1、科 技信息 2010 年 第 17 期SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION浅谈增强磁控镀膜靶材利用率孟怡敏1张珮珮1李 静2（1.洛玻集团洛阳新晶润工程玻璃有限公司 河南 洛阳 471003；2.中铝洛铜管棒厂 河南 洛阳 471003）【摘 要 】本文根据进口磁控镀膜玻璃生产线使用 、维护经验 ，详细论述了通过调整阴极靶材磁场 ，如何有效增强靶材利用率 。【关键词 】靶材 ；利用率 ；磁控溅射 ；磁场晶润公司引进美国爱柯公司磁控溅射镀膜玻璃生产线 ，已经连续生产了十多年 ，消耗的平面靶有二百多套 。 在使用第一批美国原装靶材时 ，就发现靶材的溅射沟道不象资料上描述
2、的那样平滑 、笔直 ，而是象波浪一样起伏有序 ，每一波的幅度和宽度基本相同 。 深度在直线段高低有序 ，最深处比最浅处深 6mm，圆弧段深度与直线段最深处基本相同 。 溅射沟最深处在靶的圆弧段与直线段交界处 ，总是该处最先溅射透低 ，造成靶材报废 。有些国产单室磁控溅射设备的厂家采用补焊的方法来延长不锈钢靶的寿命 ，由于其对镀膜玻璃膜层质量要求不高 ，该方法效果不错 ，但使用进口连续生产线的厂家 ，还没有人采用该方法 。靶材溅射沟较深的几个点 ，其溅射率最高 ，不但浪费靶材 ，还造成镀膜玻璃膜层在横向上不均匀 。 如果能降低溅射沟较深处几点的磁场 ，不仅能提高膜层横向均匀度 ，而且能延长靶材寿
3、命 ，提高靶材利用率 。1 磁控溅射的工艺原理在充入少量工艺气体的真空室内 ，当极间电压很小时 ，只有少量离子和电子存在 ，电流密度在 10-15A/cm2数量极 ，当阴极 （靶材 ）和阳极间电压增加时 ，带电粒子在电场的作用下加速运动 ，能量增加 ，与电极或中性气体原子相碰撞 ，产生更多的带电粒子 ，直至电流达到 10-6A/cm2数量极 ，当电压再增加时 ，则会产生负阻效应 ，即 “雪崩 ”现象 。此时离子轰击阴极 ，击出阴极原子和二次电子 ，二次电子与中性原子碰撞 ，产生更多离子 ，此离子再轰击阴极 ，又产生二次电子 ，如此反复 。 当电流密度达到 0.01A/cm2数量级左右时 ，电流
4、将随电压的增加而增加 ，形成高密度等离子体的异常辉光放电 ，高能量的离子轰击阴极 （靶材 ）产生溅射现象 。 溅射出来的高能量靶材粒子沉积到阳极 （玻璃毛坯 ）上 ，从而达到镀膜的目的 。在磁场的作用下 ，电子在向阳极运动的过程中 ，作螺旋运动 ，束缚和延长了电子的运动轨迹 ， 从而提高了电子对工艺气体的电离几率 ，有效地利用了电子的能量 ，因而在形成高密度等离子体的异常辉光放电中 ，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效 。 同时受正交电磁场的束缚 ，电子只有在其能量消耗尽时才能落在玻璃上 ，从而使磁控溅射具有高速 、低温的优点 。2 靶材状况通过对数套靶从开始使用到报废全过程的观察 、记
5、录 、分析 ，我们发现有非常一致性的规律 ，表 1 是一套靶报废时的实测参数 ，其他靶的参数略有不同 ，但变化很小 ，规律一致 。 通过表 1 的实物测量数据 ，我们可以看出 ：表 1 靶材磁场和溅射深度对应表2.1 每块磁铁中部的磁场强度小 ，靶材溅射沟浅 ；磁铁间缝隙磁场强度大 ，溅射沟深 。磁铁中部的磁场强度小 ，缝隙磁场强度大 ，这一现象是由磁铁的物理属性造成的 。 磁场强度大的地方溅射沟深 ，这是因为磁场强度大的区域二次电子和离子密度大 ；磁场强度小的地方溅射沟浅 ，这是因为磁场强度大的区域二次电子和离子密度小 。2.2 靶材报废时溅射沟中心线不在磁铁 N、S 极正中间 ， 而是偏向
