耐久的溅射金属氧化物镀层制造技术

本发明专利技术公开了一种方法和由该方法制得的产品，其中通过在包含惰性气体和一种活性气体但基本上是非活性的气氛中溅射金属阴极靶而沉积金属薄膜，其中活性气体的浓度足够低，使得溅射是在金属方式下完成的，即薄膜是以金属态沉积的。本发明专利技术的金属薄膜比在仅由惰性气体组成的气氛中溅射的金属薄膜硬度要高。本方法及由该方法制得的产品还可包括对该金属薄膜进行热氧化，它比在仅由惰性气体组成的气氛中溅射的金属薄膜的氧化更有效。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术普通涉及溅射薄膜的技术，特别是用磁控溅射制备耐久的金属氧化物薄膜的技术。溅射的金属氧化物薄膜在现有技术中是众所周知的。已知道氧化锡、氧化锌、氧化钛和许多其它的金属氧化物是通过相应的金属在氧化气氛例如空气或氧气和惰性气体(如氩气)的混合气体中溅射而沉积的。还知道金属薄膜可以通过在惰性气体(如氩气)中溅射金属来沉积。而且金属薄膜接着通过在一种氧化气氛(如空气)中被加热而热氧化。许多金属可以沉积为金属薄膜或金属氧化物薄膜，这取决于金属阴极靶是在惰性气氛还是在氧化气氛中溅射的。通常，在惰性气氛中溅射(即以金属方式)要快并且效率更高。得到的镀层是具有金属性质的金属薄膜，即通常有低的透射率、高的反射率和电导性。这样的薄膜通常不是很硬也不耐久，在使用时容易损坏。而介电的金属氧化物薄膜通常具有高的透射率、低的反射率和电绝缘性。然而，因为它们是绝缘的，它们通过溅射而沉积的效率并不高。通过溅射制备很厚的金属氧化物薄膜效率不高，费用大并且不能获得耐久的薄膜。通过在惰性气氛中高效溅射获得的金属薄膜的热氧化来制备很厚的金属氧化物薄膜，其速率本身就受到限制，因为氧不容易透过最初形成的金属氧化物表层。本专利技术涉及一种在足够惰性的气氛下溅射金属靶的方法，使得溅射是以金属方式进行的并且沉积的薄膜基本上是金属状态。然而，在气体中还加入了足够的活性气体使得金属薄膜呈非晶态而不是晶态。非晶态的溅射金属薄膜比在只由惰性气体组成的气体中溅射的金属薄膜硬度高并且耐久性好。非晶态的溅射金属薄膜比在只由惰性气体组成的气体中沉积的金属薄膜可以更有效地进行热氧化，结果获得一种晶态的金属氧化物薄膜，这样的晶态金属氧化物薄膜比在氧化气氛中溅射金属沉积的非晶态金属氧化物薄膜具有更高的化学稳定性。附图说明图1图示了使用AIRCO ILS-1600实验室规格的镀膜机以金属方式溅射钛时允许的惰性气体中氧的最大百分含量和以千瓦(Kw)表示的功率的函数关系。图2图示了使用AIRCO ILS-1600实验室规格的镀膜机以金属方式溅射锆时允许的惰性气体中氧的最大百分含量和功率(以Kw表示)的函数关系。图3图示了使用AIRCO ILS-1600实验室规格的镀膜机分别在功率为1Kw、2Kw、3Kw和4Kw下溅射钛时电压与惰性气体中氧的百分含量的函数关系。每条曲线上的峰值是导致溅射方式从金属状态到氧化物状态转变的转变点的氧的含量。金属如钛、锆、钽、铪、铌、钒和它们的混合物，最好是钛和锆，根据本专利技术通过在基本上包含惰性气体的但也含少量活性气体，例如氧气和/或氮气，最好是氧气的非活性气氛中溅射金属，可以以基本上非晶的金属状态沉积，其中氧气的含量足够影响金属的沉积使其形成的基本上非晶态而不是晶态，但不够使溅射从金属方式转变为氧化物方式。为达到本专利技术目的的惰性气氛中氧的合适的含量与阴极工作参数有关，特别是功率和靶的尺寸。图1和图2分别表示了在AIRCO ILS-1600实验室规格镀膜机上用钛靶和锆靶在不同功率下于氩气氛中溅射时允许的最大氧气含量。当氧气浓度较高时，溅射方式会发生从金属到氧化物的转变。结果会产生非晶的金属氧化物的缓慢沉积。因此，氧气浓度保持足够低以避免沉积金属氧化物。然而，已经发现在低于转变点的情况下，氧气浓度越高，以金属溅射方式沉积的非晶态金属薄膜的硬度越高。图3表示了使用AIRCO ILS-1600实验室规格镀膜机在功率从1Kw到4Kw时沉积钛薄膜时电压与氧气浓度的函数关系。每条曲线的电压峰值表示溅射方式从金属到氧化物的转变点，并表示使用这种镀膜装置在特定的功率下的最大氧气浓度。