靶材搭配與顏色

2023-03-10

1. 常見靶材與對應(yīng)顏色

2. PVD成色基理

3. PVD顏色穩(wěn)定性

一、常見靶材與對應(yīng)顏色

1.1 Golden Color Series

Ti 系列

Ti TiN

Ti+Au TiN+Au

Ti+Zr TiZrN

其他

Zr ZrN

Zr+Au ZrN+Au

Hf HfN

1.1.1 工藝參數(shù)對膜層顏色的影響(以TiN為例)

從圖中可知:

不同的鍍膜機(jī), 充入等量的

反應(yīng)氣體, 色差值差異較大; 反

應(yīng)氣體的流量變化對顏色的影

響也不相同.

設(shè)備的硬件配置可以使得工

藝參數(shù)的調(diào)整變得簡單化(此點(diǎn)

僅針對TiN膜系).

1.2 Black Color Series

Ti系列

Ti TiCN

Ti(C, O)

TiAl TiAlN

Ti50Al50 黑色

Ti30Al70 深黑

TiAl(C, O, N)

其他

Si SixNy

CrAl CrAlC

SUS SUSC

DLC

Nb NbOx

1.2.1 灰色/黑色系列膜層的色差數(shù)據(jù)

1.2.2 合金系列靶材的問題點(diǎn)

Ti-Al合金系列靶材通常是被用于功能性膜層, 當(dāng)作為裝飾性時(shí), 存在以下幾點(diǎn)問題: 1. 膜層本身具有高的內(nèi)應(yīng)力, 因此對于三維曲面工件膜層附著力較差. 2. 靶材中Ti, Al元素的比例調(diào)節(jié), 在靶材制作中較難實(shí)現(xiàn), 這一點(diǎn)有望在圓柱靶的設(shè)備上, 通過在真空腔內(nèi)裝置Ti, Al兩種靶材, 調(diào)節(jié)濺射功率比例來實(shí)現(xiàn), 同時(shí)大大降低了靶材成本.

1.3 Blue Color Series

干涉色(Interference Color)

Ti, Cr, Zr, Al, In,

其他

TiAl TiAlN

SUS SUSN

1.3.1 金屬氧化物的色差范圍

1.3.2 金屬氧化物顏色控制

由上圖說明: 黨氧氣流量中等或較高時(shí), 氧化物膜層的顏色相對變化不敏感. 當(dāng)然, 黨氧氣流量較小時(shí), 膜層顏色變化較大, 而且可以看出, 膜層的顏色主要取決于其厚度, 即干涉效應(yīng).

1.3.3 金屬氧化物顏色均勻性控制

由于金屬氧化物膜層顏色主要是由膜層厚度決定的因此對于三維曲面工件, 均勻性的問題很難克服.

有研究表明, 對于紫色和藍(lán)色系列, 膜層厚度小于100nm, 可實(shí)現(xiàn)好的均勻性.

2. 由于鍍膜過程工件與靶材的位置關(guān)系, 工件裝夾系統(tǒng)對于膜厚和均勻性就有很大的影響. 除了使用多疊層的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)架外, 調(diào)節(jié)工件各面對靶的視角也可以改善均勻性.

1.4 中間色

玫瑰色

Ti TiCN

Zr ZrCN

CrAl CrAlN

紫色

Ti, Cr, Zr, SUS的氧化物

1.4.1 膜層顏色控制(以玫瑰色為例)

目標(biāo)顏色:

L: 50~53 a: 11~13 b: 5~8

從上圖可知:

在鍍膜過程中, 反應(yīng)氣體(N2, C2H2)流量不斷變化.

2. 兩種反應(yīng)氣體的比例搭配對最終形成的顏色有影響.

1.5 稀有元素的硼化物及其顏色

TiB2

ZrB2 銀灰色

ZrB12 銀灰色

ZrBN 銀灰色

LaB6 深紫羅蘭 (塊狀靶材為紅色)

CeB6 藍(lán)色

SmB6 藍(lán)色

YB6 銀灰色

1.5.1 稀有金屬硼化物的色差數(shù)值

1.5.2 硼化物靶材的優(yōu)點(diǎn)

1. 工藝參數(shù)容易控制

從左圖中可知, 這些化合物

的靶材無須充入任何的反應(yīng)氣體,

可變工藝參數(shù)較少, 過程易控制.

2. 顏色穩(wěn)定

左圖中顯示, 隨著氬氣流量的

變化, 膜層的顏色卻變化很小.

1.5.3 稀有元素硼化物的問題點(diǎn)

1. 工藝成熟性

至今為止, 尚無硼化物應(yīng)用于裝飾性鍍膜的實(shí)際生產(chǎn)中. 因此, 工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性無證可查.

2. 生產(chǎn)成本

無論是這些化合物的整體靶材, 還是稀有元素的靶材加反應(yīng)氣體(硼烷), 制造上具有較高難度, 自然成本是較高的.

3. 基于以上兩點(diǎn), 故其實(shí)用性尚待進(jìn)一步確認(rèn).

1.6 稀有元素碳化物及其顏色

BeC 紅色

MnC 黑色

NbC 淺茶色

TaC 全褐色

LaN 黑色

HfN 黃褐色

WN 褐色

MnN 黑色

小結(jié)

以上介紹了諸多的靶材及其化合物. 其實(shí), 對于實(shí)際生產(chǎn), 應(yīng)用最廣的仍主要以Ti, Cr, Ni等廉價(jià)且制造工藝成熟的靶材, 然后通入氮?dú)? 乙炔(甲烷)來形成一些顏色. 因此, 對于靶材顏色開發(fā), 工藝調(diào)節(jié)是最便捷之路.

PVD成色基理

由晶界相互作用, 或者是自由電子與光子的相互作用形成的膜層的顏色, 強(qiáng)烈依賴與膜層的化學(xué)成分和晶粒結(jié)構(gòu). 有研究表明: 由于PVD的低溫沉積過程, 形成的

膜層微觀結(jié)構(gòu)高度無序, 晶粒為納米級, 形成一些微觀缺陷如: 孔穴, 間隙原子, 和雜質(zhì)導(dǎo)致其電子學(xué)性能, 相應(yīng)的光學(xué)性能與塊體材料存在差異.

2.3 PVD膜層顏色穩(wěn)定性(以ZrN為例)