调整磁场强度分布提高靶材利用率.pdf

全国性建材科技期刊玻璃2 0 0 3 年第3 期总第1 6 8 期调整磁场强度分布提高靶材利用率郭明1王凤杰2(1 洛玻集团晶润镀膜玻璃有限公司洛阳市4 7 1 0 0 02 中北玻璃工业公司北京市1 0 0 0 4 4)摘要介绍了磁场强度在磁控溅射工艺中的作用，根据美国A i r c o 公司镀膜生产线的实践经验，详细论述了如何通过调整靶材磁场强度，提高靶材的利用率。关键词磁场强度靶材磁控溅射我公司于1 9 9 3 年从美国A i r c o 公司引进一条磁控溅射镀膜玻璃生产线，至今已经连续生产9 年有余，消耗的平面靶材有1 0 0 多套。在使用第一批美国原装靶材过程中，就发现靶材的溅射沟道不象资料上描述的那样平滑、笔直，而是像波浪一样起伏有序，每一波的幅度和宽度都基本相同。深度在直线段高低有序，最深处比最浅处深6m m，圆弧段的深度与直线段的最深处基本相同。溅射沟最深处总是出现在靶材的圆弧与直线段的交界处。靶材溅射沟较深的几个点，其溅射率最高，因此该处总是最先溅射透，造成靶材报废，不但浪废靶材，还造成镀膜玻璃膜层的横向上不均匀。如果能设法降低靶材浅射沟较深处几点的磁场强度，不仅能提高膜层横向均匀度，而且还能延长靶材的使用寿命，提高靶材的利用率。有些使用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，此法尚且可行，但使用连续生产线的厂家，还没有采用该方法的先例。1 磁控溅射镀膜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1 0 1 5 A c m 2 数量级。当阴极(靶材)和阳极问电压增加时，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，直至电流密度达到1 0 州A c m 2 数量，4 0此时再增加电压，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 0 1A c m 2 左右数量级时，电流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衬板(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做螺旋运动，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。2 磁物质的自然属性电子既围绕着原子核沿固定的轨道运动同时又围绕着自身的轴旋转，因此原子级的物质就包含有小的磁力矩。这些小的磁力矩相互影响、共同作用形成了大的磁力矩，这些力矩被称为磁畴。在无磁物质中，磁畴趋向相互抵消，其合力为零。但是在磁物质内部，磁畴并不能被完全抵消掉。这些磁畴在外加磁场的作用下会被强制同向。外加磁场使顺磁场方向上的磁畴增加，使相反方向上的磁畴降低。在外加磁场撤消后，永磁物质中大多数同向了的磁畴会保留下来，形成永久磁体。要得到稳定的磁体参数，往往希望磁畴矢量难以旋转。充磁时外万方数据全国性建材科技期刊玻璃2 0 0 3 年第3 期总第1 6 8 期部能量越大，消磁时所需要的外部能量也就越高，磁场也就越稳定。3 靶材的状况我们对数套靶材从开始使用到报废的全过程进行了跟踪、记录、分析，发现了非常一致的规律性。表1、表2 是一套靶材报废的实测参数，其他靶材的参数略有不同，但变化很小，规律一致。靶材下面的磁铁有3 4 块，围成一个环形跑道。固定靶材的螺丝孔，对应每块磁铁的中部或边部，每三个螺孔的间距是一块磁铁的长度，见表1，表2。每块磁铁中部的磁场强度小，靶材的溅射沟就浅；磁铁间缝隙的磁场强度大，靶材溅射沟就深。磁铁中部的磁场强度小，磁铁间缝隙的磁场强度大，这一现象是由磁铁的物理属性决定的。