镀膜技术六篇

镀膜技术 篇1

2008年年初, 深圳禾信实业公司从深圳国家863计划材料表面工程技术研究开发中心购进了2台磁控溅射镀膜设备及镀膜工艺, 对传统的电镀工艺进行了彻底的改造。目前, 其设备安装调试工作已经完成, 已实现批量加工生产。

实践证明, 采用磁控溅射镀膜技术后, 禾信公司镀膜产品的不良品率从原电镀工艺的30%～50%降至5%以内, 同时对环境无污染, 大件产品也可镀膜, 单位产品的镀膜成本降低一半左右;生产效率大幅提高, 加工工艺更先进、更简化。这是深圳工艺礼品行业首次采用这一最新技术设备进行产品的镀膜加工, 禾信实业公司总经理赵和平认为:“这种镀膜技术带来的各种效应确实超乎想象, 推广后有可能将传统的电镀厂挤出市场, 这可能又是一个新的产业”。

镀膜技术 篇2

关键词：镀膜玻璃,磁控溅射,膜系,色差,调控技巧

镀膜玻璃在国内使用、生产已经有10多年了,其生产主要以离线磁控溅射镀膜工艺为主,现有引进生产线近40条,国产生产线200多条。

上世纪引进的近30条生产线和所有国产线,主要生产阳光控制膜系列镀膜玻璃产品,有几条经过改造的生产线和本世纪引进的7条大型生产线,主要以生产Low-E系列产品为主,生产阳光控制膜玻璃为辅。阳光控制膜玻璃具有良好的装饰效果和节能效果,同时价格较低,因此目前在国内中、高档建筑玻璃市场仍占有着主导地位。

在阳光控制膜玻璃生产过程中,影响产品质量的因素很多,如耐研磨性能,耐酸碱性能,颜色一致性…。其中颜色一致性问题,是生产准备过程中和生产过程中最值得关注的,因为要保证本批产品之间无色差,还要保证本批产品与前批(1个月甚至1年前)产品间无色差,就需要操作人员对生产工艺参数作适当调整,以弥补工艺状态不同造成的影响,如靶材溅射沟深浅不同引起溅射效率不同带来的影响、开始生产时的冷态靶与生产0.5 h后的热态靶溅射效率不同带来的影响…。要调整镀膜玻璃的颜色,首先要确定膜系结构,然后根据各层膜厚度对成品颜色、透过率的影响,微调各靶溅射功率和玻璃在镀膜室的运行速度,使成品与标准样之间的色差ΔE≤2CIELAB,这种调整经常会影响生产的正常进行,导致设备空耗。因此总结调整经验,在生产准备时只用2片调试片,最多3片,就将工艺参数调整到位;在生产过程中根据ΔL*、Δa*、Δb*的漂移,随时微调各靶溅射功率和玻璃在镀膜室的运行速度,使ΔE*始终保持在尽可能小的状态,是每一个操作人员都应该研究的问题。下面对几种常见膜系的各层膜厚度对成品颜色的影响,加以论述。

1 磁控溅射镀膜的工艺原理

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10-15 A/cm2数量极,当真空室内阴极(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10-6 A/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10-2 A/cm2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阳极(玻璃毛坯)上,从而达到镀膜的目的。

2 镀膜玻璃改变颜色的原理

2.1 物体呈现颜色的原理

物体的颜色取决于物体对各种波长光线的吸收、反射和透视能力。物体分消色物体和有色物体。

1)消色物体的颜色 消色物体指黑、白、灰色物体,它对照明光线具有非选择性吸收的特性,即光线照射到消色物体上时,被吸收的入射光中,各种波长的色光是等量的;被反射或透射的光线,其光谱成分也与入射光的光谱成分相同。当白光照射到消色物体上时,反光率在75%以上,即呈白色;反光率在10%以下,即呈黑色;反光率介于两者之间,就呈深浅不同的灰色。2)有色物体的颜色 有色物体对照明光线具有选择性吸收的特性,即光线照射到有色物体上时,入射光中被吸收的各种波长的色光是不等量的,有的波长被吸收得多,有的波长被吸收得少。白光照射到有色物体上,其反射或透射的光线与入射光线相比,不仅亮度有所减弱,光谱成分也改变了,因而呈现出各种不同的颜色。对可见光选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。

2.2 膜层材料的种类及对玻璃颜色的影响

组成阳光控制膜玻璃的膜层材料,常见的有氮化钛、氧化钛、不锈钢、氧化不锈钢、氮化不锈钢、铬、氧化铬、氮化铬、氧化锡等。这些材料根据与玻璃附着力的大小,对颜色影响程度,耐研磨性能的不同和耐酸碱性能的好坏,或单独使用或组合使用,形成各种不同膜系的镀膜玻璃产品。这些产品按改变颜色的原理分为2大类,第1类属可见光吸收型镀膜玻璃,包括上述大多数膜层材料构成的产品;第2类属可见光干涉型镀膜玻璃,指在玻璃表面第1层膜或第2层膜(第1层膜很薄)为氧化钛、氧化铬、氧化锡,并且膜层足够厚,第2或第3层膜为阻挡层或保护层,有的还有第4、第5层,主要起调节玻璃可见光透光率和保护膜层作用,对玻璃颜色也有一定的调控作用。

