CN102286717A - 以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法 - Google Patents

Abstract

以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，制备方法包括4个步骤，即喷涂粉体制取、基体准备、结合层喷涂、等离子喷涂成型；将单一金属和非金属材料，或多种金属或非金属材料通过热喷涂在衬管上形成具有厚度的单体靶材，工艺适应性强，同时满足多种材质和长度尺寸靶材要求。具有结构简单，性能可靠，可显著提高靶材的利用率，层表面质量好、膜层致密；广泛应用在;建筑与汽车玻璃大面积镀膜、太阳能光伏光热、表面装饰与功能镀膜、平面显示、光学光通讯光存储、磁数据存储和半导体等工业领域。

Description

以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法

技术领域

本发明涉及国际分类C23C对金属材料的镀膜、用金属材料对材料的镀膜、表面扩散法，化学转化或置换法的金属材料表面处理、真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀膜等相关技术，特别是一种以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法。

背景技术

目前， 溅射镀膜就是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。通常，利用低压惰性气体辉光放电来产生入射离子。阴极靶由镀膜材料制成，基片作为阳极，真空室中通入0.1-10Pa的氩气或其它惰性气体，在阴极(靶)1-3KV直流负高压或13.56MHz的射频电压作用下产生辉光放电。电离出的氩离子轰击靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。目前溅射方法很多，主要有二级溅射、三级或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。 

靶材是真空镀膜的重要原材料，靶材的纯度、密度直接影响膜系的成分和综合性能。

比如，镀膜玻璃用高密度Zn、Sn、Ni及其合金大尺寸旋转靶材的熔铸制备技术。从制备技术、靶材组织和溅射性能方面对两种旋转靶材做比较，喷涂制备金属靶是利用电弧将靶材材料加热到熔融或半熔融状态，借助高速气体将其雾化，形成小的熔滴，并加速喷射到衬管或衬板表面，快速冷却凝固成金属涂层靶材的过程。非金属和陶瓷靶通常是利用等离子加热粉末材料的方法喷涂制成。而另外，靶材熔铸技术可分为三种不同的浇铸形式：无衬管或衬板的整体式甩带浇铸，例如NiCr、NiV靶、有衬管或衬板的直接浇铸，例如Zn、Zn/ZnAl2/ZnSn(Sb)Sn及其合金靶、分段甩带浇铸再粘结成靶材如Ag靶等。

近二三十年以来，随着溅射镀膜技术的快速发展，新的靶材制备技术不断出现，靶材质量和性能也取得了显著提高。起初，美国镀膜设备供应商BOC公司开发出旋转阴极靶材，靶材的利用率由传统矩形平面靶的40%提高到80%，大量节约镀膜成本，从此旋转靶材在镀膜行业得到了广泛应用。然而，要制备长度接近4m、直径Φ(150-190)mm的高纯度中空圆柱靶仍然是困难的。

针对大面积镀膜靶材，即主要应用于大面积物理气相沉积的镀膜的靶材，以旋转靶材为代表。大面积镀膜主要应用于玻璃镀膜、太阳能光伏等领域，包括低辐射（Low-E）玻璃镀膜、透明导电玻璃镀膜（TCO），大面积镀膜，尤其是大面积玻璃镀膜，通常使用的靶材为大尺寸圆柱靶材，而且要求圆柱靶材为整体单根，或分段固定在同一衬管上，以目前技术条件，一般圆柱靶材长度不超过4米，这种圆柱镀膜靶材现有制造方法包括：热等静压法、烧结法、挤压法和浇铸法等四种，以上4种工艺各有优缺点，值得指出的是，其都不能很好的满足大面积镀膜实际应用的需求，具体地说，其中，采用热等静压法无法生产出较大尺寸靶材，已有记录显示，采用该法制的靶材长度未能超过2米，；采用烧结法仅能生产长度500毫米以内的单支靶材；挤压法和浇铸这两种方法也存在诸多限制因素，如无法应用于非金属靶材制造。

由此可以看出，现有技术条件下，只能通过多节连接固定在衬管上以达到长度要求，这种方法无疑大幅增加了成本，因此现有旋转靶材由于制造方法缺陷，不能满足大面积镀膜，尤其是建筑玻璃镀膜对靶材的要求。

