收稿日期:2005-06-06
作者简介：龚建华(1944-)，男，黑龙江省富锦县人，教授。
龚建华，柳俊文，张永胜
(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)
摘 要：近年来，各种工业生产规模的玻璃基片大平面磁控溅射生产线发展迅速，令人关注。本文针对这一领域，就主要膜系开发、设备结构、工艺、存在的问题及最新发展做了简单的归纳和介绍。关键词：溅射镀膜；玻璃基片
中图分类号:T B43 文献标识码:B 文章编号:1002-0322(2006)02-0001-04
Introduction to thin film deposition on large -size glass substrate by magnetron sputtering (I )
GONG Jian-hua,LIU Jun-w en,ZHA NG Yong -sheng
(H ef ei Poly technique Univer sity ,H ef ei 230009,China )
Abstract :R ecently ,var io us mag netr on sputter ing lines for depo siting thin films on lar g e-size glass substr ates dev elo ped
ra pidly and attr acted significant attention.T he ex plor ation o f majo r series of films,constructio ns o f equipment ,t echno lo gical pro cesses ,ex isting pro blems and latest development in this field wer e intr oduced in brief .
Key words :sputter ing co ating ;glass substrate
1 典型膜系
大平面磁控溅射真空镀膜是适合工业化生产的一种镀膜方式，尤其是在玻璃基片上。近十几年来得到很大的发展，创造了巨大的经济效益。其中有代表性的膜系如阳光控制膜，低辐射膜(Low -e 膜)，高反射膜，透明导电膜(ITO 膜)等。1.1 阳光控制膜
建筑玻璃有两个基本的功能，透光和隔热。太阳光谱按波长分为三部分：紫外光、可见光和红外光。紫外光(占3%)是不可见光，其波长在0.3～0.4 m ；可见光(占48%)波长在0.4～0.7 m；红外光(占49%)也是不可见光，波长在0.7～2.1 m 。太阳光能量的98%处于波长0.3～2.5 m 范围内。而空间红外辐射98%以上的能量处在3～30 m 的波长范围内。辐射强度最大的波长在室温下约为10 m 。图1给出了太阳辐射和黑体辐射(T =25℃)的强度与波长的关系曲线。而普通玻璃的透射特性如图2所示。
当光辐射投射到玻璃上时，将产生反射，吸收和透射。并且满足
mlnbt s +r s +a s =100%
其中t s 、r s 、a s 分别为透过率、反射率和吸收率。它们取决于玻璃的种类、厚度、光线的入射角度和波长。对于3m m 厚的普通玻璃，在太阳光垂直入射下，在全部太阳光辐射中
t s =87%;r s =8%;a s =5%
而对于空间的红外辐射，在室温下(T =298K )
普通3mm 玻璃
t s =3%;r s =8%;a s =89%
图1 太阳辐射和黑体辐射(T =25℃)的强度与波长的关系曲线Fig.1 Relations hip betw een inten sities of solar and black body
radiation and their w avelengths
