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        國內濺射靶材發展與應用

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        國內濺射靶材發展與應用

        發布日期:2016-03-29 00:00 來源:http://www.sabiluna.com 點擊:

        國內濺射靶材發展與應用

         

        20 世紀90 年代以來靶材已蓬勃發展成為一個專業化產業,中國及亞太地區靶材的需求占有

        世界70%以上的市場份額。大量不同的沉積技術用來沉積生長各種薄膜 ,而靶材是制作薄膜的關

        鍵,品質的好壞對薄膜的意義重大。目前高端品質靶材主要由:日本、德國和美國生產,我國靶

        材產業起步較晚,在產品質量與精細標準上與國外有不少的差距,國內也有許多大學及研究機構

        對靶材積極投入了大量鉆研與開發,經過這幾年的發展也涌現了一批在靶材行業優秀的公司和院

        校。在國內占據了大部分中等和要求不高的靶材市場份額。

        1 靶材應用行業分類

        1.1 裝飾、工模具鍍膜行業靶材鉻靶(Cr),平面鉻靶,噴涂鉻管;

        鉻硅靶90/10Wt%,50/50at%,25/75at%(電弧,平面靶,旋轉管靶);

        鈦鋁靶50/50at%,70Ti/30at%,67AL/33at%(電弧,平面靶,旋轉管靶);

        鈦鋁硅靶1:1:1at%,1:2:1at%(電弧,平面靶,旋轉管靶);

        鈦靶,鈦管靶,鋯靶;

        金靶,玫瑰金靶;

        石墨靶,鎳靶,鋁靶,不銹鋼靶等。

        1.2 太陽能光伏光熱行業靶材

        氧化鋅鋁靶ZAO; 硅靶;鈦靶、氧化鈦靶;鋁靶;鉻靶、鎳鉻;鋅鋁、鎢、鉬

        靶等。

        1.3 建筑汽車玻璃大面積鍍膜

        硅鋁靶、旋轉硅鋁靶;氧化鈦靶;錫靶;鉻靶;硅靶;鈦靶、不銹鋼靶。

        1.4 平面顯示行業

        ITO 靶;二氧化硅靶;高純硅靶5-7N;高純鉻靶3N5;TFT 鉬靶;鉬鈮靶;鎢鈦

        靶90/10wt%;高純鋁靶等。

        1.5 光學,光通信,光存儲行業

        銀靶;鉭靶;硫化鋅靶;高純鋁靶;硅靶。

         

        2 常用靶形

        常用靶形有電弧靶、平面靶、旋轉管靶。

        2.1 平面靶材利用率提高方式

        (1)改變磁鐵運動方向

        (2)改變磁力線分布寬度和高度

        2.2 靶材性能與要求

        靶材質量直接影響著薄膜的物理、外觀、力學等性能,因而對靶材質量的評判較為嚴格,主

        要應滿足以下要求:雜質及氧含量低、純度高;致密度高;成分與組織結構均勻;晶粒尺寸細小。

        2.3 劣質靶材缺陷

        a)和b)為熔煉鉻靶燒蝕后靶面情況

        c)靶面有凹痕為引弧針安裝不當導致的

        d)水晶鍍膜靶材密度不夠,燒蝕后區別

        e)等離子噴涂氧化鈦旋轉管靶不良

         