另外，已公开的新的相关技术方案较少，如专利申请号200310105218一种可提高靶材利用率的磁控溅射靶。由水冷靶材和可移动的磁体组成平面靶或圆柱靶结构；平面靶结构中磁体通过滚动轴承与水冷背板安装在一起，电机通过传动盘驱动金属板和固定其上的磁体一起运动；圆柱靶结构中磁体套在不锈钢管上安装在圆柱靶内，置于冷却水中，并通过连接机构与电机相连。本发明采用了移动磁体技术，通过对普通磁控溅射平面靶和圆柱靶磁体的改进，使其磁体在溅射镀膜过程中能够移动，从而使靶材表面的刻蚀区域更宽，刻蚀更均匀，靶材的利用率有明显的提高，同时保留了磁控溅射工艺的优点，而没有影响其工艺性能； 

专利申请号200710022233旋转圆柱磁控溅射靶，包括极靴、永磁体、中空圆柱靶材和芯轴，永磁体沿圆柱靶材的轴向嵌于极靴内，永磁体为长永久磁条和短永久磁条，极靴上设有用于安装长永久磁条和短永久磁条的定位槽，长永久磁条和短永久磁条分别安装在对应的定位槽内；长永久磁条和短永久磁条沿极靴圆周方向交替分布，从而组成多路条形磁体，长短永久磁条的极性相反，极化方向垂直于溅射阴极中心轴线，极靴两端的磁环与长短永久磁条构成闭合跑道形磁力线。

又如专利申请号200820008493可均匀镀膜的靶材装置，包括：一安装于一溅镀设备中的遮蔽盒，及一安装于遮蔽盒中的靶材。该遮蔽盒具有一遮蔽板，该遮蔽板上具有一上下延伸的长槽孔，且该长槽孔的上下两端宽度大于中央部位的宽度。该靶材安装于该遮蔽盒中，靶材显露遮蔽盒外的面积也是呈两端宽度大于中央部位宽度的形状。

又如专利申请号96207094用于真空磁控溅射镀膜机上的圆柱型平面式磁控溅射靶。它由靶管（１）、四条条形永磁体（２）、固定磁体的整体式极靴（３）、旋转机构（４）、冷却水进出水通道（５）、靶帽（６）、屏蔽罩（８）和设置在四条永磁体两端的磁场连接装置（７）构成。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，这种方法主要以以等离子喷涂工艺实施，可通用于金属及非金属材质圆柱靶材制造，制得的圆柱靶材长度尺寸上不受限制，能够直接满足大面积镀膜需求，同时实现靶材制造成本的良好控制。

本发明的发明目的是通过如下技术措施实现的：制备方法包括4个步骤，即喷涂粉体制取、基体准备、结合层喷涂、等离子喷涂成型；具体地包括：

1）喷涂粉体制取：称取一种或多品种纯度不低于重量百分含量99wt%的靶材材料，充分研磨后过筛，经过喷雾造粒制得喷涂粉体；

2）基体准备：准备一衬管，对衬管进行表面处理；

3）结合层喷涂：对2）中表面处理后的衬管通过电弧喷涂方式在衬管表面形成一层结合层； 

4）等离子喷涂成型：将1）中制得的喷涂粉体装入等离子喷涂送粉器，将3）中已形成结合层后的衬管安装在等离子喷涂传动设备上，在喷涂过程中，保持衬管壁与热喷涂枪间相对运动，设定喷涂厚度，制得靶材。

本发明的有益效果是：将单一金属和非金属材料，或多种金属或非金属材料通过热喷涂在衬管上形成具有厚度的单体靶材，工艺适应性强，同时满足多种材质和长度尺寸靶材要求。具有结构简单，性能可靠，可显著提高靶材的利用率，层表面质量好、膜层致密；广泛应用在;建筑与汽车玻璃大面积镀膜、太阳能光伏光热、表面装饰与功能镀膜、平面显示、光学光通讯光存储、磁数据存储和半导体等工业领域。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