6、外边即 N 极 12.5mm 左右 ，新靶溅射沟的中心线 ，偏向 N 极 8.5mm 左右 。离子在向阴极运动过程中 ， 受到正交电磁场的作用而发生偏转 ，因此溅射沟中心线不在磁铁 N、S 极正中间 ，而是偏向 N 极 ，离子体距离新靶的靶面近 ，离子的偏移量小 ，因此溅射沟的中心线只偏向 N 极8.5mm 左右 ，而旧靶的溅射沟距磁铁近 ，磁场强度大 ，并且距离子远 ，偏移量大 ，因此溅射中心线偏向 N 极 12.5mm 左右 。2.3 靶材溅射沟随磁中 、磁隙呈波浪状起伏 ，在磁铁中部溅射沟偏向中间 ，即 S 极 ，在磁铁缝隙溅射沟偏向外边 ，即 N 极 。 其原理同上 。2.4 靶材两端
7、圆弧段比中间直线段的溅射沟要深一些 ，约 25%。虽然圆弧段比中间直线段磁场强度要小很多 ，但因为电子运动到该处受到阻塞 ，再加上泵抽效应的影响 ，致使该处的等离子体密度大 ，溅射效率高 ，溅射沟深 。2.5 HRC-5100 型靶的靶长 2695mm 而玻璃最大宽度为 2134mm，即靶材的两边有 （2695-2134）/2=561/2=280.5mm 没有有效地沉积到玻璃上 。 玻璃的边缘约对应靶的第 4 个孔和第 32 孔 ，从 （表 1）可以看出 ，溅射沟两端最深处的溅射 ，基本没有沉积到玻璃上 ，而该处靶材溅射效率却最高 ，造成靶材过早地报废 。为了消除边缘效应 、泵抽效应 ，使膜层
8、横向均匀 ，而人为将靶设计宽一些 ，同时为满足磁控溅射工艺 ，将磁场设计成环形 ，防止电子流失控 。如果我们适当地降低靶材两端的磁铁强度 ，这样就可以既不影响整板玻璃的横向色差均匀度 ， 又能减少高溅射速率区域的溅射速率 ，提高靶材寿命 。3 靶材磁场的调整3.1 找出调整点根据表 1 我们不难看出 ，靶材直线段最深处一般不超过 21.0mm，而圆弧段都超过 21.0mm，因此我们把深度超过 21.0mm 的点定为调整点 。 在靶材的上半部 ，共有左圆弧段磁隙 、圆弧段中部 、33 孔 、31 孔 、3孔和圆弧段中部六个点的磁场需要调整 ，在靶材的下半部 ，共有圆弧段中部 、33 孔 、11
9、孔 、7 孔 、5 孔 、4 孔 、3 孔 、 圆弧段中部和右圆弧段磁隙九个点的磁场需要调整 。3.2 调整的标准在表 1 中我们可以看出 ，同样的磁场强度 ，由于所处的位置不同 ，其左 、右磁场强度的不同 ，都会造成溅射深度的不同 。 因此很难明确指出应当将调整点的磁场强度调整到某个数值 ，或降几个百分点 ，这需要凭经验来摸索 。 有一点非常关键 ，在调整圆弧段磁场强度时 ，如果降得过多 ，将造成无法保持电子流 ，无法形成异常辉光放电 ，也就无法形成溅射 。3.3 调整的方法3.3.1 先准备一些低碳钢条 ，6mm 宽 ，3mm 厚 ，20100mm 长 。3.3.2 将磁铁上的压紧铝排拆下
10、 ，刮干净磁铁上的锈迹 。3.3.3 在调整点的磁铁中部放上钢条 ， 模拟靶材表面的实际高度 ，测量该点的磁场强度 ，根据测量值 ，调整钢条的长度 ，装上铝压排 、铜板和新靶材 ，在这套靶材将要报废时 ，再次测量靶材磁场强度和溅射深度 ，作为再次调整磁场强度的依据 。3.3.4 调整结果 ：经过两个周期的使用 ，我们终于得 （下转第 440 页 ）百家论剑 443科 技信息SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2010 年 第 17 期（上接第 443 页 ）到了较满意的效果 ，见表 2。表 2 靶材磁场和溅射深度对应表4 结果磁场强度的调整 ，是一个非常细致 ，需要
11、耐心和经验的工作 ，某一点磁场强度的改变 ，都会造成旁边两个点的磁场强度改变 。通过对调整后几套靶的实际使用效果观察 ，我们发现一套靶中溅射沟最浅处同比增加 2.8mm，一套靶的利用率提高了约 11%，按现在每套钛靶 4.2 万元 ，每年消耗 16 套靶 ，不锈钢靶 3.4 万元 ，每年消耗 6套计算 ，每年可节约资金约 9.64 万元 。 同时可延长换靶周期 11%，增加了有效工作时间 。责任编辑 ：王静 科就被消耗了 ，在煤矸石样内部根本没什么氧气进入 ，这个时候测点处煤矸石的温度上升就是因为底部有热源加热 ， 通过煤矸石的导热 ，渗流在这里也不会对热量的传递有很大的影响 ； 对于潮湿的煤
