PVD镀膜的基本方式、材料种类及其竞争格局

发布时间:2019-05-12 01:13:09 作者: 收藏
PVD(Physical Vapor Deposition)技术是制备薄膜材料的主要技术之一,在真空条件下采用物理方法,将某种材料气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基板材料表面沉积具有增透、反射、保护导电、导磁、绝缘、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、装饰等特殊功能的薄膜材料的技术。用于制备薄膜材料的物质被称为 PVD镀膜材料。溅射镀膜和真空蒸发镀膜是最主流的两种 PVD 镀膜方式。
 
 
溅射镀膜
 
 
溅射靶材具有高纯度、高密度、多组元、晶粒均匀等特点,一般由靶坯和背板组成。靶坯属于溅射靶材的核心部分,是高速离子束流轰击的目标材料。靶坯被离子撞击后,其表面原子被溅射飞散出来并沉积于基板上制成电子薄膜。由于高纯度金属强度较低,因此溅射靶材需要在高电压、高真空的机台环境内完成溅射过程。超高纯金属的溅射靶坯需要与背板通过不同的焊接工艺进行接合,背板起到主要起到固定溅射靶材的作用,且需要具备良好的导电、导热性能。
 
 
来源:江丰电子
 
按使用的原材料材质不同,溅射靶材可分为金属/非金属单质靶材、合金靶材、化合物靶材等。溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制,可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜,所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点,已成为制备薄膜材料的主要技术之一,各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用,因此,对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求逐年增加,溅射靶材亦已成为目前市场应用量最大的 PVD 镀膜材料。
 
超高纯金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分,溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节,其中,靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。
 
上游的金属提纯主要从自然界重点金属矿石进行提纯,一般的金属能达到 99.8%的纯度,溅射靶材需要达到 99.999%的纯度。
 
靶材制造环节首先需要根据下游应用领域的性能需求进行工艺设计,然后进行反复的塑性变形、热处理来控制晶粒、晶向等关键指标,再经过水切割、机械加工、金属化、超生测试、超声清洗等工序。
 
溅射靶材制造所涉及的工序精细且繁多,工序流程管理及制造工艺水平将直接影响到溅射靶材的质量和良品率。
 
此环节是在溅射靶材产业链条中对生产设备及技术工艺要求最高的环节,溅射薄膜的品质对下游产品的质量具有重要影响。
 
在溅射镀膜过程中,溅射靶材需要安装在机台中完成溅射反应,溅射机台专用性强、精密度高,市场长期被美国、日本跨国集团垄断,主要设备提供商包括 AMAT(美国)、ULVAC(日本)、ANELVA(日本)、Varian(美国)、ULVAC(日本)等行业内知名企业。
 
 
 
真空蒸发镀膜
 
真空蒸发镀膜是指在真空条件下,通过蒸发源加热蒸发某种物质使其沉积在基板材料表面来获得薄膜的一种技术。被蒸发的物质被称为蒸镀材料。蒸发镀膜最早由 M.法拉第在 1857年提出,经过一百多年的发展,现已成为主流镀膜技术之一。
 
真空蒸发镀膜系统一般由三个部分组成:真空室、蒸发源或蒸发加热装置、放置基板及给基板加热装置。在真空中为了蒸发待沉积的材料,需要容器来支撑或盛装蒸发物,同时需要提供蒸发热使蒸发物达到足够高的温度以产生所需的蒸汽压。
 
 
真空蒸发镀膜工作原理示意图
 
真空蒸发镀膜技术具有简单便利、操作方便、成膜速度快等特点,是应用广泛的镀膜技术,主要应用于光学元器件、LED、平板显示和半导体分立器的镀膜。真空镀膜材料按照化学成分主要可以分为金属/非金属颗粒蒸发料,氧化物蒸发料,氟化物蒸发料等。
 