制备方法包括4个步骤，即喷涂粉体制取、基体准备、结合层喷涂、等离子喷涂成型；具体地包括：

1）喷涂粉体制取：称取一种或多品种纯度不低于重量百分含量99wt%的靶材材料，充分研磨后过筛，经过喷雾造粒制得喷涂粉体；

2）基体准备：准备一衬管，对衬管进行表面处理；

3）结合层喷涂：对2）中表面处理后的衬管通过电弧喷涂方式在衬管表面形成一层结合层； 

4）等离子喷涂成型：将1）中制得的喷涂粉体装入等离子喷涂送粉器，将3）中已形成结合层后的衬管安装在等离子喷涂传动设备上，在喷涂过程中，保持衬管壁与热喷涂枪间相对运动，设定喷涂厚度，制得靶材。

以上工艺中，靶材料为金属材料、或为金属氧化物材料，或为金属氮化物材料，筛目数为200-250目；具体地说，金属把材料为金属锡、金属锌、金属铝、金属钛中的一种或多种，金属氧化物靶材料为氧化锌、氧化铝、氧化镓、氧化镁、氧化铌、氧化钛、氧化锡或氧化锑中的一种或多种，氮化物靶材料为氮化钛，非金属靶材料为氧化硅或氮化硅；

衬管通常为不锈钢管，或含钛耐高温金属管；

衬管进行表面处理包括去除衬管表面污垢和氧化层，对沉管表面进行粗化处理，通过粗化处理后的衬管表面粗糙度（Ra）在1.5-2.5；粗化处理后的衬管表面具有更大的接触面积，以增加后续涂层与衬管壁面间的接触强度；具体地说，衬管进行表面处理为喷砂；

结合层材质为镍铝合金，厚度为0.1-0.3毫米。结合层也称打底层，结合层目的在于确保热喷涂涂层能通过结合层与衬管壁面牢固粘结；

衬管以自身中轴转动，热喷涂枪沿衬管长度方向单向或往复移动，保持衬管壁与热喷涂枪间隔距离；喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。同时，喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出线喷涂脊背的痕迹。也就是说，每个行程的宽度之间应充分搭叠，在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。

等离子喷涂包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。等离子喷涂设备主要包括：①喷枪：实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个系统的电，气，粉，水等。②电源：用以供给喷枪直流电。通常为全波硅整流装置。③送粉器：用来贮存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置。④热交换器：主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。⑤供气系统：包括工作气和送粉气的供给系统。⑥控制框：用于对水，电、气、粉的调节和控制④喷涂距离和喷涂角。

 

本发明将单一金属和非金属材料，或多种金属或非金属材料通过热喷涂在衬管上形成具有厚度的单体靶材，工艺适应性强，同时满足多种材质和长度尺寸靶材要求。 

实施例1：制备氧化钛圆柱靶材；

将纯度99.9wt%的氧化钛粉末经过5小时机械球磨，再经过250目过筛，最后通过喷雾造粒获得具有良好流动性的热喷涂粉体；准备不锈钢管做衬管，衬管长2244毫米，内径125毫米，外径133毫米，对衬管外壁进行喷砂加工，喷涂区域长2244毫米，去除表面污垢和氧化层后，在衬管表面采用电弧喷涂形成0.2毫米厚镍铝结合层；将衬管固定在等离子喷涂设备上，将氧化钛喷涂粉体装入热喷涂设备送粉器，启动传动装置和热喷涂设备，衬管转速100转/分钟，喷枪移动速度为1米/分钟，喷枪与衬管壁间距200毫米，及时补充粉体直至获得喷涂厚度6毫米涂层氧化钛圆柱靶材。

圆柱靶材氧化钛涂层无缝隙、无气孔，表面经机械加工处理完成。

实施例2：硅铝圆柱靶材：

将纯度4N即含量≥99.99%的硅粉和铝粉，其中硅粉和铝粉重量混合比9:1，经过充分混合，过200目筛，经过喷雾造粒，具有良好流动性喷涂粉体；选取不锈钢衬管，对衬管进行喷砂加工，去除表面污垢和氧化层后再通过电弧喷涂的方法在衬管上形成0.2毫米厚的结合层；衬管内径125毫米，外径133毫米，长度3855毫米，喷涂区域长度3812毫米；将衬管固定在喷涂设备上，启动传动装置，衬管转速100转/分钟，喷枪移动速度为0.8米/分钟，喷枪与衬管距离200毫米，将硅铝喷粉装入等离子热喷涂设备的送粉器，启动热喷涂设备，根据粉体消耗状况及时补充喷粉，至硅铝涂层厚度达到9毫米，且无裂缝和气孔，进一步经表面机械加工处理制成硅铝圆柱靶材。