2.3 色差

根据阳光控制镀膜玻璃国家标准GB/T18915.1—2002,每片玻璃之间的色差ΔE·ab>3.0 CIELAB即为不合格品。

式中,L*、L*1为玻璃亮度,L*为标准样值,L*1为测试样值,数值越大,表示玻璃越亮,L*1-L*>0表示测试样比标准样亮。a*、a*1为2片玻璃的红、绿值,a*为标准样值,a*1为测试样值,数值为正且越大,表示玻璃越红;数值为负且绝对值越大,表示玻璃越绿。a*1-a*>0(a*1、a*均为正值),表示测试样比标准样红,数值越大,表示越红;(a*1、a*均为负值),表示测试样比标准样绿,绝对值越大,表示越绿。b*、b*1为两片玻璃的黄、蓝值,b*为标准样值,b*1为测试样值,数值为正且越大,表示玻璃越黄;数值为负且绝对值越大,表示玻璃越蓝。b*1-b*>0(b*1、b*均为正值),表示测试样比标准样黄,数值越大,表示越黄;(b*1、b*均为负值),表示测试样比标准样蓝,绝对值越大,表示越蓝。

3 镀膜玻璃色差的调控技巧

3.1 膜层厚度的计算方法

镀膜玻璃的膜层厚度,可以通过仪器准确测量。单层膜的厚度测量非常简单,多层膜中各层膜的厚度测量比较麻烦,不能直接测量,需要模拟各层膜的参数,分别镀在玻璃上形成单层膜,进行分别测量。这种方法主要用于实验室内的定量科学研究,生产工厂一般无人采用。在需要得到膜层厚度数据时,工业生产中常用估算法,即

式中,DDR为动态沉积速率(mm2/(W·s);功率:溅射电源溅射时的总功率(W);速度:玻璃在镀膜室内的运行速度(mm/s);周长:单个靶材的溅射沟槽周长(mm)。

速度、功率、周长都可以精确测量,只有DDR会随靶材溅射沟槽的深浅、溅射电源功率、镀膜室工艺气体压力等的变化而变化。

例如氮化钛的典型动态沉积速率DDR为400 ·mm2/(w·s),靶的溅射功率170 kW,设备标称镀膜玻璃宽度2 134 mm(靶材的溅射沟槽周长5 344 mm),玻璃在镀膜室运行速度106 mm/s,则沉积在玻璃表面的氮化钛膜层厚度=400×170 000÷(106×5 344)=120 。

在式(1)中,动态沉积速率DDR和溅射沟槽周长都是常数,其比值可以用系数K来表示

从式(2)中可以看出,膜层厚度随靶材溅射功率的增加而增加,随玻璃运行速度的增加而减小,若玻璃运行速度的增加幅度和靶材溅射功率的增加幅度相同,则膜层厚度不变。在生产过程中为了提高生产效率,我们希望玻璃运行速度尽可能快,但溅射功率不能无穷大,有一个上限,因此总是先将功率定为最大值,然后调节速度。

3.2 几种常见膜系的色差控制

1)玻璃/氮化钛膜系

从表1可以看出, 随着玻璃表面氮化钛膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率越来越高,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;a*值先逐渐降低,过转折点后逐渐升高,呈小V形曲线,转折点在可见光透过率23.6%～30.9%之间;b*值先逐渐降低,过转折点后逐渐升高,也呈V形曲线,转折点在可见光透过率37.2%～42.2%之间。

2)玻璃/氮化不锈钢/氮化钛膜系

从表2可以看出,保持玻璃表面第1层氮化不锈钢膜层厚度(C值)不变,随着第2层氮化钛膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率越来越大,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;-a*值略有减小,幅度不大,表示玻璃越来越不绿;-b*值越来越小,表示玻璃越来越不蓝。保持玻璃表面第2层氮化钛膜层厚度(C值)不变,随着第一层氮化不锈钢膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率越来越大,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;-a*值先逐渐下降,过转折点后逐渐上升,呈小V形曲线,幅度不大,转折点在可见光透过率27%左右;-b*值越来越大,表示玻璃越来越蓝。

3)玻璃/不锈钢/氮化钛膜系

从表3可以看出,保持玻璃表面第1层不锈钢膜层厚度(C值)不变,随着第2层氮化钛膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率越来越大,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;-a*值越来越小,表示玻璃越来越不绿;-b*值越来越小,表示玻璃越来越不蓝。保持玻璃表面第2层氮化钛膜层厚度(C值)不变,随着第1层不锈钢膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率越来越大,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;-a*值越来越小,表示玻璃越来越不绿;-b*值越来越大(b*值越来越小),表示玻璃越来越蓝。

4)玻璃/氮化不锈钢/氧化钛膜系

从表4可以看出,保持玻璃表面第1层氮化不锈钢膜层厚度(C值)不变,随着第2层氧化钛膜层厚度(C值)的增加,镀膜玻璃可见光透过率越来越小,幅度不大;L*值先升后降,呈上抛物线形状,幅度不大;a*值基本不变,b*值越来越小,表示玻璃越来越蓝。保持玻璃表面第2层氧化钛膜层厚度(C值)不变,随着第一层氮化不锈钢膜层厚度(C值)的增加,镀膜玻璃可见光透过率越来越小,L*值越来越大,表示玻璃越来越亮;-a*值越来越大,表示玻璃越来越绿,但变化幅度不大;b*值越来越大,表示玻璃越来越不兰或泛黄。

5)玻璃/氮化钛/氧化钛膜系

从表5可以看出,保持玻璃表面第1层氮化钛膜层厚度(C值)不变,随着第2层氧化钛膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率略有减小,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;-a*值略有减小,幅度不大,表示玻璃越来越不绿;-b*值越来越小,表示玻璃越来越不蓝;可见光透过率越低,L*、a*、b*化幅度越小,可见光透过率越高,L*、a*、b*变化幅度越大。保持玻璃表面第2层氧化钛膜层厚度(C值)不变,随着第1层氮化钛膜层厚度(C值)的减小,镀膜玻璃可见光透过率越来越大,L*值越来越小,表示玻璃越来越不亮;-a*值越来越小,表示玻璃越来越不绿;-b*值呈上抛物线形状,开始越来越大,过转折点后越来越小,转折点在可见光透过率45%左右,变化幅度很大。

