玻璃鍍膜技術

　　1. 前言

　　玻璃的突出性能使它在建筑材料方面的應用獨樹一幟，玻璃的批量生產、制成簡單和低成本是可以實現的，玻璃有非常強的環境穩定性和抗劃傷性，可見光高透過率使之能真實 地反映外界環境。所有這些性能使玻璃在建筑和交通方面用量很大，并且，玻璃是現代重要的信息和通訊材料之一，TV屏幕和數據顯示市場的迅速增長要求在玻璃表面鍍制各種膜層。玻璃在許多方面的應用并不完美，尤其是建筑方面。一方面，玻璃遠紅外(室內輻射)的低反射導致寒冷地區室內熱量的不必要損失，另一方面，近紅外的高透過增加了炎熱地區的室內熱量。

　　在可見光部分，玻璃的反射率是8.4%(單面4.2%)，這種反射在某些地方令人惱火，如：在許多地方不可少的光學棱鏡系統。

　　玻璃經過精心的膜層設計，可以克服這些缺點，自70年代末以來，玻璃基體上大面積光學薄膜真空沉積技術穩步增長，現在，世界范圍內每年真空系統生產的用在建筑和汽車方面的玻璃的產量達1.2億平方米，是1992年的兩倍，主要應用是Low-E和光控薄膜。自80年代末，鍍膜玻璃市場得到新的迅速增長：平板顯示器工業。高性能的透明導電ITO膜層是液晶顯示器制造的基礎。新的挑戰和機遇顯露出來，如：用于太陽能電池的鍍鉻薄膜。這些應用需要在大面積基片(最大達3.2m×6m)表面上快速、穩定、均勻地沉積金屬氧化物和金屬氧化物/金屬鎳層。

　　由于磁控濺射徑向高的等離子密度和等離子分布一致性，使工業生產比較經濟，且有良好的均勻性，因而磁控濺射成了大面積鍍膜的主導技術。然而它在絕緣材料沉積方面存在一些嚴重缺陷，在過去十年，反應磁控濺射，如：SiO2、Si3N4和TiO2的沉積，經歷了長期穩定的發展，中頻反應孿生靶濺射(TwinMag)可以沉積優良的膜層。

　　2.1液晶顯示器(LCD)用ITO膜

　　制造LCD的重要、關鍵的過程之一是沉積ITO作為透明導電電極。 ITO沉積的關鍵因素如下： (1) 低電阻率(<150μΩ/cm)

　　(2) 高的縱向均勻性(Δd/d<±5%，d：厚度) (3) 低污染 (4) 低制造成本

　　高密度ITO靶濺射沉積是比較優秀的沉積技術，為了得到最低的電阻率，玻璃基片要加熱到3800C，并且，通過降低陰極放電電壓，可以最低限度地減少負電荷的轟擊缺陷，從而提高電導率。使用強的永久磁體，可以實現放電電壓-240V，電導率120μΩ。 然而，彩色濾光片基片的沉積溫度是2000C以上，這對濾光材料的熱敏感性而言是不現實的。為了得到低的面電阻，必須進一步降低放電電壓。此外，必須提高ITO靶材的利用率以降低生產成本。(標準磁控的靶材利用率為22-25%)。上述兩個要求促使電源DC+RF驅動的MoveMag陰極的發展。

　　2.1液晶顯示器(LCD)用ITO膜

　　制造LCD的重要、關鍵的過程之一是沉積ITO作為透明導電電極。 ITO沉積的關鍵因素如下： (1) 低電阻率(<150μΩ/cm)

　　(2) 高的縱向均勻性(Δd/d<±5%，d：厚度) (3) 低污染 (4) 低制造成本

　　高密度ITO靶濺射沉積是比較優秀的沉積技術，為了得到最低的電阻率，玻璃基片要加熱到3800C，并且，通過降低陰極放電電壓，可以最低限度地減少負電荷的轟擊缺陷，從而提高電導率。使用強的永久磁體，可以實現放電電壓-240V，電導率120μΩ。 然而，彩色濾光片基片的沉積溫度是2000C以上，這對濾光材料的熱敏感性而言是不現實的。為了得到低的面電阻，必須進一步降低放電電壓。此外，必須提高ITO靶材的利用率以降低生產成本。(標準磁控的靶材利用率為22-25%)。上述兩個要求促使電源DC+RF驅動的MoveMag陰極的發展。