 

这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。此外，本领域技术人员在阅读了本发明的内容之后，以等同替代或变劣进行对本发明作各种改动或修改，同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征是：制备方法包括4个步骤，即喷涂粉体制取、基体准备、结合层喷涂、等离子喷涂成型；具体地包括：

1）喷涂粉体制取：称取一种或多品种纯度不低于重量百分含量99wt%的靶材材料，充分研磨后过筛，经过喷雾造粒制得喷涂粉体；

2）基体准备：准备一衬管，对衬管进行表面处理；

3）结合层喷涂：对2）中表面处理后的衬管通过电弧喷涂方式在衬管表面形成一层结合层； 

4）等离子喷涂成型：将1）中制得的喷涂粉体装入等离子喷涂送粉器，将3）中已形成结合层后的衬管安装在等离子喷涂传动设备上，在喷涂过程中，保持衬管壁与热喷涂枪间相对运动，设定喷涂厚度，制得靶材。

2.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，靶材料为金属材料、或为金属氧化物材料，或为金属氮化物材料，筛目数为200-250目；具体地说，金属把材料为金属锡、金属锌、金属铝、金属钛中的一种或多种，金属氧化物靶材料为氧化锌、氧化铝、氧化镓、氧化镁、氧化铌、氧化钛、氧化锡或氧化锑中的一种或多种，氮化物靶材料为氮化钛，非金属靶材料为氧化硅或氮化硅。

3.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，衬管通常为不锈钢管，或含钛耐高温金属管。

4.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，衬管进行表面处理包括去除衬管表面污垢和氧化层，对沉管表面进行粗化处理，通过粗化处理后的衬管表面粗糙度（Ra）在1.5-2.5；粗化处理后的衬管表面具有更大的接触面积，以增加后续涂层与衬管壁面间的接触强度；具体地说，衬管进行表面处理为喷砂。

5.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，结合层材质为镍铝合金，厚度为0.1-0.3毫米，结合层也称打底层，结合层目的在于确保热喷涂涂层能通过结合层与衬管壁面牢固粘结。

6.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，衬管以自身中轴转动，热喷涂枪沿衬管长度方向单向或往复移动，保持衬管壁与热喷涂枪间隔距离；喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合，在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好，同时，喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出线喷涂脊背的痕迹。

7.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，将纯度99.9wt%的氧化钛粉末经过5小时机械球磨，再经过250目过筛，最后通过喷雾造粒获得具有良好流动性的热喷涂粉体；准备不锈钢管做衬管，衬管长2244毫米，内径125毫米，外径133毫米，对衬管外壁进行喷砂加工，喷涂区域长2244毫米，去除表面污垢和氧化层后，在衬管表面采用电弧喷涂形成0.2毫米厚镍铝结合层；将衬管固定在等离子喷涂设备上，将氧化钛喷涂粉体装入热喷涂设备送粉器，启动传动装置和热喷涂设备，衬管转速100转/分钟，喷枪移动速度为1米/分钟，喷枪与衬管壁间距200毫米，及时补充粉体直至获得喷涂厚度6毫米涂层氧化钛圆柱靶材。

8.如权利要求1所述的以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，其特征在于，将纯度4N即含量≥99.99%的硅粉和铝粉，其中硅粉和铝粉重量混合比9:1，经过充分混合，过200目筛，经过喷雾造粒，具有良好流动性喷涂粉体；选取不锈钢衬管，对衬管进行喷砂加工，去除表面污垢和氧化层后再通过电弧喷涂的方法在衬管上形成0.2毫米厚的结合层；衬管内径125毫米，外径133毫米，长度3855毫米，喷涂区域长度3812毫米；将衬管固定在喷涂设备上，启动传动装置，衬管转速100转/分钟，喷枪移动速度为0.8米/分钟，喷枪与衬管距离200毫米，将硅铝喷粉装入等离子热喷涂设备的送粉器，启动热喷涂设备，根据粉体消耗状况及时补充喷粉，至硅铝涂层厚度达到9毫米，且无裂缝和气孔，进一步经表面机械加工处理制成硅铝圆柱靶材。