计算机在玻璃镀膜技术中的应用

李会平 林祎恺

（1. 华东理工大学无机材料系 上海 200237；2. 中石化上海有限公司配管工程室 上海 200120）

0 引言

随着现代技术的发展和人们生活水平的日益提高，对玻璃生产制品性能的要求越来越高。玻璃镀膜正是在这种形式下应运而生的。

玻璃镀膜是指在玻璃表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物。这种处理改观了玻璃的外观，生成许多新的功能（光、热、电等），赋予玻璃全新的意义［1］。在建筑、汽车、太阳能利用、电子显示产品等行业将有越来越广泛应用。近些年来，我国在镀膜工艺方面已开展了不少工作，但在镀膜膜层理论设计、镀膜工艺精确控制和镀膜过程的计算机模拟以及装备的先进制造方面水平还参差不齐，与国外相比还存在一定差距。本文在介绍玻璃镀膜一般工艺原理和方法的基础上，就上述问题进行了简要综述，期望对国内玻璃镀膜行业的良好发展有一定促进作用。

1 玻璃镀膜种类与工艺

材料表面性质是影响材料性能的一个重要方面。通过改变材料表面性质，往往能达到预想不到的效果。材料表面改性主要有两种方法：一种是减工艺，即通过蚀刻、打磨、切削等工艺去除表面不良层，达到改善表面性能的目的；另一种是增工艺，即通过沉积等工艺在原材料上增加一层新的材料，赋予材料新的功能。玻璃镀膜即是后一种，属增工艺。

1.1 镀膜种类

玻璃镀膜的方法很多。主要有4种［2］：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（ Chemical Vapor Deposition, CVD）、溶胶-凝胶法（Sol-Gel工艺）、喷涂工艺（如热喷涂）等。本文主要介绍真空条件下的物理喷镀方法。

依据喷镀形式的不同，物理喷镀（PVD）又分成两大类：一是真空蒸镀法，二是溅射法。真空蒸镀法主要是依靠热源加热喷镀材料，使其在真空条件下蒸发。蒸发产生的原子沉积在基板上形成薄膜。这类喷镀法主要有：电阻法、电子束法、激光束法等。溅射法是利用电磁场原理，使溅射气体发生电离，产生辉光放电而形成等离子体。带电的离子在穿过电场时获得高的能量，轰击靶材，溅射出沉积物，并在基板上沉积形成薄膜。

溅射法最早是由英国的格罗夫和德国的普律克尔在研究辉光放电时发现并用于沉积镀膜的［1］。经过百余年发展，现已成为物理气相沉积的主要方法。在百余年的发展过程中，溅射沉积法在溅射原理、溅射用气体、溅射靶材及形式等方面经历了一系列变化。从早期的直流二极溅射、射频溅射、平板磁控溅射，发展到现在孪生圆柱旋转靶磁控溅射法，反应磁控溅射法等，大大提高了靶材利用率、沉积膜层的均匀性和溅射效率。

1.2 镀膜要求

镀膜是一种物质在另一种物质上沉积的过程。为保证膜层与基质的紧密结合，对基质材料表面有一定要求：

①必须适合于基质材料；

②镀膜设备必须与镀膜工艺相匹配；

③镀膜材料必须与选择的工艺相匹配，适于规模化生产；

④环保；

⑤经济可行。

1.3 镀膜原理

阴极溅射镀膜是一种古老的真空镀膜方法。随时间的推移，在不断的发展中，至1955年该工艺已日趋成熟。20世纪80年代进入工业化生产领域。磁控溅射原理如图1所示。

磁控溅射是在真空室中进行的。在阴极上接上负电压（-800～-500 V），在阳极上接上正电压，一般约100 V。并向真空室中充入工作惰性气体。当真空室的负电压达到溅射工作压力（10-4～ 10-5Pa）时，在阴极前面产生辉光放电，辉光放电使惰性气体发生电离，产生带电离子和电子，形成等离子区。带电离子在电场的作用下飞向阴极。在高速动能的作用下轰击靶材，靶材中中性原子或粒子脱离靶材，在电场的牵引下沉积在玻璃表面形成膜层，并释放一定的能量。

辉光放电是磁控溅射的核心。其放电机制可用图2的等效电路表示［3，4］。在阴极和阳极间保持一定的电动势（UB），通过改变外电路的电阻（RL），可以观察到汤生放电、辉光放电、弧光放电等［3］各种放电现象（图3）。

正常辉光放电和异常辉光放电是一般溅射镀膜或其它薄膜制备方法经常采用的放电形式，可提供较大面积和较为均匀的等离子体区域，为大面积均匀溅射和薄膜沉积创造了良好的先决条件。

1.4 镀膜工艺流程

玻璃镀膜一般包括以下几个阶段：①玻璃基片检查；②上片；③玻璃清洗与干燥；④抽真空；⑤缓冲过渡；⑥溅射镀膜；⑦缓冲处理；⑧出口 抽 真 空 ； ⑨ 下 片 ； ⑩ 质 量 检 验 ； ○11 包装出厂等。