　　為了維持使用過程中ITO性能的穩定，在ITO層和玻璃基體之間沉積SiO2阻擋層。通常用RF濺射或TwinMag沉積SiO2。

　　圖2給出了LCD用SiO2-ITO垂直在線連鍍系統，鍍膜寬度為500-1600mm，雙面陰極濺射可以使產能翻倍。基片裝在U型支架上，支架通過中心加熱板時，被同時加熱。產能取決于膜層寬度和陰極數量，寬830mm，單面6陰極(SiO22個，ITO4個)，年產量(24hr×22day×12month)大約400，000m2。

　　2.2 低輻射玻璃和光控薄膜

　　玻璃輻射系數為ε=0.85，不能反射紅外輻射，沉積上導電層，如：ITO、SnO2或金屬，可以減小ε。現在幾乎所有的低輻射玻璃都以銀膜為基礎，為了得到可見光高透過率、保護銀膜，需要增加額外的減反膜和高折射保護材料(如：SnO2、ZnO、Si3N4、TiO2)，Blocker膜可以進一步保護銀膜。不同的設計有很大變化，最簡單的模式如下：玻璃-SnO2(40nm)-Ag(10nm)-NiCrOx(1.5nm)-SnO2(40nm)。

　　在雙面系統中，在玻璃內層鍍膜。圖3給出了典型的LowE玻璃鍍膜前后光學性能對比。現在，銀基LowE玻璃輻射系數可降為ε=0.04，用k表示單位面積，溫度變化1K時的熱損失。表3給出了玻璃鍍膜前后熱損失對比。

　　真空沉積LowE玻璃的優秀性能使之成為當前玻璃鍍膜領域的主流技術，全世界每年的鍍膜玻璃產量達2億m2，其中真空鍍膜LowE玻璃大約占30%。最大的在線鍍膜系統45秒生產3.2m×6m，年產量800萬m2。

　　光控膜系統包括吸收、反射材料(如：CrNx、TiNx、FeNx)和高折射材料(如：SnO2)，典型的系統如下：玻璃-SnO2(10-100nm)-CrNx(10-30nm)-SnO2(10-30nm)在雙面系統中，光控膜鍍在玻璃的內層，依照第一層SnO2的厚度，可以呈現許多顏色如：灰色、銀色、青銅色、藍色或藍綠色。金屬鎳層的厚度決定了總太陽能的透過率，光控膜由遮蓋系數SC來定性，SC=g/g0，其中g=鍍膜玻璃的總太陽能透過率，g0=未鍍膜玻璃的總太陽能透過率為0.87(玻璃厚度為3mm)，典型的SC值為0.2-0.4。 2.3 陰極射線管(CRT)用抗靜電減反膜(ARAS)

　　在可見光范圍內，寬頻減反膜(AR)將反射率降至0.1-0.3%，減反效果由光通過折射系數不同的材料引起的干涉產生的。

　　在過去的數十年中，AR膜得到廣泛應用，除了在光學器件、眼鏡、展示臺和建筑材料中，在TV顯示屏(CRT)和平板顯示器中的應用也穩步增長。

　　為了減少CRT的電磁輻射，AR膜必須復合上透明導電膜，形成抗靜電減反(ARAS)膜系，抗靜電減反膜(ARAS)也可以減少灰塵的堆積。

　　通常，減反膜使用高低折射率的多層膜體系，經過精心的選擇，低折射率的用SiO2(n=1.46)，高折射率的用TiO2(n=2.20-2.50)。磁控濺射在沉積介質膜方面的進步使之可以在CRT和大面積平板玻璃上沉積高性能的AR和ARAS膜