4 结 语

解决在线镀膜玻璃针孔问题的探讨 篇3

1在线镀膜玻璃生产概述

玻璃在线镀膜也称为在线热分解气相淀积法镀膜, 我厂生产的为阳光控制镀膜玻璃, 所使用的镀膜原料全部是气体, CVD装置则由下列部件组成;反应气供应系统, 气体传送系统, 反应器, 反应激活能源及尾气排放部分。这项镀膜技术是以硅烷、乙烯为原料, 在锡槽内适合的温度和气氛条件下, 由氮气做载体经过配气后, 硅烷、乙烯和氮气按一定的比例从镀膜反应器两侧进入置于玻璃板上方的反应器, 以均匀稳定的层流经过反应沉积区, 即玻璃板表面。这时, 硅烷处于还原气氛中, 温度超过180 ℃即开始分解成不定形硅, 温度超过400 ℃即开始分解产生晶体硅, 温度超过600 ℃时, 分解速度加快, 形成多晶硅, 沉积温度区间T=600～660 ℃, 属于高温工艺。多晶硅沉积在热态玻璃表面形成硅质膜层, 同时硅烷分解产生的氢被乙烯吸附。其工艺条件要求高, 对温度, 压力和反应物供给控制要求严格。多余的气体和呈棕褐色的多余硅粉一起经过反应器排出通道从两侧的烟囱排走, 其化学反应式如下:

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在热的玻璃基片上淀积的硅膜随着冷却成为了玻璃的一部分, 膜层牢固耐用。实际生产表明, 玻璃表面与反应器底面间距和副产物排除的速度, 玻璃板运动速度, 硅烷浓度, 沉积区温度均是薄膜淀积的重要影响因素, 控制他们是生产优质硅膜玻璃的重要保证。

2国家标准和我厂针孔现象描述

《镀膜玻璃》GB/T 18915.1～18915.2—2002中对镀膜玻璃针孔的定义:从镀膜玻璃透射方向看, 相对于膜层整体可视透明的部分或全部没有附着膜层的点状缺陷。在线镀膜玻璃的外观质量详情, 见表1。

注:1) 针孔集中是指在ϕ100 mm面积内超过20个。2) S是以平方米为单位的玻璃板面积, 保留小数点后2位。3) 允许个数为各系数与S相乘所得的数值, 按GB/T 8170修约至整数。4) 玻璃板的中部是指距玻璃板边缘75 mm以内的区域, 其它部分为边部。

2005年4月我公司进行了3次在线镀膜玻璃试生产, 产品出来后发现玻璃膜面有大量点状缺陷 (针孔) , 严重影响外观质量。第一次试生产时正在下雨, 有人认为可能是顶窗飘进来的雨滴落在退火风机上, 击落的灰尘落在玻璃板面上造成的, 取样片后擦洗查看, 这些缺陷并没有消除, 当即否定了上述观点, 确认这些点状缺陷就是针孔。随着生产的延续, 之后的几天针孔略有减少, 但还是严重影响产品外观质量, 仍不符合《镀膜玻璃》标准要求, 在线镀膜生产陷入停顿状态, 严重影响了企业的经济效益。我们在显微镜下观看了这些针孔, 发现有些所谓的针孔在其中心有一个小黑点, 直径约为0.03 mm, 换用更高倍的显微镜看, 这些小黑点也有其自身形态而非圆形, 而有些针孔的中心却没有小黑点。

我们使用的这套设备是从老厂运来的旧设备, 在以前的使用过程中色差和针孔均符合标准。那么, 一套已经熟练的生产过程和工艺在更先进的生产线上出了差错, 是什么造成的这些针孔呢?

3分析产生针孔的原因并制定改进措施

我们分析了整个镀膜的生产环境和生产过程, 确定至少在3个方面还存在严重不足。

3.1镀膜区环境脏

镀膜区的内部环境 (温度, 压力, 保护气分布) 有问题。锡槽气氛污染严重, 对锡槽工况进行检测, 锡槽压力20 Pa, 保护气中氧含量为2.7 ppm, 露点为-60 ℃。新生产线锡槽的压力明显高, 这在试生产中体现的很明显, 在打开操作孔边封时槽内气体迅速外溢, 槽内的平衡被破坏, 气压的波动振落杂质物——这些杂质会长时间在锡槽内沉降, 时间能长达48 h, 如果在横切端观察就会发现板面有很多密集针孔。提出要求, 在镀膜的前两天进行吹扫锡槽和流道 (有条件的话隔几天就吹扫一回镀膜区锡槽段) , 一般采用高纯氮气, 以保证镀膜区环境的清洁。

反应器, 双梁车和大车是镀膜关键设备, 其中反应器, 双梁车镀膜期间处于锡槽内部, 采用水包冷却, 水包的外部由石棉板包裹, 石棉板在使用环境中渐渐老化变质变脆很容易飘落, 从以前的生产经验看这会造成密集针孔。用0.5～1.0 mm厚的白铁皮包裹裸露的石棉板, 以避免碎石棉飘落到新鲜的膜面上。