2 计算机技术在玻璃镀膜上的应用

2.1 计算机在膜层设计方面的应用

薄膜性能是由构成薄膜的各薄膜层的性质和膜层之间相互作用决定的。膜层设计一直是薄膜研究的一个重要方面。膜层设计涉及的计算公式很多，计算繁琐。

1987年，毛文凡［5］以MgF2- ZrO2- Al2O3系统为基础，将该三层增透膜看作一个F-P滤光器，经过规整和等效，在CROMEMCO计算机上进行了三层增透膜的设计和计算。获得良好效果，是国内较早开展薄膜计算机辅助设计的工作之一。

2001年，林东［6］从光学薄膜的性质计算入手，总结了光学薄膜计算优化的计算方法，在单纯型法（simplex）的基础上，开发、集成了一套用于光学薄膜性能优化的软件。

2003年，喻华［7］采用切比雪夫多项式理论对波长为13.4 nm 和11.2 nm软x射线多层膜进行了设计与计算机分析，克服了反射镜传统设计中干涉矩阵计算误差大的问题，取得良好结果，对同类问题的分析有一定借鉴价值。

2008年，宋文斌［8］对光学镀膜层问题也进行过研究。

2010年，于岩［9］用单纯型法和遗传算法对3～5 μm和8～15 μm的红外增透膜进行了优化设计，得出结果：从全域角度，遗传算法占优；而在局域问题上，单纯型算法优势明显。

金扬利等［10］总结了光学薄膜设计的各种数值分析方法，指出了各种方法在光学薄膜设计中的利弊：有些方法，如单纯型法，具有结构简单，计算机上容易实现的优点，但主要适用于局域优化设计；有些计算复杂，如遗传算法，但在全局优化方面具有优势。不同膜层结构、不同膜系，其性能要求不同，应根据问题的具体需求，选用合适的方法。

余刚等［11］利用在线光谱数据，在Low-E镀膜玻璃宽度方向测量收集了24个位置的380～780 nm波长范围的数据，采用柯西光学模型，利用各点平均光谱，用遗传算法分析获得了膜层折射率及平均厚度，针对性地建立了膜层材料在特定厚度范围内的颜色与厚度关系，开辟了玻璃镀膜由理论设计到实践实施的良好尝试。

随着计算机的发展和计算技术的日益完善，采用计算机进行薄膜设计和实践实施将是大势所趋。

2.2 计算机在玻璃镀膜生产与工艺控制方面的应用

生产是良好设计得以实现的重要环节。生产过程控制和调节为镀膜玻璃制备提供了重要保障。随着生产技术的发展，对镀膜设备的要求越来越高。计算机技术在这方面的作用越来越明显。

文献［11］针对大面积玻璃镀膜厚度均匀性的要求，通过采集在线膜面反射光谱数据，用柯西模型，采用遗传算法对离线Low-E镀膜玻璃进行了分析，为提高镀膜玻璃质量提供了保障。

聂延森［12］在吸收欧洲同类生产线先进技术的基础上，结合真空溅射镀膜生产情况，开发了DJW（L）系列卧式（立式）磁控溅射镀膜生产线监控系统。该系统采用 DC 电源或中频电源控制平面靶、圆柱旋转靶或中频孪生靶溅射成膜技术。采用上位机和下位机监控模式，具有良好的人机界面功能，使用操作方便，获得用户好评，在各种建筑玻璃、ITO透明导电玻璃、家电玻璃、高反射后视镜等行业得到广泛应用。

曹帅等［13］针对磁控溅射的特点，分析了磁控溅射的各个重要工艺过程，应用模块化思路，优化设计了以西门子S7-400 PLC 为核心和 WinCC 7.0 为上位监控软件的玻璃镀膜控制系统。克服了上位机监控系统控制难点，完整显示了生产线上所有设备的运行方式、流程作业情况及工艺参数当前值等信息，实现了对整个生产的良好控制。

丁永兴［14］针对天津南玻的生产情况，将以太网与现场总线结合，集PLC 技术、网络技术和计算机监控技术为一体，系统上层采用以太网，底层采用现场总线 Profibus-DP，以西门子公司的高档型 S7-400 PLC为控制器，运用 STEP7 V5.3、WinCC V6.0等软件技术, 实现了对玻璃镀膜的监测、控制和管理。该项工作为大型自动控制系统的集成提供了一个良好的案例。图4为天津南玻控制系统以太网网络拓扑结构示意图。

2.3 镀膜过程与计算机模拟

2.3.1 镀膜技术

镀膜是在一定时间和空间中进行的。镀膜过程主要包括：①镀膜工艺过程；②薄膜在基板的成核生长和膜的集成。

镀膜工艺过程主要是指在电磁场的作用下产生辉光放电，形成等离子体，等离子体中的荷电离子通过电磁场作用轰击靶材，从靶材上轰击出来的粒子（离子）再在电磁场的作用下飞向基板并在基板上沉积成膜（即溅射成形）。

