靶材搭配与颜色

1.  常见靶材与对应颜色

2.  PVD成色基理

3.  PVD颜色稳定性

一、常见靶材与对应颜色

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  工艺参数对膜层颜色的影响(以TiN为例)

从图中可知:  

不同的镀膜机, 充入等量的

反应气体,  色差值差异较大; 反

应气体的流量变化对颜色的影

响也不相同. 

设备的硬件配置可以使得工

艺参数的调整变得简单化(此点

仅针对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/黑色系列膜层的色差数据

1.2.2  合金系列靶材的问题点

Ti-Al合金系列靶材通常是被用于功能性膜层, 当作为装饰性时, 存在以下几点问题: 1. 膜层本身具有高的内应力, 因此对于三维曲面工件膜层      附着力较差. 2. 靶材中Ti, Al元素的比例调节, 在靶材制作中较难实现, 这一点有望在圆柱靶的设备上, 通过在真空腔内装置Ti, Al两种靶材, 调节溅射功率比例来实现, 同时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 金属氧化物的色差范围

1.3.2  金属氧化物颜色控制

由上图说明: 党氧气流量中等或较高时, 氧化物膜层的颜色相对变化不敏感. 当然, 党氧气流量较小时, 膜层颜色变化较大, 而且可以看出, 膜层的颜色主要取决于其厚度,  即干涉效应. 

1.3.3  金属氧化物颜色均匀性控制

由于金属氧化物膜层颜色主要是由膜层厚度决定的因此对于三维曲面工件, 均匀性的问题很难克服. 

有研究表明, 对于紫色和蓝色系列, 膜层厚度小于100nm, 可实现好的均匀性.

2.   由于镀膜过程工件与靶材的位置关系,  工件装夹系统对于膜厚和均匀性就有很大的影响.  除了使用多叠层的旋转转架外,  调节工件各面对靶的视角也可以改善均匀性.

1.4 中间色

玫瑰色

       Ti        TiCN

       Zr        ZrCN

       CrAl    CrAlN

       紫色

       Ti, Cr, Zr, SUS的氧化物

1.4.1 膜层颜色控制(以玫瑰色为例)

目标颜色: 

 L: 50~53   a:  11~13  b: 5~8

从上图可知: 

在镀膜过程中, 反应气体(N2, C2H2)流量不断变化.

2.   两种反应气体的比例搭配对最终形成的颜色有影响. 

1.5   稀有元素的硼化物及其颜色

TiB2

ZrB2        银灰色

ZrB12      银灰色

ZrBN        银灰色

LaB6        深紫罗兰  (块状靶材为红色)

CeB6       蓝色

SmB6      蓝色

YB6         银灰色

1.5.1  稀有金属硼化物的色差数值

1.5.2  硼化物靶材的优点

1.  工艺参数容易控制

      从左图中可知,  这些化合物

的靶材无须充入任何的反应气体,

可变工艺参数较少, 过程易控制.

2.  颜色稳定

      左图中显示,  随着氩气流量的

变化, 膜层的颜色却变化很小.  

1.5.3  稀有元素硼化物的问题点 

1.   工艺成熟性

       至今为止, 尚无硼化物应用于装饰性镀膜的实际生产中. 因此,  工艺的稳定性和重复性无证可查. 

2.   生产成本

      无论是这些化合物的整体靶材,  还是稀有元素的靶材加反应气体(硼烷),  制造上具有较高难度,  自然成本是较高的. 

3.   基于以上两点,  故其实用性尚待进一步确认.

1.6  稀有元素碳化物及其颜色

BeC     红色

MnC    黑色

NbC     浅茶色

TaC     全褐色

LaN     黑色

HfN     黄褐色

WN      褐色

MnN    黑色

小结

以上介绍了诸多的靶材及其化合物. 其实, 对于实际生产,  应用最广的仍主要以Ti,  Cr,  Ni等廉价且制造工艺成熟的靶材,  然后通入氮气, 乙炔(甲烷)来形成一些颜色.  因此,  对于靶材颜色开发,  工艺调节是最便捷之路.

PVD成色基理

由晶界相互作用, 或者是自由电子与光子的相互作用形成的膜层的颜色,  强烈依赖与膜层的化学成分和晶粒结构. 有研究表明: 由于PVD的低温沉积过程, 形成的

膜层微观结构高度无序, 晶粒为纳米级, 形成一些微观缺陷如: 孔穴,  间隙原子, 和杂质导致其电子学性能, 相应的光学性能与块体材料存在差异. 

2.3  PVD膜层颜色稳定性(以ZrN为例)

从上图可知, 随着镀膜产品在空气中暴露的时间越长, 膜层被氧化的程度越严重, 尤其对于膜层中金属元素的比例较小的.