振打针直接影响反应废物粉尘的排除, 随着镀膜时间的延长粉尘在振打针的行程两端堆积, 针的运动带动粉尘从缝隙处落到刚生成的膜上, 造成部分集中针孔。我们在特殊位置安装异型针, 同时改造烟囱结构, 烟囱直管补充清洁空气还能使烟囱里的粉尘直接掉出来, 避免了堵塞, 这就强化了反应副产物的排出。在后来的镀膜生产中中心有小黑点的针孔数量明显减少, 且集中针孔不在出现。

烟囱改造如图1所示。

3.2乙烯与硅烷的配比不合理

乙烯与硅烷的配比直接影响气体反应状态和反应产物的成份, 其中SiH2是中间产物, 为棕黄色粉末, 可以附着在反应器壁上, 甚至可以聚集成絮状或颗粒状物质堵塞排气通道。气相反应中, 硅烷 (SiH4) 反应后生成4个氢, 氢被乙烯 (C2H4) 吸附后生成乙烷 (C2H6) 或甲烷 (CH4) , 从这个方程式看乙烯与硅烷的比例应为1∶1, 但实际生产中, 乙烯和硅烷是不能完全反应的, 并且沉积区的温度与压力也影响着反应程度和反应产物, 所以乙烯与硅烷的比例必须根据生产实际来确定。为了更精确地控制气体流量, 我们购买了3套气体质量流量控制器, 配合玻璃转子流量计使用, 分别用于乙烯、硅烷、氮气的流量控制, 通过它们调节气体流量方便、稳定、精确、可靠, 并且其量程范围都满足生产、试验要求, 还理论计算出温度影响系数。5月18日, 我们在4 mm玻璃上做生产试验, 将锡槽锡液温度设定在640±10 ℃ (该测量偶位置距离反应器1 m, 处于反应器上游) , 乙烯与硅烷的比例分成3部分, 即0.40～0.50之间, 0.50～0.70之间和0.70以上。从实际生产考虑, 乙烯与硅烷的比例越高, 一方面增加成本, 另一方面也会增加生产的危险性 (乙烯是易爆危险化学品, 0.70以上只试了3组数据) 。实验显示镀膜玻璃针孔都是较少的, 我们对针孔分布进行统计, 针孔分布已经没有相对集中的趋势, 0.50～0.70之间的产品尤其好, 再结合产品的耐酸耐碱性和镀膜生产周期等因素, 我们选用的乙烯与硅烷的比例在0.50～0.70。

3.3镀膜气体在沉积区的流速与玻璃板速度不相匹配

总气量决定着反应沉积区的气流状态, 如果气体形成紊流状态, 将会影响膜层质量, 针孔必然增多。要保证沉积区的气体为层流状态, 同时还要使气体在反应沉积区的流速与玻璃板速度相匹配。

我们使用的供气梁长3 450 mm, 反应沉积区的温度约600 ℃ (873.15 K) , 要保证气体在反应器出口处保持层流状态。

根据雷诺系数方程

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式中, W为气体密度;δ为气体动力粘度;L为出口长度;η为动力粘度系数。

理想气体状态方程

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式中, P为气体压力;V为气体体积;R为气体常数;T为绝对温度。

通过计算得知气体总量约在2.0～4.0 Nm3/h的范围内, 反应器出口处能保持层流状态, 这时气体在沉积区的速度约为200～550 m/h。我们取拉引速度较小的6 mm玻璃为试验对象, 锡液温度设定在640±10 ℃, 乙烯与硅烷的比例定在0.50～0.70。当总气量在2.0～3.5 Nm3/h时, 玻璃板面针孔很少。对于6 mm玻璃, 气体在反应器出口处的流速如果等于玻璃板速度300 m/h, 气体总量应该在1.95 Nm3/h, 整理数据则有如下一个结论:气体在沉积区的流速是玻璃板速度的1.10～1.30倍时, 镀膜玻璃针孔会很少。

我们对比了在4 mm、5 mm、6 mm玻璃上实验结果, 结论的适用情况也是比较理想的。表2为我厂生产中使用的一组镀膜工艺参数。

4结论

生产中还有诸多因素能造成针孔, 我们虽然不能完全根除, 但在现有情况这些工作产生的效果还是很明显的。

a.保证镀膜区的环境清洁, 排气通畅确实是降低针孔数量的有效措施。

b.乙烯与硅烷的配比趋于合理, 进而固化到一定范围, 尽量避免中间反应环节, 减少了副反应产物的生成, 大针孔明显减少。

c.理论计算得出总气量范围, 再通过生产试验确定匹配最佳的总气量值, 对降低针孔数量起到了显著作用。

摘要：以秦皇岛耀华玻璃工业园有限责任公司的在线阳光控制镀膜玻璃的生产为研究实例, 论述了CVD生产原理和CVD镀膜生产过程;同时, 阐述了秦皇岛耀华玻璃工业园有限责任公司对解决镀膜针孔问题所做的改进措施。

关键词：阳光控制镀膜玻璃,CVD镀膜,在线,针孔

参考文献

镀膜技术 篇4

1 薄膜的附着机理

附着是指薄膜和基体表面相互作用将薄膜粘附在基体上的一种现象, 是与薄膜在基体上存在的耐久性及耐磨性直接相关的重要概念。附着力的产生来源于膜与基片之间的相互作用, 它的作用机理就是吸附, 吸附可分为物理吸附和化学吸附两种。

