)
149
133
154
138
151
135
158
139
157
138
157
135
濺射深度(mm)
22.4
21
22.8
20.9
23
20.5
22.4
20.5
22.5
21
23.2
20.8
位置
11孔
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圓弧中部
磁場強度(高斯)
150
134
152
131
152
140
151
140
144
109
濺射深度(mm)
22.13
20.5
22.3
20.3
22.1
20.6
22.4
21.5
23.4
23.4
靶材下半部磁場和濺射深度
位置
圓弧段中部
33孔
32孔
31孔
30孔
29孔
28孔
27孔
26孔
25孔
24孔
23孔
磁場強度(高斯)
107
139
131
150
130
148
128
148
130
149
135
148
濺射深度(mm)
23.4
23.4
22
23.1
21.3
23.1
21.4
22.9
21.3
23.1
21.6
23.1
位置
22孔
21孔
20孔
19孔
18孔
17孔
16孔
15孔
14孔
13孔
12孔
11孔
磁場強度(高斯)
130
147
127
143
132
152
131
160
130
159
130
145
濺射深度(mm)
20.3
23.1
20.1
22.8
21.5
23.3
21.4
23.3
22.1
23.5
22
23.4
位置
10孔
9孔
8孔
7孔
6孔
5孔
4孔
3孔
圓弧段中部
右圓弧段磁隙
磁場強度(高斯)
135
150
131
137
127
134
136
132
104
102
濺射深度(mm)
22.2
23.6
21.3
23.5
22.7
23.5
23.6
23.6
23.6
23.3
4．結果
磁場強度的調整，是一個非常細致，需要耐心和經(jīng)驗的工作，某一點磁場強度的改變，都會造成旁邊兩個點的磁場強度改變。
通過對調整后幾套靶的實際使用效果觀察，我們發(fā)現(xiàn)一套靶中濺射溝最淺處同比增加2.8mm，一套靶的利用率提高了約11%，按現(xiàn)在每套鈦靶4.2萬元，每年消耗16套靶，不銹鋼靶3.4萬元，每年消耗6套計算，每年可節(jié)約資金約9.64萬元。同時可延長換靶周期11%，增加了有效工作時間。