最好是在峰值附近工作，即为了获得最大金属硬度，在相对较高的氧气浓度下工作，但又不致于使溅射方式发生从金属溅射方式到氧化物溅射方式的转变。在含氧但基本上是非活性的气氛中溅射的非晶态金属薄膜的透射率比在纯氩气中溅射的金属薄膜的透射率稍高一些;并且溅射速率大致相同。然而，在含氧但基本上是非活性气氛中溅射的非晶态金属镀膜比在纯氩气中溅射的晶态金属薄膜明显硬度高而且密度小。这样的金属薄膜的相对硬度是通过在薄膜经研磨后用目测检验并在薄膜损坏的基础上分级而确定的。一种评价金属薄膜的硬度的方法包括用一块研磨垫(abrasive pad)(Scotch-BriteR98 Light Duty Cleaning Pad from 3M)反复研磨金属薄膜，然后在一块光板上目测检验并把薄膜损坏程度按1到9分级，1代表不明显的损坏而9表示金属薄膜基本上清除了。在包含惰性气体和10%氧气的基本上非活性的气氛中溅射的非晶态金属钛薄膜的密度是4.0克/立方厘米(g/cm3)，与之相比在纯氩气中溅射金属钛薄膜的密度为4.5g/cm3。非晶态金属钛薄膜的较低的密度加快了它的氧化速率，所以非晶态金属钛薄膜与晶态金属钛薄膜相比可以在较低温度和/或在较短时间内完全氧化。本专利技术所制备的硬的、致密的非晶态金属镀层，最好是在100-1500埃的厚度范围内，对钛来说更好是在200-1000埃的厚度范围内，具有足够的耐久性以经受装卸、运输和加工过程，例如热增强、回火和弯曲。最好是进一步通过热氧化处理本专利技术的非晶态金属薄膜使金属氧化成金属氧化物。本专利技术的硬的非晶态金属薄膜通过加热可以热氧化为金属氧化物从而制得一种无霾的(haze-free)、致密的、基本上是晶态的金属氧化物镀层，这层镀层具有足够的化学和物理耐久性可以用来作为玻璃基片外露表面的涂层。非晶态金属薄膜最好在空气中加热到至少400℃的温度，更好是在500-700℃，以便能在合理时间内(例如几分钟)完全氧化。本专利技术通过加热一种非晶态溅射金属膜来制备厚的金属氧化物薄膜的方法与活性溅射同样的薄膜相比是一种生产晶态金属氧化物薄膜的更有效的方法。此外，热氧化的晶态金属氧化物薄膜比活性溅射的基本上是非晶态的金属氧化物薄膜具有更好的化学耐久性。这样的晶态热氧化金属氧化物薄膜可以在很大范围制成不同厚度以获得由干涉作用引起的很大范围内所要求的反射颜色。二氧化钛镀层的密度是通过测得的镀层厚度和完全氧化的二氧化钛中钛的重量百分含量来确定的。厚度是用一台Tencor P-1 Long scan Profiler来测量的，钛的重量百分含量是用X射线荧光分析来测定的。热氧化的晶态钛镀层的密度比活性溅射的非晶态二氧化钛镀层密度要大;热氧化的晶态二氧化钛镀层的密度为4.0克/立方厘米(g/cm3)而非晶态的溅射二氧化钛的密度为3.4g/cm3。热氧化的晶态二氧化钛镀层的密度接近金红石相的二氧化钛(TiO2)的体积密度4.26g/cm3。一种活性溅射的非晶态的二氧化钛薄膜的折射率为2.3(600nm)，而由在包含氩气和10%氧气的基本上是非活性气氛中溅射的非晶态金属钛薄膜热氧化而形成的晶态二氧化钛薄膜的折射率为2.5(600nm)，接近大块晶体二氧化钛(TiO2)的金红石相的折射率。在本专利技术的一个最佳实施方案中，镀膜是在大规格的磁控溅射装置中形成的，这种装置可以对2.54×3.66m的玻璃块进行镀膜。使用商业化生产规模的镀膜机，与小规格的镀膜机相比，允许的活性气体的含量可以很高而不会引起偏离金属溅射方式的转变，特别是如果多个阴极在一个室内同时以高的功率密度溅射的情况。在下面的实施例中，镀层是小规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过阴极溅射制备硬的金属薄膜的方法包括下面的步骤： ａ. 把基板置于一个含惰性气体和活性气体的混合气的真空室里； ｂ. 溅射金属阴极靶，其中活性气体的浓度足够低使得金属是以金属方式溅射并沉积一层金属薄膜。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JJ芬利，M阿巴博，
申请(专利权)人：PPG工业俄亥俄公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]