物理吸附的作用主要来源于范德华力和静电力吸引, 由定向力、诱导力和色散力组成。定向力是永久偶极矩间的相互作用, 该力较小;诱导力是永久偶极矩的诱导作用形成的吸引力, 最小0.02e V, 色散力是瞬时偶极矩间的吸引, 表现为最强的力。范德华力作用能约为0.04~0.4e V, 实现的附着较差, 静电力为双电层的力, 虽然数值小, 但对附着的贡献较大。化学吸附是薄膜与基体间形成化学键结合 (离子键、共价键、金属键) 力产生的一种吸附。是短程力, 数值上比范德华力大, 约为0.5~10e V。薄膜与基片间, 化学键力不是普遍存在的, 只有在它们的界面产生了化学键, 形成了化合物, 才具有这种键力。要使薄膜在基体上有牢固的附着性, 必须在它们间产生化学键。

原子与原子间的相互作用往往是物理的和化学的作用交织在一起, 而不是单纯的某一种作用, 因此, 薄膜对基片的附着常常不是单纯的某一种附着力。

2 实验方法研究

2.1 实验方法

附着力指薄膜以多大的强度附着在基片上, 分为基准附着力和实际附着力, 基准附着力就是薄膜与基片完全接触时, 在界面处的结合力。实际附着力也称为附着强度, 由试验测定的。用力 (从基片上剥离单位面积薄膜所需的力) 和能量 (剥离薄膜所需的能量) 表示, 根据测量方法而定。主要方法有划痕法、拉张法、剥离法, 这里着重列举划痕法和拉张法。

(1) 划痕法。将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面, 施加载荷对薄膜进行划伤试验的方法来评价薄膜的附着力。

当划针前沿的剪切力超过薄膜的附着力时, 薄膜将发生破坏与剥落。在划针移动的同时, 逐渐加大所施加的载荷, 并在显微镜下观察得出划开薄膜, 露出衬底所需的临界载荷, 即可作为薄膜附着力的量度。当载荷一定时, 薄膜剥离痕迹的完整程度也依赖于薄膜的附着力, 因而也可根据划痕边缘的完整程度来比较薄膜附着力的大小。

(2) 拉张法 (拉伸法) 。利用黏结或焊接的方法将薄膜结合与拉伸棒的端面上, 测量将薄膜从衬底上拉伸下来所需的载荷的大小。

薄膜的附着力等于拉伸时的临界载荷与被拉伸的薄膜面积之比。在用黏结剂时, 其黏结强度决定了这一方法可测定的附着力的上限。焊接可增加界面的结合强度, 但焊接过程可能会由于加热温度的影响而改变界面的组织和附着力。

2.2 薄膜与基片结合强度的力学模型

(1) 涂层和基片结合成准稳态相的膜层附着力大小变化模型。选择性附着和选择性反溅射效应引起膜层组分发生变化, 高能粒子打入膜层, 引起膜层中杂质气体的混入, 缺陷的产生及内应力的增加的研究。

(2) 附着力数值大小与其测量方法的选择性模型。溅射薄膜附着在基片上的附着力大小可由剥离力和能量两个量测量获得, 即对从基片上剥离单位面积薄膜所需的力或所需的能量的研究。破坏试验发生的位置, 所测附着力是否为基准附着力;附着力与测量方法如薄膜局部变形法、粘结剂法等的不同数值是否一致。

(3) 结合强度由钩连状态效应、侵润性、扩散性、附着、内应力和基片清洁度等影响变化模型。当涂层附着在具有适当凹凸不平度的多棱角多型腔工件表面上时, 所形成的钩连状态效应。用表面能量小的物体覆盖表面能量大的物体时的侵润性情况;用加热薄膜、基片材料和离子辐照等方法, 原子间相互扩散、界面及附着能量的变化趋势;环境气体和基片中的气体分子产生扩散, 在薄膜与基片之间生成中间化合物层与附着力的影响关系;涂层承受基片与薄膜界面上剪切应力作用, 基片清洁度对结合力的干扰等。

(4) 溅射涂层采取逐级式的过渡沉积, 衬底与基片及复合各层间结合力变化规律模型。对于硬质薄膜表面, 为牢固保持膜层结合而采用硬质强韧衬底材料的效果分析, 对于复杂工件阴极靶材可采取多元复合材料。

3 结果分析与讨论

3.1 附着力的影响因素与改进方法

膜层与基片之间的附着力, 总体上受以下因素影响。基片的表面粗糙度和结构是否存在缺陷;基片表面是否清洁;基片和溅射靶材的热膨胀系数是否匹配;沉积速率、入射角度等工艺参数;基片表面的状态能问题等。影响薄膜附着力的因素很多, 凡是影响薄膜原子和基片原子相互扩散和形成结合键的因素都影响附着力, 具体表现为:材料性质、基片表面状态、基片温度、沉积方式、沉积速率、沉积气氛等。

(1) 材料的影响。对于简单附着来说, 用表面能量小的薄膜材料覆盖在表面能量大的基片上, 会产生很好的浸润性。选用合适的基片材料, 以使基片能与薄膜材料或其氧化物、氮化物、硫化物等形成合适的化学键。

(2) 基片状态的影响。如果基片不经过清洁处理, 将在其表面上留有一个污染层, 使基片表面的化学键达到饱和, 故淀积上薄膜以后, 膜的附着力很差。因此, 在制造薄膜时, 为了提高其附着性能, 必须先对基片进行清洁和活化处理 (如离子轰击) 。

(3) 基片温度。提高基片温度, 有利于薄膜和基片间的原子扩散, 并且还会加速其化学反应, 从面有利于形成扩散附着和通过中间层的附着, 所以附着力增大。但会使薄膜晶粒增大, 增加热应力, 故不能过分提高基片温度。查找文献得出, 在玻璃和铁基材料基体上制备金属膜附着力随基体温度的上升而增加。如图1所示。