12、矸石样 ，由于煤矸石孔隙率小 ，含水量大 ，渗流流速非常小 ，测温点处煤矸石的温度上升也是因为底部有热源加热 ， 通过水和煤矸石的共同导热 ，在8 点到 10 点这个时间段 ， 潮湿的煤矸石样的温度上升明显比干燥的煤矸石快 ，但是当煤矸石的水分被蒸发掉以后 ，升温速率就和干燥的没什么区别了 。本项实验难以验证水分对矸石自燃的影响 ，需要精心设计和重复试验 ，才有可能掌握水分对煤矸石自燃过程的复杂影响 。3 煤矸石孔隙率对自燃的影响煤矸石粒径的组成决定了孔隙率的大小 ,一般来说 ，孔隙率的大小决定了煤矸石山的透气性 ，它一方面影响着煤矸石山内部的氧气含量 ，又影响着矸石山内部的蓄热环境 。但是
13、，当多大的有效粒径时具有较好的透气性 ，并同时具备最合适的氧化升温蓄热的条件 ，目前尚未有准确的数值 。31 实验试样和试样处理本项实验所用煤矸石为一矿煤矸石 ，按粒径大小分成三组 ，并粗测了每组煤矸石样的孔隙率 ，见表 3-1。表 3-1 煤矸石孔隙率表32 实验结果用三种粒径的 1 矿矸石进行模拟自燃升温试验 ， 得到结果见下图 。图 3-1 不同孔隙率煤矸石样升温曲线图 （温度为 ）图 3-2 不同孔隙率煤矸石样温度随时间变化图 （温度为 ）从图中可以看出 ：1# 于 3# 煤矸石样升温速率几乎相等 ，而 2# 煤矸石样升温速率明显比两者大 ，计算结果如表 3-2。表 3-2 不同孔隙率
14、煤矸石样升温速率表 （/min）从上表中明显可以看出 ，在任何一个时间段 ，2# 煤矸石样的升温速率比 1# 和 3# 煤矸石样的都要快得多 ，1# 和 3# 煤矸石样三个时间段的升温速率相差不大 ，几乎相等 。 在三个煤矸石样中 ，2# 煤矸石样的孔隙率为 0.36，1# 的孔隙率为 0.28，3# 的孔隙率为 0.5 由此可以看出 ，煤矸石孔隙率与升温速率并不成正比也不成反比 ，这当中存在着一个平衡点 ，使得煤矸石能够有足够的氧气和煤矸石发生氧化又有比较好的蓄热环境使得煤矸石能够升温直至自燃 。 有的研究者认为 ，煤矸石颗粒的平均有效直径在 6-13mm 左右时 ，矸石山具有最好的氧化升温
15、和蓄热条件 。4 结论从以上三个对比实验中 ，得出如下结论 ：41 煤矸石中硫铁矿 （FeS2）氧化对煤矸石的升温做出了很大的贡献 ，但两者之间并不是绝对的正比关系 ，硫铁矿高 ，不代表升温快 、矸石山一定会自燃 ；硫铁矿含量低 ，也不就意味着升温慢 、矸石山一定不会自燃 。 矸石山的自燃还受到其他很多因素的共同制约和影响 。42 含水量的大小对煤矸石升温的影响比较明显 ，但规律比较复杂 。43 孔隙率的大小对煤矸石的氧化升温的影响是显著的 ， 而且同时影响着矸石山内部氧气含量以及蓄热环境这一对相互矛盾的自燃影响因素 。孔隙率越大 ，煤矸石山内部氧气含量增加但同时渗流加强 ，不利于蓄热 ；孔隙
16、率越小 ，蓄热环境越好 ，但是不能保证有足够的氧气供应 。 煤矸石孔隙率与升温速率并不成正比也不成反比 ，这当中存在着一个平衡点 （或范围 ），使得煤矸石能够有足够的氧气和煤矸石发生氧化又有比较好的蓄热环境使得煤矸石能够升温直至自燃 。【参考文献 】1岑可法 ，姚强 ，等 燃烧理论与污染控制 北京 ：机械工业出版社 ，2004，062李佩社 矸石堆自燃火灾综合防治技术 煤炭科学技术 ，1996，53陶文铨 数值传热学 西安 ：西安交通大学出版社 ，1988责任编辑 ：王静 矸石样标号 1# 2# 3#孔隙率 0.28 0.36 0.5时间段矸石样标号 8:00-11:30 11:00-15:00 15:00-18:301# 0.16 0.14 0.122# 0.29 0.23 0.213# 0.14 0.16 0.12科百家论剑 440
