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PVD薄膜沉積磁控濺射鍍膜靶材介紹及應用

發表時間:2020-05-28 13:32

PVD薄膜沉積磁控濺射鍍膜靶材介紹及應用


概念及原理:


        濺射是制備薄膜材料的主要技術之一,它利用離子源產生的離子,在真空中經過加速聚集,而形成高速度能的離子束流,轟擊固體表面,離子和固體表面原子發生動能交換,使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面,被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為濺射靶材。


    濺射靶材工作原理示意圖如下:


                         新1.jpg



工藝流程


        在靶材制造的過程中,需要經歷粉末冶煉、粉末混合、壓制成型、氣氛燒結、塑性加工、熱處理、超聲探傷、機械加工、水切割、機械加工、金屬化、綁定、超聲測試、超聲清洗、檢驗出貨,共計15道工序。


粉末冶煉:對原料粉末進行前期的氣氛燒結,對原料粉末中氣體含量進行控制。


粉末混合:靶材有著獨特的配方,需精確的控制各組分的含量,并嚴格限制雜質含量,在粉末冶金的過程中,需要將各元素充分混合均勻,粒度分布均勻,防止污染


并要通過特殊工藝手段制備成混合型復粉。


壓制成型:采用粉末冶金工藝制備的靶材需要對粉體料進行預壓,使之成為中等密度生坯,其密度的均勻性和內部的缺陷影響著后期高溫燒結的成品率。


氣氛燒結:預壓成型的生坯需要再經過一次或多次的高溫燒結,根據不同材料選擇不同的燒結溫度曲線,并選擇不同的燒結環境,如燒結氣氛、燒結壓力等,從而制備成高密度的靶坯。


塑性加工:金屬坯錠需經過大幅度的塑性變形,以獲得足夠的長寬厚度尺寸,并使得內部晶粒進行足夠的拉伸變形,從而在內部產生足夠多的位錯。


熱處理:金屬坯錠在經過大幅度的塑形變形后,根據不同的材料的特性選擇熱處理工藝,從而使金屬材料發生重結晶去除內應力。


超聲探傷:靶坯加工完后需要采用波進行檢查材料內部是否有缺陷,靶坯與背板綁定完成后,需要采用水浸式超聲波掃描儀進行粘結層的檢測驗粘結面積是否達標。


機械加工:靶坯需要進行精密的機械成型加工,用于與靶坯復合使用的背板,由于承擔與鍍膜設備精確配合、承受高壓水冷等作用,需要具備極高的尺寸精度與機械精度,加工難度較高,尤其是帶內循環水路的背板,由于材質的特殊性,水路的密閉焊接非常困難,需要用到特種焊接工藝。


金屬化:靶坯與背板在綁定之前,為增強靶材和靶材與焊料的金屬潤濕性能,需要進行焊合面的預處理,使之表面鍍上一層過渡層。


綁定:大部分靶材由于材料的物理或者化學性能受限,不可直接裝機鍍膜使用,需要采用金屬焊料將靶坯與背板相互焊合連接,并且表面有效粘結率需要達到大于95%的大面積焊合,整個過程需要在高溫和高壓下進行。


                  新2.jpg

靶材分類


靶材的分類方法很多。大體上,可以按材質分類、按形狀分類、按應用領域分類。按形狀分類可分為長靶、方靶、圓靶。按材質分類可分為金屬靶材(純金屬鋁、鈦、銅、鉭等)、合金靶材(鎳鉻合金、鎳鈷合金等)、陶瓷化合物靶材(氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等)。按應用領域分類靶材可分為半導體芯片靶材、平板顯示靶材、太陽能電池靶材、信息存儲靶材、工具改性靶材、電子器件靶材、其他靶材。

                   新3.jpg在濺射靶材應用領域中,半導體靶材是制造集成電路的關鍵原材料,也是技術要求最高的靶材。半導體靶材要求超高純度金屬、高精度尺寸、高集成度,半導體靶材制造原料主要有超高純度鋁、鈦、銅、鉭等。平板顯示靶材的原材料有高純度鋁、銅、鉬等,還有摻錫氧化銦(ITO),主要用于高清電視、筆記本電腦等。平板顯示靶材技術要求也很高,它要求材料高純度、面積大、均勻性程度高。太陽能靶材的原材料有高純度鋁、銅、鉬、鉻等,主要應用于薄膜太陽能電池,太陽能靶材技術要求高、應用范圍大。信息存儲靶材的原材料有鉻基、鈷基合金等,主要用于光驅、光盤、機械硬盤、磁帶等。信息存儲靶材具備高存儲密度、高傳輸速度等特性。工具改性靶材的原材料有純金屬鉻、鉻鋁合金等,主要用工具、模具等表面強化,性能要求較高、使用壽命延長。電子器件靶材的原材料有鎳鉻合金、鉻硅合金等,主要應用于薄膜電阻、薄膜電容,要求電子器件尺寸小、穩定性好、電阻溫度系數小。其他領域的靶材主要原材料有純金屬鉻、鈦、鎳等,主要用途有裝飾鍍膜、玻璃鍍膜等,技術要求一般,主要用于裝飾、節能等。