根据太阳光辐射和空间红外辐射的能量分布以及普通玻璃透射的特性，可以有如下的结论，普通玻璃能透过绝大部分太阳光辐射能量。这对采光和吸收太阳光线的能量无疑是十分有利的；而对于空间红外辐射，普通玻璃则表现出强烈的吸收，这虽然能阻止室内的热量直接透过室外，但热量被玻璃吸收后的二次散热也造成很大的损失。随着经济的发展，地域不同的人们对建筑玻璃的功能提出更多，更高的要求，普通玻璃的性能已远不能满足需求。概括地讲，这种新的需求分为两类，一类是低纬度地区，由于气温较高，夏季较长，人们需要通过限制进入室内的太阳辐射而降低室内的温度。另一类是高纬度地区，由于气温较低，冬季较长，人们更需充分接受太阳辐射的能量和最大限度地阻止室内的
热量向外流失。普通玻璃均满足不了这两类需求，而必须通过玻
第43卷第2期2006年3月
真 空 VACUUM
Vol .43,No .2
液压一体升降柱Mar .2006
璃的表面改性来产生新的功能。适合前者需求便产生了阳光控制膜；适合后者需求则产生了低辐射膜, 当然亦有中间类型的。
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图2 普通窗玻璃的透射特性
Fig.2 T ran sparancy of common w indow g las s
所谓阳光控制膜，就是在玻璃上镀一层金属薄膜。常用的金属材料有铬、钛、镍、铁及它们的合金。该膜层对阳光特别是可见光有较高的反射率(10%～60%)，并由于膜层的吸收，可控制可见光的透过率(8%～40%)。另外对紫外光亦有较高的吸收率。
最简单的阳光控制膜的结构就是一层金属的单质膜，但由于纯金属膜的理化性能远不如金属的化合物(氧化物或氮化物)，因此往往在金属膜上再镀一层金属的氧化物膜或氮化物膜，以其良好的理化性能作为保护层，并有一定的增透作用。由图中可以看出膜层的反射率曲线随波长无明显变化，因此反射光的调呈中性的灰。当然选择有基片也可得到多种调的玻璃。除此之外，如在玻片上先镀一层适当厚度的氧化物介质膜，再镀一层金属膜，接着再镀一层化合物膜，由于薄膜干涉的原理，可使普通透明玻璃呈现不同的颜。其中前两层膜决定了在第一层薄膜上下两个界面反射光线相干的光程差，特别是第一层的光学膜厚。在其厚度变化过程中，按照光谱的排列使玻片依次呈现红橙黄绿等不同的颜。中间的金属膜层还可决定整个玻片的透过率，最后一层介质膜仍是起到保护和增透作用。另外第一层氧化物膜与玻璃之间是有比金属膜与玻璃之间更强的结合力，这是因为玻璃的主要成分也
是氧化物，它们之间有相近的晶格常数，这一点有利于彼此的结合，尽管玻璃并不是一种结晶体。亦有仅用一层介质膜的干涉效果使玻片呈现颜，这往往是一种高透的，且玻面和膜面皆呈相同彩的镀层。简而言之，所谓阳光控制膜是通过增加反射和吸收减少进入室内的太阳光线。其效果可用遮阳系数来表示。用真空镀膜的方法既可增加反射同时也可增加吸收，其优越性不言而喻。1.2 低辐射膜(Low -e 膜)
如何使玻璃有最佳的隔热效果?先分析一下普通单层玻璃的传热特性。普通玻璃的传热系数k 决定于
1k =1 i +1 +1 a
式中 i 和 a 分别为玻璃内外两个表面至内外空间的传热系数, 为玻璃平均传热系数，若玻璃材料的平均热导率为 ，厚度为d ，则
=
d
在一定的标准条件下，可以确定 i =8W/m 2
・K,
a =23W /m 2
・K 。以上的 i 和 a 包括了传导、对流和辐射三种传热作用。而进一步研究确定 a 以对流