        3 介紹幾款常用靶材的應用

        3.1 裝飾、工模具鈦鋁靶應用

        高鈦低鋁:50/50at% 70Ti/30at% 80Ti/20at%

        高鋁低鈦:67AL/33at% 75AI/25wt% 80AL/20 wt%

        3.2 鈦鋁靶材應用

        鑄造法制做鈦鋁合金靶材無法避免疏松和縮孔,大尺寸鈦鋁鑄管和鑄錠不能保證制成旋轉管

        靶時達到密封和防水效果,并且隨著管壁的刻蝕,壁厚變薄,疏松和縮孔只要有一個孔連通,密

        封性會變的更加糟糕,輕者滲漏,靶管起輝放電,或大量雜氣摻于反應不是掉膜就是起彩顏色不

        對。嚴重者直接從疏孔向真空室射水,污染真孔腔和真空機組。

        粉末冶金工藝制做鈦鋁靶材沒有疏松和縮孔的問題,但從粉末冶金微觀來看也是多孔材料,

        所以要想制做鈦鋁旋轉管靶,對材料致密性要求很嚴,密度必需>98%以上。但符合密度要求也不

        代表可以使用。如果鈦鋁錠的含氧量很高而且微觀結構不合理,鈦鋁錠內應力大,容易崩,也是

        不能做旋轉管靶的,所以在粉末制做和粒度配比上有很多條件要求。既使滿足這些條件,粉末冶

        金鈦鋁環還需綁錠在不銹鋼管或鈦管上,由于鈦鋁熱膨脹系數很大,在濺射時局部靶材膨脹可能達到0.5-1MM,所以現在傳統綁錠方式不能有效解決這個問題。出現鈦鋁綁錠分離,靶面熱能無法

        傳導而爆裂的現象。致于所謂緊配綁錠和等離子噴涂鈦鋁合金靶那都是沒有意義的解決方案,不能使用。低檔鐘表手飾沒有薄膜厚度和光澤度要求。大多采用電弧鈦鋁靶沉積TiAlN。高檔品牌表要求厚度

        達到1 咪以上,且光澤度不能下降。電弧受液滴影響在光潔厚膜方面沒有優勢。目前比較好的方

        式是采用旋轉管靶沉積TiAlN,不僅顏色更接近玫瑰金而且厚度增加后光澤度也不受影響。

        3.3 SVC 系列硅合金靶

        主要是沉積超硬膜方面的靶材,近年鐘表,手機在這方面有要求:如黑色防指紋超硬膜,不

        銹鋼機殼加硬,仿金色超硬膜等。這一含硅系列靶材在鍍膜時是多種化合物共沉積的薄膜,如鉻

        硅靶在制做IP 黑薄膜時通入反應氣體C2H2 鉻離子與C 元素反應沉積生成黑色碳化鉻(CrC)同時硅(Si)又與C 反應生成SiC。這種金屬碳化物陶瓷與碳化硅交替沉積和咬合的薄膜不僅提高了

        硬度,而且還保持了碳化硅表面磨擦系數很低的特性。

        更有最新證據證明鉻硅靶,鈦硅靶反應生成的Ti/Cr/TiAlC/SiC 結構薄膜是DLC 最好的過渡連結層,可以在Ti/Cr/TiAlC/SiC 上生長DLC 厚膜,這是非常有意義的事。鍍膜權威專家袁鎮海

        教授指出具有微觀菱形氮化硅包裹氮化鈦鋁的PLAITING 鍍層,有可能采用的就是硅鋁靶和鈦靶,

        或者鈦鋁硅靶沉積的薄膜。

        3.4 水晶鍍膜系列靶材

        水晶飾品,燈飾等鍍膜量這幾年增長很快,主要集中在中山古鎮和義烏浦江為主。古鎮是以

        燈飾水晶鍍膜為主有大小企業幾十家。浙江義烏以水晶飾品為主。大多采用匯成真空電弧加磁控

        鍍膜設備。主要有干邑色,琥珀色,酒紅色,AB 彩,玫紅色,金黃色,墨綠色,豬肝色等。

        水晶鍍膜琥珀色,酒紅色靶材是深圳矽谷公司鐵基合金zhuanli靶材。主推是旋轉管靶和平面靶,

        電弧靶由于蒸發量大,顏色不如旋轉靶好,市場低端也可接受,高端鍍膜由江門唐人張鍍膜廠為

        代表,產品質量穩定,外觀顏色均勻靚麗,該公司采用的就是大型平面靶。由于水晶鍍膜廠大多

        是一臺機或兩臺機的小廠,在鍍膜技術上還比較薄弱,特別是對前處理清洗沒有概念,所以經常

        出現掉膜或退色現象。傳統鐘表首飾清洗方法中并不適用水晶鍍膜清洗。

        3.4.1 水晶鍍膜工藝案例清洗參考

        ? 用不銹鋼方網裝入水晶吊墜;? 80-90℃超聲波低濃度除油水5-10 分鐘(1KG/100L 純水)主要目的是除油和油性物質污

        染;