                                新4.jpg

高純濺射靶材在平板顯示、信息存儲、太陽能電池、半導體四個領域的應用占比合計達到94%,下游應用集中度很高。靶材的應用領域雖多,但是在其它領域占比并不高。


1、平板顯示靶材


便攜式個人計算機、電視、手機等對平板顯示器件需求急劇增長的刺激,極大地促進了各類平板顯示器件的發展。平板顯示器分為以下幾種:液晶顯示器件(LCD)、等離子體顯示器件(PDP)、薄膜晶體管液晶平板顯示器(TFT-LCD)等。所有這些平板顯示器件都要用到各種類型的薄膜,沒有薄膜技術就沒有平板顯示器件。平板顯示器多由金屬電極、透明導電極、絕緣層、發光層組成,為了保證大面積膜層的均勻性,提高生產率和降低成本,幾乎所有類型的平板顯示器件都會使用大量的鍍膜材料來形成各類功能薄膜,其所使用的PVD鍍膜材料主要為濺射靶材,平板顯示器的很多性能如分辨率、透光率等都與濺射薄膜的性能密切相關。平板顯示行業主要在顯示面板和觸控屏面板兩個產品生產環節使PVD鍍膜材料。其中,平板顯示面板的生產工藝中,玻璃基板要經過多次濺射鍍膜形成ITO玻璃,然后再經過鍍膜,加工組裝用于生產LCD面板、PDP面板及OLED面板等。觸控屏的生產,則還需將ITO玻璃進行加工處理、經過鍍膜形成電極,再與防護屏等部件組裝加工而成。此外,為了實現平板產品的抗反射、消影等功能,還可以在鍍膜環節中增加相應膜層的鍍膜。平板顯示鍍膜用濺射靶材主要品種有:鉬靶、鋁靶、鋁合金靶、鉻靶、銅靶、銅合金靶、硅靶、鈦靶、鈮靶和氧化銦錫(ITO)靶材等。


2、記錄媒體靶材


21世紀是經濟信息化、信息數字化的高科技時代。信息超高密度儲存和高速傳輸的要求,推動信息高技術的進一步發展。先進的電子計算機和獲取、處理、存儲、傳遞各種信息的自動化設備都需要儲存器,信息存儲包括磁信息存儲、磁光信息存儲和全光信息存儲等。磁存儲器如磁盤、磁頭、磁鼓、磁帶等是利用磁性材料的鐵磁特性實現信息存儲的。濺射薄膜記錄用的靶材包括鉻基、鈷基、鈷鐵基、鎳基等合金。光記錄靶材主要指在光盤制造中使用到的濺射靶材。結構簡單的光盤主要由基板、記錄層、反射層、保護層和印刷層組成,結構復雜的光盤層數超過10層,與濺射靶材相關的主要有記錄層、反射板和保護層。


3、太陽能電池靶材


太陽能光伏行業中,PVD鍍膜材料主要應用于太陽能電池。按太陽能電池的結構劃分,可分為結晶硅和薄膜太陽能電池兩大族群。目前,PVD鍍膜工藝主要在薄膜太陽能電池中使用,主要鍍膜材料為濺射靶材。其中,較為常用的濺射靶材包括鋁靶、銅靶、鉬靶、鉻靶以及ITO靶、AZO靶等,純度一般在99.99%以上,其中,鋁靶、銅靶用于導電層薄膜,鉬靶、鉻靶用于阻擋層薄膜,ITO靶、AZO靶用于透明導電層薄膜。


4、半導體靶材


高純濺射靶材是伴隨著半導體工業的發展而興起的,集成電路產業成為目前高純濺射靶材的主要應用領域之一。隨著信息技術的飛速發展,要求集成電路的越來越高,電路中單元器件尺寸不斷縮小,元件尺寸由毫米級到微米級,再到納米級。每個單元器件內部由襯底、絕緣層、介質層、導體層及保護層等組成,其中,介質層、導體層甚至保護層都要用到濺射鍍膜工藝,因此濺射靶材是制備集成電路的核心材料之一。集成電路領域的鍍膜用靶材主要包括鋁靶、鈦靶、銅靶、鉭靶、鎢鈦靶等,要求靶材純度很高,一般在5N(99.999%)以上。因此半導體鍍膜用靶材價格昂貴。半導體靶材主要在晶圓制造和封裝測試過程中使用。


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