和传导为主，占82%, i 以辐射为主，占58%。所以要减少玻璃的传热，可在外表面加百叶窗。这个方法较原始，且白天不可行。此外只能是抑制内表面的热辐射，这可以通过真空镀膜的方法来改变内表面的特性，使之具有低辐射率。热辐射具有电磁波的本质，依据物理学的规律具有高电导率的表面才具有低辐射率。所以将高电导率的金属材料沉积在玻璃表面便能降低其辐射率，或者说提高了表面对红外的反射率。后一点使得玻璃隔热的物理图象更加清晰。首选的高电导率材料有金、银、铜，它们不仅有很高的远红外反射率，而且在整个太阳光谱范围内的透过率不象其他金属呈中性，而是有选择性的在可见光范围有较高的透过率，这无疑也是一个显著的优点，在实用上，上述的金属膜层并不是单独使用，而是夹在两层金属的氧化膜层之间组成一复合膜层。与玻璃接触的一层氧化膜可以改善膜层的结合力；而外层的氧化膜同时有增透和保护作用。常用的有铋、锌、钛等金属的氧化物。 以上涉及到的膜系也称为单银Low -e 膜，在单银的基础上再对称地镀上一边膜层，则称为双银Low -e 膜，显然双银Low -e 膜层有更好的隔热效果。一般金属膜层厚度在10nm 左右，而氧化物膜层厚度在40～60nm 左右，而且氧化物膜层的厚度还可控制玻璃的调。
低辐射膜广泛地用于建筑及汽车和飞机的挡风玻璃。但更多的可与普通玻璃复合成中空玻璃使用，既
使膜层得到保护，又增加了隔热的效果。
在太阳辐射最大时，与面积有关的辐射功率(辐射强度)S =800W /m 2。而室内空间的辐射强度在20℃时,S 293=418W /m 2。后者还将有相当部分被玻璃吸收。再向室内外散失，由此看来，只要有阳光照射，室内能量总是增加的，这就是所谓的“暖房效应”。当低辐射膜层大大降低了玻璃的传热系数后，往往一小时的日照能量的吸纳能与室内数小时以至十小时以上的能量流失相平衡，这将节约大量能源。1.3 高反射膜
普通生活中的镜子早在80年代初就用真空沉
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助板2・真 空 VACUUM 第43卷
积的方法以铝代银了。除此之外，很多高科技产品也需要反射镜，如传真机、扫描仪，还有市场上日渐增多的背投电视等。这些需求的特点是不仅要求反射率高(R>94%)，而且作为前表面的镀层使用，即光线直接在膜面反射。
对于一般的光学仪器金属反射膜可以满足要求。金属反射膜的常用材料有Al、Ag、A u等。Al是从紫外-红外反射率皆高的唯一材料，且表面易生成牢固稳定的Al2O3，故应用广泛。Ag膜在可见和红外反
射率高，偏振效应小，但作前表面镜镀层受以下限制，与玻璃附着力差，易受硫化物影响失去光泽，可用SiO、M gF作为保护层，但与Ag粘附性差。常作为后表面镜镀层。Au膜在红外区反射率高，强度稳定性比Ag好，所以作为红外反射镜。但Au与玻璃附着性差，可用Cr衬底，或沉积过程中辅以离子束轰击，可提高附着力。
材料的纯度影响反射率。例如99.99%的Al比99.5%的Al的反射率要高出10%。
微波电视天线
如反射率要高于金属膜，例如前面提及的一些应用场合，则可增镀介质层。这是目前大平面溅射镀膜为满足市场需求而普遍采用的方法。
选择两种折射率不同的介质，先将低折射率的介质沉积在金属(Al)的底膜上，再把高折射率的介质沉积在低折射率的介质上，当两介质膜的厚度都等于光波在该介质中的波长的四分之一时，入射光线在每层介质膜的上下两个界面上反射时相位相同，干涉的结果相互加强，可使得总反射率比衬底金属膜层反射率提高几个百分点。
对于特殊的应用。若要反射率大于99%，只有采用全介质膜。该膜系组合具有最大的反射率和最小的吸收。选择两种折射率不同的介质，在玻璃基片上先高后低相间沉积，最后一层也是高折射率介质，每层厚度均为四分之一波长。如此，入射光线在每层膜的两个界面反射后均相干加强，总的层数增多，反射率愈高，但是过多的层数会增加光的吸收，反射率反而下降。所以一般以13层，最多15或17
层为宜。常选用的材料有M gF(n=1.35)和ZnS(n= 2.38)。显然这种膜层更适合在实验室内完成，如大面积连续生产，对设备的要求将是很高的。