磁场表1靶材上半部磁场强度和溅射深度一览表位置左圆弧段磁隙圆弧段中部3 3 孔3 2 孔3 1 孔3 0 孔2 9 孑L2 8 孔2 7 孔2 6 孔2 5 孔2 4 i L磁场强度(l o 一4)T1 5 01 3 51 5 21 3 11 5 11 4 01 5 21 4 01 5 01 2 0溅射深度m m1 9 31 7 71 9 51 7 51 9 41 7 81 9 61 8 92 1 42 1 6表2靶材下半部磁场强度和溅射深度一览表位置圆弧段中部3 3 孔3 2 孔3 1 孔3 0 孔z 9 孔2 8 孔2 7 孔2 6 孔2 5 孔2 4 孔2 3 孔强度小的地方溅射沟浅，这是因为磁场强度小的区域二次电子和离子密度小；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。报废时的靶材溅射沟中心线，不在磁铁N、S极正中间，而是偏向外边即N 极1 2 5m m 左右，而新靶溅射沟的中心线，只偏向N 极8 5m m 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，所以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，离子的偏移最小，因此溅射沟的中心线只偏向N 极8 5m m 左右。而旧靶的溅射沟距磁铁近，磁场强度大，并且距离远，偏移量大，因此溅射中心线偏向N 极1 2 5m m 左右。靶材溅射沟随着磁中、磁隙呈波状起伏。在磁铁中部溅射沟偏向里边，即S 极；在磁铁缝隙溅射沟偏向外边，即N 极。靶材两端圆弧段比中间童努搬的测撇要深约3 4。虽然圆弧段比中间直线段磁场强度要小很多，但是由于电子运动到该处受到阻碍，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，因此溅射沟就深。H R C _ 5 1 0 0 型靶的靶材长4】万方数据全国性建材科技期刊玻璃2 0 0 3 年第3 期总第1 6 8 期26 9 5m m，而玻璃毛坯最大宽度为21 3 4m m，即靶材的两边有(26 9 5 21 3 4)2 5 6 1 2 2 8 0 5m m 没有有效地沉积到玻璃上。玻璃毛坯的边缘约对应靶材的第4 个孔和第3 2 孔，从表1、表2 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，造成靶材过早报废。为了消除边缘效应、泵抽效应，使膜层横向均匀，人为地将靶材设计得宽一些。同时为满足磁控溅射工艺的要求，将磁场设计成环形，防止电子流失控。如果我们能设法适当地降低靶材两端的磁场强度，就可以既不影响整板镀膜玻璃的横向颜色均匀度，又能降低高溅射速率区域的溅射速率，提高靶材的利用率。4 靶材磁场的调整4 1 找出调整点从表1、表2 中我们可以看出，靶材的直线段溅射沟最深处，一般不超过2 1 om m，而圆弧段溅射沟的深度都超过了2 1 Om m。因此我们把深度超过2 1 om m 的点定为调整点。在靶材的上半部，共有六个点的磁场强度需调整：左圆弧段磁隙、圆弧段中部、3 3 孔、3 1 孔、3孑L 和圆弧段中部。在靶材的下半部，共有九个点的磁场强度需要调整：圆弧段中部、3 3 孔、1 l 孔、7 孔、5 孔、4 孔、3 孔、圆弧段中部和右圆弧段磁隙。4 2 调整的标准从表1、表2 中我们可以看出，同样的磁场强度，由于所处位置的不同，或左、右磁场强度的不同，都会造成靶材溅射深度的不同。因此很难明确指出应当将调整点的磁场强度调整到什么数或降几个百分点，这需要在实践中摸索。但是有一点却非常关键，那就是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，无法形成溅射的后果。4 3 调整的方法先准备一些低碳钢条：6m m 宽，3m m厚，2 0 1 0 0m m 长。将磁铁上的压紧铝排拆下，刮干净磁铁上的锈迹。