溅射过程是一个复杂的过程，涉及许多工艺过程参数。影响溅射过程的参数主要有：靶材的形状，安装方式，溅射用气体的种类与流量（压力），电磁体的布置或安放形式，溅射功率等。

侯晓波等［15］介绍了利用双靶技术防止溅射阳极打弧的方法。双靶法摒弃了固定阳极的概念，利用两个靶材同时进行溅射,在悬浮交流电位的激励下，两个靶交替互为阴阳极。当其中一个靶处于负半周时，它被 Ar+离子溅射，作为阴极；另一块靶处于正电位，充当阳极。在下半个周期，两者的角色互换。每个负半周靶面被溅射，同时也是对可能的靶面介质层的清理过程；而每个正半周，靶面积累的正电荷被中和。因此，双靶法不但保证了任何时刻系统都有一个有效的阳极，而且还能防止弧光放电现象的发生。

王德山［16］针对复杂工件镀膜过程中存在靶材消耗不均匀而产生凹状侵蚀环、薄膜厚度不均匀致密等诸多问题，实验采用旋转式柱状磁控溅射靶，在镀膜机的不同位置安装多个靶材，不同靶能够自由旋转来实现定向镀膜需要；采用多个磁控溅射靶和设置辅助磁场对非平衡磁控溅射阴极靶的结构改进，提高真空镀膜室等离子体密度，进而提高溅射工件偏流实现沉积镀膜等系列创新研究，实现了在非同一平面内的，具有复杂外形和内腔结构的工件表面镀上厚度均匀一致的膜。

陈海峰等［17］依据溅射原理，阐述了靶材刻蚀机理，针对传统磁控溅射系统中靶材利用率低、刻蚀形貌不均匀等现状，从改善靶面磁场分布和模拟靶材刻蚀形貌两方面对国内外最新的研究进展进行总结与分析。

快速、均匀沉积是溅射镀膜发展的一个方向。S J Nadel等［18］根据生产经验总结了靶材料、功率技术、磁控管几何形状、气体动力学和控制方法等对镀膜生产效率的影响。为改进镀膜技术提供了宝贵经验。

Samuel D Ekpe等［19］建立了一个三维溅射沉积速率模型。该模型综合了快、慢运动粒子的贡献，也考虑了气体加热效应的影响。计算结果表明：沉积形貌主要与靶材蚀刻情况有关；溅射功率、靶材和气体压力的作用不明显。膜的均匀性与蚀刻路径和基质与靶材的相对位置有关。

2.3.2 工艺与沉积过程模拟

田立坚等［20］采用有限元方法对由永磁体、铁磁材料和不锈钢板组成磁控阴极溅射靶三维磁场进行了计算和分析。通过对装置中永磁体、屏蔽和上辘铁等参数多种方案的计算和调整，保证了靶中不锈钢板表面的磁场均匀分布，得到了一种实用方案，使得该装置性能得到明显改善。

孙庆强等［21］基于泛函密度理论计算了Mo的（001）面和（110）面的总能量。Sc在Mo（001）面上吸附不同Sc/Mo原子比例的Sc的吸附能，以及Mo和Sc的内聚能量，并将计算结果进行了计算机拟合；在此基础上，采用分子动力学方法模拟了钪（Sc）在金属钼（Mo）衬底上的生长机制。结果表明，Sc薄膜在金属Mo的（001）面上较为适合生长，且具有（002）晶面择优取向。

李阳平等［22］采用射频磁控溅射法制备了GaP。用Monte-Carlo 法对沉积过程进行了计算机模拟，研究了溅射功率、气体压力等参数对 GaP 薄膜性质的影响。模拟结果表明，功率较小、气压较大时， Ga和P的溅射率、输运效率及沉积到衬底时的能量均较小， Ga的溅射率及输运效率均大于P的溅射率， 使得薄膜沉积速率较低，薄膜中Ga的含量大于P的含量，GaP薄膜产生较大吸收。当溅射功率较大、气压较小时， Ga和P的溅射率、输运效率及沉积到衬底时的能量均增大，Ga的溅射率大于P的溅射率、但其输运效率小于P的溅射率，使GaP薄膜的沉积速率增大、薄膜中Ga与P的含量接近化学计量比，GaP薄膜的吸收降低， 因此有利于制备厚度较大的 GaP薄膜。

3 结语

玻璃镀膜问题主要有2个：一是镀膜过程与装备；二是膜层在基板上的沉积生长。镀膜装备可以依赖经验设计、控制和生产，但随着生产要求的提高，采用计算机模拟镀膜装备中的电磁作用机制及工艺过程，对装备进行优化设计与控制势在必行。膜在基质上的沉积过程的理解对了解薄膜性能的形成、提高膜的质量和生产效益将发挥着越来越重要的作用，计算机模拟在这方面将会发挥越来越重的作用。