1.4 透明导电膜(ITO膜)
ITO膜是铟锡合金的氧化物膜。理想的IT O膜具有可见光的高透射率，低电阻率和良好的刻蚀性。广泛用于液晶显示，场致发光、电致变等方面的透明导电电极，它本身亦有良好的低辐射功能。
ITO膜是一种半导体膜，它的导电机制有两方面。其一是锡的掺杂，提供了可导电的自由电子，使电阻率降低。另一方面是氧原子的缺位，使铟锡氧化物偏离化学计量比。还原的铟原子可产生导电的载流子。而过量的氧则使氧化物薄膜组成接近正常的化学计量比，从而使电阻率增加。另则多余的氧的掺杂最终在基片温度下逃离，留下的空位对导电电子有散射作用，同样可使电阻率增加。这两个因素的平衡可使得IT O膜具有满意的低电阻率。锡的掺杂不能太少，少了使电阻率升高，而太多了可生成各种形态的化合物。一方面增加了电阻率，另一方面也减低了透光率，最佳的比例约7%，可以具有最高的透光率和最低的电阻率。
IT O膜的特性在成膜过程中受多种因素的制约。溅射电压的高低影响电阻率的高低。这是因为强电场中的负氧离子对膜层的轰击使其造成损伤，低电压下溅射可减弱这种损伤机制，而获得低电阻率。基片温度也影响膜层的性能，通常的烘烤温度达到了200℃以上。氧的分压更是灵敏地决定了膜层的电
阻率和可见光透过率。
若采用铟锡合金靶进行反应沉积，特别是氧分压的影响，使得理想的工艺窗口过窄，难于控制镀层的重复性，一致性差。然而对于低透过率、低电阻率或高透过率、高电阻率的镀层，分别在氧化或还原的气氛中退火，皆可获得高透过率、低电阻率的膜层。尽管如此，目前更多的采用铟锡氧化靶，工艺的稳定性更易于控制。
2 镀膜设备
以上的各种膜层都适合于大规模工业化生产。为此大量的流水线作业方式的大平面磁控溅射生产线应运而生，创造出巨大的价值。
所有的生产线都有类似的结构，总体上可以分为三个部分：前处理，溅射镀膜，后处理。
2.1 前处理
要获得结合牢固、致密、无针孔缺陷的膜层，必须使膜层沉积在清洁、具有一定温度甚至是激活的基片上。为此前处理的过程包括机械清洗(打磨、毛刷水洗、去离子水冲洗、冷热风刀吹净)、烘烤、辉光等离子体轰击等。机械清洗的目的是去除基片表面的灰尘和可能残留的油渍等异物，并且不含活性离子，必要时还可采用超声清洗。烘烤的目的是彻底清除基片表面残余的水份，并使基片加热到一定
的温度，很多材质在较高的基片温度下可以增强结合力和膜层的致密性。基片的烘烤可以在真空室外进行，也可以在真空室内继续进行，以获得更好的效果。但在真空室内作为提供热源的电源应有较低的电压，否则易于引起放电。辉光等离子体轰击清洗可以进一步除去基片表面残留的不利于膜层沉积的成份，同时可以提高基片表面原子的活性，更有利于基片与沉积的材质原子产生牢固的结合。使用中频电源会取得比直流放电更明显的效果。实践证明
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第2期 龚建华，等：大平面玻璃基片磁控溅射真空镀膜简介(一)
镀前清洗是必不可少的重要环节。为了达到这个目的，整个环境的清洁亦应得到控制。
2.2 溅射镀膜
这部分应是生产线的主体，而且是处在真空状态下的一个系统，是由不锈钢或碳钢做成的一个个独立的室体连接组成。它的两端为了反复地使清洗过的玻璃基片进入和让镀制好的基片输出，而处在一个
特殊的状态，称为真空锁室。每个锁室的两端都有阀门并配置抽气能力强大的真空机组，可以容易地完成真空和大气的转换。
与真空锁室相连的真空室体称之为过渡室。它的作用是停留由锁室输入的待镀基片，或让沉积好的基片停留于此，等待输出锁室，起到调配基片运行的作用。过渡室亦应配置真空机组，并要保持较高的真空度。输入端的过渡室内可以设置辉光放电等离子清洗装置。但应考虑与基片运行方向相邻的室体的隔离，这种隔离主要是相邻的室体维持不同的压力。辉光放电的压力一般较高，而溅射镀膜的工作压力往往在更低的量级。