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，调整钢条的位子和长度。调整好后，装上铝压排、铜板和新靶材，重新仔细测量并记录各点的磁场强度。在这套靶材使用的过程中，要多次进行这样的测量、记录，在靶材报废时，再次测量靶材磁场强度和溅射沟深度，作为以后调整磁场强度的依据。4 4 调整的结果磁场强度的调整，是一个非常细致，需要耐心和经验的工作。任何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。我们经过两个周期的调整使用，终于得到了较为满意的效果。见表3、表4。表3 靶材上半部磁场强度和溅射深度一览表位置左圆弧段磁隙圆弧段中部3 3 孔3 2 孔3 1 孔3 0 孔2 9 孔2 8 孔2 7 孔2 6 孔2 5 孔2 4 孔磁场强度(1 0 一4)T1 4 91 3 31 5 41 3 81 5 11 3 51 5 81 3 91 5 71 3 81 5 71 3 5溅射深度m m2 2 42 12 2 82 0 92 32 0 52 2 42 0 52 2 52 l2 3 22 0 84 2(下转4 5 页)万方数据全国性建材科技期刊玻璃2 0 0 3 年第3 期总第1 6 8 期热控制容易。5 分区控温在玻璃加热过程中，如果玻璃边缘的温度高于玻璃中部的温度，而此时，玻璃边部又有裂纹或擦伤存在，那么玻璃很容易发生破裂现象。为了避免这种现象的出现，以及解决大面积玻璃板的温度分布均匀和提高生产效率的问题，将电加热炉分成几个单独区域，每个区由一台可控硅供电，而可控硅由计算机控制。这样每个区都有自己的加热量，以便计算机根据玻璃板面积和位置的不同来自动调节加热量，并有助于补偿来自炉底的冷气流。6 装片形式在钢化玻璃生产中，加热炉内辊道的温度比玻璃的温度高，玻璃对于辊道而言起到了冷却的作用。这样就会出现玻璃旁边辊子的过热现象，在辊子上运行的玻璃两边的边部形成一个变化很大的加热区域。辊子与炉内其它区域相比较覆盖玻璃区域的那部分温度下降，而紧靠玻璃边部的那部分温度上升。如果玻璃板总是在炉内的同一区域传输，辊子各部分间的温差就会大大增加。在加热过程中，不科学的装片形式就会导致同一片玻璃的不同区域间产生温差，即玻璃在离开炉子时其温度均匀性差，严重时就会在冷却装置中发生炸裂现象。为了获得较好的效果，装片时应注意：尺寸大小不同的玻璃顺序变换位置摆放，尽可能均匀地在炉子整个区域里装片，充分利用有效的最大装片面积。同时，相同规格的玻璃在炉与炉之间应镜像摆放。上面所提到的这些影响加热工艺的因素只是所有因素中的一部分，如密封好坏、加热是否均匀等，而且各个因素之间也是既相互联系又相互区别的。玻璃的颜色不同，吸热能力不同，化学成分不同，软化点和热膨胀也各不相同。在实际生产过程中会有不同的情况出现，这就需要玻璃钢化炉的操作人员根据自己的经验，对不同的情况做相应参数调整，才能获得更好的产品质量、成品效率和生产效率。t!o N!o；!o!e、!，?!o；!e、乍吧 e N?也h 气!e N，?!；哼!e 吨 e、言!o o；!e 言!e、t!o、?!o、；!o!；(上接4 2 页)表4靶材下半部磁场强度和溅射深度一览表磁场强度(1 0“)T1 3 01 4 71 2 71 4 31 3 21 5 21 3 11 6 01 3 01 5 91 3 01 4 5溅射深度m m2 0 32 3 12 0 12 2 82 1 52 3 32 1 42 3 32 2 12 3 52 22 3 45 使用效果我们通过对调整后几套靶实际使用效果的鉴定，发现一套靶中溅射沟最浅处的同比增加2 8m m，一套靶的利用率提高了约1 2，按现在每套钛靶3 万元，每年消耗1 0 套靶，每套不锈钢靶1 5 万元，每年消耗3 套计算，每年节约资金约4 1 4 万元。同时可延长换靶周期1 2，增加了有效工作时间。4 5万方数据