(4) 沉积方式。对薄膜附着力的影响非常明显。对于同样的薄膜/基片组合, 用溅射方法沉积的薄膜一般比用蒸发方法制造的薄膜附着牢。

(5) 沉积速率。沉积速率增大, 表示单位时间内入射的原子数目增多, 因而相对减少了成膜真空室中残留的氧分子的入射几率, 结果在薄膜与基片界面上生成的氧化物中间层减少, 导致薄膜附着力下降。高速沉积的薄膜结构疏松, 内应力较大, 也导致附着性能变差。

(6) 沉积气氛。对薄膜附着力的影响, 主要发生在薄膜的成长初期。这时, 在制膜的真空室内若有一定量的残留氧气或水蒸气, 氧和水蒸气将与入射的沉积原子相化合, 生成氧化物中间层, 从而增强薄膜的附着。若能增强氧和水蒸气的化学活性, 例如使其处于电离状态, 则更能增强薄膜的附着。成膜以后, 若氧从外部或从薄膜和基片内部继续向薄膜和基片间的界面扩散, 则该界面随着时间的进展, 将继续发生氧化, 使附着逐渐变强, 一直达到其强度饱和值。这种现象被称为附着力的时间效应。

3.2 薄膜内应力分析与消减措施

实际中仅考虑垂直于基片表面的断面上的内应力, 且忽略厚度方向的不均匀性。很多薄膜内部都存在较大的内应力。按性质分为张应力和压应力, 按来源分为热应力和本征应力。薄膜热应力的数学表达式为:

其中:E-弹性模量;αF-薄膜的热膨胀系数;αS-基片的热膨胀系数;Td-薄膜的沉积温度;T-测量温度

分析: (1) 从上式看出, 要消除薄膜中的热应力, 最根本的办法就是选用热胀系数相同的薄膜和基片材料。其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。 (2) 通常情况, Td>T, 若薄膜的弹性常数与温度无关, 薄膜和基片的热胀系数不随温度发生变化、为常数时, 薄膜的热应力随温度作线性变化。 (3) αF>αS时, 热应力为正, 即是为张应力。反之, 热应力为负, 即为压应力。因此, 可通过选择基片或者改变成膜温度的办法来改变薄膜中热应力的性质和大小。 (4) 对于高熔点的金属薄膜及其他薄膜, 随着成膜温度的提高, 热应力可能成为它内应力中的一个主要部分。对于低熔点金属和结构高度有序的薄膜, 因为它们的本征应力很小, 所以热应力能成为它们内应力中的绝大部分。

总而言之, 内应力对薄膜的影响体现在:使用与基片性质不同的材料, 在基片上沉积成膜以后, 薄膜常处于应变状态。在张应力作用下, 薄膜自身有收缩的趋势。若超过薄膜的强度限度, 薄膜就会开裂。在压应力作用下, 薄膜内部有向表面扩散的趋势。在严重情况下, 压应力就使薄膜起皱和脱落。

4 结论

复杂元器件上采用磁控溅射镀膜技术, 薄膜与基片结合强度的好坏直接关系到制件产品质量。薄膜和基片之间的附着力主要与附着类型、附着力的性质、工艺和测量方法有关, 理论上要对结合界面有个全面了解。对附着类型从有分明界面的简单附着入手, 再深入掌握扩散附着、通过中间层附着及宏观效应附着, 很好地理解薄膜和基片相互作用来源的范德华力、化学键力和静电力的内容。影响附着力的工艺技术因素主要包括材料性质、基片表面状态、基片温度、沉积方式、沉积速率、沉积气氛等。通过选择基片能与薄膜形成化学键来提高附着力, 清洗基片去除污染层, 合理提高温度有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散加速化学反应形成中间层附着。薄膜中存在的应力也是影响附着力的原因, 主要是界面应力和生长应力两种, 生长应力与薄膜厚度无关、薄膜中的各种缺陷是产生本征应力的主要原因。合理调控工艺参数是消除和减小内应力提高薄膜和基片附着力的关键。

参考文献

[1]LiXueyong, LiHongjian, WangZhijun, etal.Effect of substrate temperature on the structural and optical properties of ZnO and Al doped ZnO thin films prepared by dc magnetron sputtering[J].OptCommun, 2009, 282:247-252.

[2]丁新更.KH570改性SiO2复合耐腐蚀涂层结构及性能[J].材料工程, 2010 (12) :72-76.

[3]黄稳, 余洲, 张勇, 等.AZO薄膜制备工艺及其性能研究[J].材料导报, 2012, 26 (1) :35-38.

[4]Kupriyanov I B, Kudryavtsev V N, Kurbatova L A et al.Fusion Engineering and Design[J], 2010, 85:1702.

镀膜技术 篇5

美国Wisconsin大学J.R.conrad教授提出了一种等离子体基离子注入技术。使用该技术, 可以直接在工件暴露表面注入离子, 但是, 要真正做到全方位均匀注入是很困难的。近年来, 相关院校研制了DLZ-01型离子注入沉积设备, 因为静止的球体表面完全暴露于设备中是不可能的, 所以, 需要特别设计夹具, 使球在离子注入过程中自由滚动, 从而得到均匀的DLC膜。

1 陶瓷球的运动分析

要使陶瓷球表面能够沉积均匀的DLC膜, 必须使球自由、均匀地运动, 这样, 球体每部分接触到等离子体的概率是一致的。为此, 笔者设计了一种夹具, 如图1所示, 并从运动学的角度分析了球体在夹具中的运动, 验证了球体能否自由、匀速转动。