 
蒸镀材料种类
 
金属及非金属颗粒
 
铝蒸发料、镍蒸发料、铜蒸发料、银蒸发料、钛蒸发料、硅蒸发料、钒蒸发料、镁蒸发料、锡蒸发料、铬蒸发料、铟蒸发料、银铜蒸发料、金蒸发料、微晶银粉等。
 
氧化物
 
钛钽合金、锆钛合金、硅铝合金、三氧化二铝、二氧化锆、五氧化三钛、石英环、石英片、氧化铒、钛酸镧等
 
氟化物
 
氟化镁、氟化镝、氟化镧等
 
蒸镀材料主要工艺流程包括混料,原料预处理,成型,烧结和检测等。将配制好的原料经过机械混合达到均匀分散(混料),然后进行常温或高温处理(原料预处理)来提高材料的纯度,细化颗粒的粒度,激发材料的反应活性,降低材料烧结温度。接下来经过机械方式将材料加工至达到所需规格(成型)。成型后将材料在高温下烧结,使陶瓷生坯固体颗粒的相互键联,最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体的过程(烧结)。待蒸镀材料生产完后,采用蒸发镀膜设备对材料的性能进行检测,检查产品性能指标是否合格。
 
 
真空镀膜材料工艺流程
 
原料粉末——配料——混料——原料预处理——成型——预烧——真空烧结——分拣——真空包装
 
溅射镀膜和蒸发镀膜的对比:
 
溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制,可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜,所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点,已成为制备薄膜材料的主要技术之一,各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用,因此,对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求逐年增加,溅射靶材亦已成为目前市场应用量最大的 PVD 镀膜材料。
 
蒸发镀膜简单便利、操作方便、成膜速度快。从工艺制造角度上来看,蒸镀材料的制造复杂度要远远低于溅射靶材,蒸发镀膜常用于小尺寸基板材料的镀膜。
 
 
竞争格局
 
平板显示器主要包括液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、场致发光显示器(EL)、场发射显示器(FED)、有机发光二极管显示器(OLED)以及在 LCD 基础上发展起来的触控(TP)显示产品。
 
其中,市场应用以液晶显示器为主。镀膜是现代平板显示产业的基础环节,为保证大面积膜层的均匀性,提高生产率和降低成本,几乎所有类型的平板显示器件都会使用大量的镀膜材料来形成各类功能薄膜,其所使用的 PVD 镀膜材料主要为溅射靶材,平板显示器的很多性能如分辨率、透光率等都与溅射薄膜的性能密切相关。
 
平板显示行业主要在显示面板和触控屏面板两个产品生产环节使用 PVD 镀膜材料。其中,平板显示面板的生产工艺中,玻璃基板要经过多次溅射镀膜形成 ITO 玻璃,然后再经过镀膜,加工组装用于生产 LCD 面板、PDP 面板及 OLED 面板等。触控屏的生产,则还需将 ITO 玻璃进行加工处理、经过镀膜形成电极,再与防护屏等部件组装加工而成。
 
此外,为了实现平板显示产品的抗反射、消影等功能,还可以在镀膜环节中增加相应膜层的镀膜。
 
在OLED 工艺中,TFT 阵列和 Cell 成盒两个阶段包含众多复杂工艺,关键设备(TFT 设备、蒸镀设备和封装设备)几乎被日本、韩国和美国所垄断,且设备价格昂贵,其中蒸镀设备是整个面板生产过程中最核心的环节,直接影响到制成品的良率和质量,目前市场上的蒸镀设备由日、韩两国垄断。
 
PVD 镀膜工艺起源于国外,在行业发展初期,镀膜设备和镀膜材料的配套以国外厂商为主。国外 PVD 镀膜材料厂商的镀膜材料经过与下游客户的镀膜设备、镀膜工艺的长期磨合,各项性能指标与客户的匹配性已较好,具有较强的先发优势,因此,长期以来全球 PVD 镀膜材料研制和生产主要集中于美国、日本和德国少数公司,产业集中度较高。
 
高纯溅射靶材属于典型的技术密集型产业,研发生产设备专用性强。在一定程度上,全球半导体工业的区域集聚性造就了高纯溅
 
射靶材生产企业的高度聚集。自诞生之日起,以美国、日本为代表的高纯溅射靶材生产企业便对核心技术执行严格的保密措施,导致溅射靶材行业在全球范围内呈现明显的区域集聚特征,生产企业主要集中在美国和日本。
 
全球范围内,日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、住友化学等资金实力雄厚、技术水平领先、产业经验丰富的跨国公司居于全球高纯溅射靶材行业的领导地位,属于溅射靶材的传统强势企业,占据全球溅射靶材市场的绝大部分市场份额,主导着全球溅射靶材产业的发展。