在前后过渡室之间的部分称为镀膜室或溅射室。每个镀膜室是一个独立的沉积区域。所谓独立是指该镀膜室内的工作压力以及工作氛围不受其它室体的影响。每个溅射室设有一付或两付靶位。每付靶位上可以安装一付磁控溅射靶，或称为阴极。溅射室的数量亦或溅射靶的数量，包括选用的靶材，取决于生产线开发膜系的能力和产量。磁控溅射靶的功率密度一般13W/cm2，比直流溅射要高得多。但实际的电源往往很难保证靶的功率。没有大的功率就没有高沉积速率，而高沉积速率是现代镀膜所推崇的。电源的并联是增强功率的一个途径。平面磁控靶的结构分为直冷式和间冷式两类。直冷式适合于气密性好的靶材。由于冷却效果好，功率更大一些。间冷式的适合于气密性较差的靶材，功率要小一些。靶内磁体目前更多采用的是钕铁硼永磁体，只要保证磁场的均匀，再在工作气体的布气装置上采用合理的方式，在整个靶面的区域内，实践证明均能获得均匀的溅射刻蚀。这是膜层横向均匀性的重
要保证。考虑到靶的两端所产生的边缘效应，为使基片的两端也获得与中间部分相同的膜厚，靶的两端要伸出基片边缘足够的长度。高真空的背景是溅射沉积的必要条件，所以溅射室对称设置有高真空机组。目前采用的大多是扩散泵机组。进口设备中，如配置扩散泵的还加有液氮冷阱，这样有更好的挡油效果，但维持费用高。也有配置涡轮分子泵的，但维修麻烦，更换轴承需由厂家进行。目前国内正在开发一种全拖动分子泵，在中高真空有极强的抽气能力，有望用于溅射镀膜的真空机组以及其它方式的镀膜装置，除了能保证足够高的清洁的本底真空，还能在较宽的工艺参数变化范围内，均保持有效的抽气能力。这是扩散泵所不能及的，并且用户可以对轴承定期自行更换。这种泵用于进片室可以避免油蒸汽对基片的污染，并可防止活性气体周期性的混入镀膜室内。这点是目前即使是最先进的设备也无法解决的难题。在溅射镀膜中尽量抑制油蒸汽的污染的必要性应是无可争议的。
为了保证每个溅射室能在独立的气氛下工作，相邻的溅射室之间应采取气氛隔离措施。这可通过狭缝装置来达到隔离的目的。所谓狭缝是用两块横贯室体的钢板水平围成的长200～300mm，高10～12mm的空间，这是一种流导模型，在分子态下具有很小的传输几率。狭缝所处位置的室体横截面，除了缝外完全隔断。这样两道狭缝相距40～50cm设置便可形成一种物理上的隔离。两狭缝围成空间的两端配置有高真空机组，可使隔离效果更佳，控制在1%以内。这种结构的优越之处在于隔离气氛和传输玻璃可同时兼顾。如若不能实现有效的隔离，当相邻的沉积区域气氛不同时，则相互的影响将严重的破坏膜层的均匀性，甚至结构，这是不能允许的。
2.3 后处理
镀制好的基片从真空室内输送到大气中后，一般还要经过清洗及检测。清洗的要求没有前处理那么严格。目的是使膜层的缺陷更容易暴露出来，以便在后续的检测中被发现。最简单的检测就是目测，为便于观察，基片的底部分布有光源，可以发现针孔的存在和数量，有无放电的痕迹。出线端的透过率检测仪可以指出膜层最终的透过率。也可以在基片范围内布置多道探头，采集数据由计算机处理来评估膜层的纵向和横向的均匀性及有无异常。对于特殊用途的光学薄膜出线后即进入净化室，覆上一层保护用的带胶薄膜后存放。
假山的堆叠
以上便是大平面磁控溅射生产线的大致结构。整个生产过程由可编程控制器控制实现自动化。用工控机作为上位机，可适时监控程序实施并进行修改。膜层厚薄还可通过透过率检测仪实现在线检测(不透光的膜层除外)。一般进行人工控制和调整，也有根据检测结果，结合工艺参数利用软件实现闭路控制，使沉积的膜层保持一致性和重复性。控制台的电子模拟屏可以直观的显示生产线的工作状况及基片的运行情况。
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