三沟道转盘以一定转速绕转轴旋转, 转盘上加工三道环形沟槽, 其截面为三角形。将3个球分别放于球盘的三沟槽中, 使其构成正三角形, 并用隔离盘固定, 隔离盘按照转盘上球的排布加工。第4个球放于三球之上, 用相应的隔离盘固定其位置。

1.1 ADAMS建模的几何分析

为了方便研究, 设定下面三颗球分别为A, B, C, 上面球体为D, 转速为w0, 4个球的直径皆为d, A, B球球心距转轴距离分别为RA、RB。下面应用ADAMS软件仿真计算夹具中球的运动情况。

对夹具和球体建模, 要求夹具和4个球体必须满足一定的几何条件。

1.1.1 C球球心距转轴距离RC

在建模过程中, 应知道3个球球心距转轴的距离。已知RA、RB, 要想知道C球球心距转轴距离RC, 就需要根据A, B, C3个球排布的俯视图, 如图2所示, 求出RC, 即:

根据式 (1) 解得RC为:

1.1.2 槽夹角α的取值范围

设转轴中心为O, 以O为圆心、RC为半径画圆, 交线AB于点C', 以C'为圆心、d为直径画圆, 交A球于点S, 则点S距A球圆心水平距离为 (RA-RC) /2.设其垂直距离为y, 则有:

在SS'圆弧上任取一点, 过该点做切线, 切线与竖直方向的夹角为α/2, 则有:

根据几何关系得:y1<y<2d. (5) 将式 (3) (4) 所得的值代入式 (5) , 得到α的取值范围为:

1.1.3 l与球半径r的关系

设l=RA-RB, 要使3个球体A, B, C将上面的球体D托起, 则l与球半径r要满足以下条件:

1.2 ADAMS运动仿真

取转盘半径R为100 mm, 且A, B, C3个球球心距盘底的垂直距离为25 mm, 球的直径d为5 mm, A球球心距旋转中心轴的距离RA为75 mm, 则根据式 (7) 得:

当RA-RB=6 mm时, 则RB=69 mm。

将上述相关值代入式 (2) (6) , 得:

设旋转中心轴的角速度为w0=-180 deg/s, 仿真时间为25 s, 确定球D编号为6, 则在ADAMS中仿真得到D球的角速度曲线如图3所示。

从图3中可以看出, 球D在y方向上的速度最大, 其次是x方向, z方向上角速度相对很小, 可以忽略不计, 所以, 合成角速度几乎分布在O-xy面内。

2 夹具中球的运动分析

分析图3中的角速度曲线可知, 随着时间变化曲线无规律地上下波动, 说明球的运动没有规律性, 再看旋转轴角度的正切值tanγ=wy/wx的变化。因为wx、wy没有规律地变化, 所以, 相应的γ值是不确定的, 也就是说球体可以自由旋转。ADAMS的运动轨迹仿真结果如图4所示。从图4中可以看出, 球体表面被均匀的色点覆盖。这证明, 利用这种夹具可以使球表面每一点等概率地暴露在等离子体中, 以满足对其均匀性的要求。

3 陶瓷球镀膜试验

利用DLZ-01型设备对陶瓷球表面镀膜, 陶瓷球1/4球冠暴露在等离子体中。因为球体不断地无规律转动, 则暴露的球冠也在不断变化, 使整个球表面沉积上DLC膜。

随机选取膜厚为551.3 nm的陶瓷球2个, 利用圆度测量仪随机测量球的4个不同位置, 其圆度值如表1所示。

分析表1中的数据可知, 同一颗球体在不同位置上的圆度相差很小, 测量原始陶瓷球的圆度为0.06µm。比较相关数据后可得, 在球体上镀膜对球的圆度影响不大, 也就是说, 利用夹具对陶瓷球镀膜, 可以使球体表面均匀地沉积DLC膜。

4 结论

综上所述, 几何分析了夹具模型, 并用运动学软件ADAMS仿真了球的运动情况, 不论是从对仿真曲线的分析和对球运动轨迹的分析, 还是从试验得到沉积膜的球体的圆度测量, 都说明了运用三沟道转盘夹具可以在陶瓷球表面均匀地镀膜。

摘要：为了研究出使球体镀膜均匀化的夹具, 利用夹具模型完成几何建模, 从运动学的角度对其分析, 并利用ADAMS软件实现运动仿真。分析了仿真结果后得出, 在DLZ-01型设备上安装三沟道转盘夹具, 可以得到均匀、光滑的薄膜。

镀膜技术 篇6

磁控溅射镀膜玻璃生产线 (简称LOW-E生产线) 是我司从彩管玻壳行业转型之光伏太阳能行业时新上的一条镀膜玻璃生产线, 该生产线采用真空磁控溅射方式在玻璃表面进行镀膜, 该生产线设备主要由上片、下片玻璃传动设备, 真空镀膜腔室和本特勒清洗机组成, 为了确保公司高端LOW-E玻璃的生产需要, 确保设备的高性能和稳定的工艺保证, 采用德国原装进口设备, 均为在德国全部组装好后运输至LOW-E车间现场模块化组装。

自从2012年初LOW-E生产线运行以来, 随着设备使用时间的延长, 越来越多的零部件进入老化更新阶段, 使用损耗越来越多, 设备零部件的采购问题越发突出, 主要表现为:进口备件价格昂贵, 并且供货商比较注重大额订单, 对于小金额的订单较为漠视, 造成备件采购时较为被动;备件供货方往往采用款到发货的方式, 造成设备维护的资金压力较大;采购周期长, 进口件的采购周期往往几个月时间甚至更长, 若按照国产常规零件的备件申报规则, 备件费用是非常惊人的。此外如果亟需的备件没有到货, 会直接影响正常生产, 甚至导致停机。在这种情况下, 需要抓紧推进进口备件国产化工作, 以便降低备件采购费用和周期。