        ? 過純水;

        ? 40-50℃超聲波低濃度酸洗(鹽酸2L/100L 純水)主要目的是去除表面發霉長毛及朦白污

        染物);

        ? 過純水;

        ? 過雙氧水和氟化氫氨稀釋水(0.5L 雙氧水/50g 氟化氫氨/100L 水)(主要是表面活化,增

        加薄膜與水晶結合力);

        ? 多缸活水漂洗;

        ? 掛架烘烤100-130℃;

        ? 進爐。

        3.4.2 水晶鍍膜工藝案例參考

        ? 抽真空致優于1.0×10﹣2 Pa ;

        ? 通入氬氣真空度3.0×100 Pa ;

        ? 偏壓-300~-500V(輝光清洗)5 分鐘;

        ? 恢復真空;

        ? 調整好轉架轉速;

        ? 通入氬氣和氧氣(1:2)真空度7.0×10﹣1Pa 待真空穩定后同時打開所有電?。?00~140A)60~90 秒;

        ? 關閉弧源,氣體結束鍍膜。

        ? 出爐。

        3.4.3 水晶鍍膜薄膜退除藥水配方

        藥水配方 操作條件

        琥珀色、酒紅色、干邑色 3L 鹽酸/10L 純水 浸泡

        AB 彩、豬肝色、槍色 20g 氫氧化鉀/50L 雙氧水 浸泡

        鉻槍黑色 50KG 高猛酸鉀/50L 水 溫度80℃-90℃浸

        3.5 國內外鈦鋁靶材制造商生產能力

         

        3.6 進口與國產ITO 靶材比較3.7 ITO 靶材市場應用狀況

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

        每年以平均15%的增長率遞增。其中日本日礦材料公司占市場50%,日本三井礦業占25%,東曹占

        15%,三星科寧占10%,國內靶材公司占據數額幾乎可以忽略不計。4 靶材EDS 檢測方法及薄膜XPS 檢測

        以Cr--Si 靶材為例,是從靶塊切下一小塊樣品,圖1 是樣品的掃瞄電鏡表面形貌。圖2 為

        圖1 對應部位的能量散射譜元素半定量分析數據。

        圖1. 樣品測試位置SEM 圖 圖2. EDS1 的能譜檢測結果

        玫瑰金鍍層成分隨深度變化的XPS 試驗方法與結果:本節樣品是鍍玫瑰金的表殼。圖3 是鍍

        層最表面的成分,主要是吸附的碳和氧;圖4 是刻蝕至15nm 深處,其成分是金和銅,是玫瑰金

        色的金合金主要成分;圖5 是刻蝕至80nm 深處,成分主要是鈦和氧,是玫瑰金層下的底層。圖4. 氬離子濺射掉表面約15nm 污染后的XPS 全譜圖5. 氬離子濺射掉表面約80nm 污染后的XPS 全譜

        5 結束語

        國外靶材公司占據了高端市場,國內靶材公司產品大多集中在裝飾和工模具及大面積鍍膜

        行業;我國是產銦大國,每年國內ITO 靶材需求約1000 億人民幣,而我們國內靶材公司連5%都

        做不到,存在很大的差距。究竟是設備原因?還是工業技術落后?或者是我們理論上面的缺失?

        如何制造高端靶材占據國內市場?未來方向是什么?廣大科研工作者和靶材公司要努力改變現

        狀。


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