2 进口备件国产化方案和实施

启动进口备件国产化的工作, 首先需要备件申报人员对设备有深入的了解和较为丰富的设备使用经验, 这样才能对备件有深入的了解, 以便做到合理申报。而由于缺乏该设备的使用经验, 对设备及其零部件的认识主要依靠设备安装前期的初步了解, 安装时和外方人员的交流、后续的维修、拆装和查阅资料等途径获得, 缺乏长期的使用经验。同时出于技术保密、后续长期供给等考虑, 外国设备厂家提供的资料中, 关于备件方面的信息较为片面, 很多所谓的图纸只是处理过的示意图、照片或者手工画, 依靠这些信息难以顺利实现这些备件的国产化。为此, 需要从多种渠道了解备件的信息, 逐步开展进口备件的国产化工作。

从设备的备件装机量统计工作开始, 对设备所有备件信息全部采集整理后, 采用区分处理的办法, 按照标准件和非标件、使用场合、工作环境、备件的作用、对工艺的影响、是否易损件、备件价值等方面加以区分。

1) 首先区分使用场合, 对于真空腔室内的零部件和其他部位的零部件要区别对待, 镀膜腔室是LOW-E线的核心单元, 主体真空为1.0E-6mbar, 腔室内部有传动辊道, 传动O型圈、传动齿形同步带、施密特联轴器、轴承, 传动动力来自位于腔室外的减速机, 溅射腔室中遍布冷却水路, 溅射阴极上更是配置着溅射镀膜的核心设备, 腔室周边有许许多多对外的连接口, 每个连接口都有对应的密封件, 镀膜腔室中要绝对严禁油污污染。可以看出, 镀膜腔室内部所有零部件的国产化工作都要十分谨慎, 因为稍有不慎, 将直接影响生产工艺, 并可能导致主体腔室破空回气维修的严重后果 (至少要全线停机24小时以上) , 经济损失要远远大于备件费用。相比之下, 对于镀膜腔室以外设备备件的国产化工作要相对容易得多;

2) 要区分标准间和非标件, 对于标准件, 在充分考虑工艺要求、使用环境和工况的情况下, 没有特殊要求, 可以全面替代进口件。对于非标件, 必须充分考虑技术要求, 在详细咨询设备厂家技术人员或其他专业人员后, 才可小批量的进行国产件的试用工作, 待试用成功后, 才可批量生产;

3) 对一些外置的易损件等先期开展国产化工作, 比如上片、下片辊台的齿形同步带, 胶轮、垛机上3种吸盘、垛机气缸缸杆、传动辊道上的轴承、传动齿轮, 清洗机风机过滤器、过滤袋、玻璃护罩、喷淋嘴、各种皮带、清洗机辊刷皮带等, 这些备件首先进行了国产化工作, 到货备件测量合格、试用合格后基本上能够正常使用了;

4) 对一些数量较大并且位置较为关键的易损件, 要经过长期试用, 效果确认后才行。比如镀膜舱室辊道O型圈, 装机数量超过1000个的有5种, 因为紧贴玻璃且位于真空镀膜舱室内部, 位置特殊, 国产件试用只能够小批量长期试用, 待效果确认后才能够大范围拓展试用。舱室内传动齿形带也是如此, 舱室内传动全部采用齿形同步带传动, 一旦备件质量不过关, 异常断裂, 后果非常严重。清洗机传动塑料齿轮和双排齿轮的国产化工作, 也是经过国内厂家多次修改后, 逐步安排上机试用;

5) 关键部位的备件、涉及工艺的备件, 慎重进行国产化工作, 比如镀膜工序仓室狭缝阀密封、镀膜舱密封圈、旋转轴星型密封, 清洗机中的盘刷、辊刷、传动辊道等, 在类似备件国产化成功后再行安排国产化工作;

6) 对于设备核心备件、专利备件, 不轻易国产化, 比如, 镀膜工序靶管连接件、紧固件、密封圈、镀膜舱室内所有涂有专用润滑脂的轴承、施密特联轴器等.

在国产化的过程中, 也走了一些弯路, 比如, 对溅射舱室底板固定螺丝盖板, 最初我方制作了部分小盖板进行替代损坏的原装盖板, 结果导致了跳靶, 不得不对整个镀膜舱破空处理, 最后才判断为是材质的不同导致磁场等发生的变化导致跳靶;在对溅射舱室底板横梁变形的对策中, 增加了支撑垫片, 结果底板受热变形, 导致擦伤, 不得不对整个镀膜舱破空处理, 导致全线停机48小时以上。有了这些教训, 在对镀膜舱室相关备件国产化过程中, 较为谨慎, 要充分结合生产工艺等方面的要求来稳步推进

3 备件国产化后的效果

已经顺利完成了多种进口备件国产化的工作, 除通用的标准件外, 专用件比如气缸缸杆, 齿轮, 部分传动辊道、密封圈, 轴承, 齿形带等, 已经顺利实现了国产件的全面替代, 满足了生产需要, 降低了采购周期和生产成本, 减少了采购资金压力和备货量。备件国产化的工作还在进行中, 随着设备运行时间的越来越长和对设备认识了解的加深, 进口备件国产化的工作面会逐渐拓宽, 随着这项工作的持续推进, 一定会使进口备件的采购比例逐渐降低, 减少对进口件的依赖, 创造更大的效益。

参考文献