PVD鍍膜及其常用的靶材

2021-01-18 PVD鍍膜

PVD（Physical Vapor Deposition）技術是製備薄膜材料的主要技術之一，在真空條件下採用物理方法，將某種材料氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，並通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基板材料表面沉積具有增透、反射、保護導電、導磁、絕緣、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、裝飾等特殊功能的薄膜材料的技術。用於製備薄膜材料的物質被稱為 PVD鍍膜材料。濺射鍍膜和真空蒸發鍍膜是最主流的兩種 PVD 鍍膜方式。


濺射靶材具有高純度、高密度、多組元、晶粒均勻等特點，一般由靶坯和背板組成。靶坯屬於濺射靶材的核心部分，是高速離子束流轟擊的目標材料。靶坯被離子撞擊後，其表面原子被濺射飛散出來並沉積於基板上製成電子薄膜。由於高純度金屬強度較低，因此濺射靶材需要在高電壓、高真空的機臺環境內完成濺射過程。超高純金屬的濺射靶坯需要與背板通過不同的焊接工藝進行接合，背板起到主要起到固定濺射靶材的作用，且需要具備良好的導電、導熱性能。

來源：江豐電子

按使用的原材料材質不同，濺射靶材可分為金屬/非金屬單質靶材、合金靶材、化合物靶材等。濺射鍍膜工藝可重複性好、膜厚可控制，可在大面積基板材料上獲得厚度均勻的薄膜，所製備的薄膜具有純度高、緻密性好、與基板材料的結合力強等優點，已成為製備薄膜材料的主要技術之一，各種類型的濺射薄膜材料已得到廣泛的應用，因此，對濺射靶材這一具有高附加值的功能材料需求逐年增加，濺射靶材亦已成為目前市場應用量最大的 PVD 鍍膜材料。

超高純金屬及濺射靶材是電子材料的重要組成部分，濺射靶材產業鏈主要包括金屬提純、靶材製造、濺射鍍膜和終端應用等環節，其中，靶材製造和濺射鍍膜環節是整個濺射靶材產業鏈中的關鍵環節。

上遊的金屬提純主要從自然界重點金屬礦石進行提純，一般的金屬能達到 99.8%的純度，濺射靶材需要達到 99.999%的純度。

靶材製造環節首先需要根據下遊應用領域的性能需求進行工藝設計，然後進行反覆的塑性變形、熱處理來控制晶粒、晶向等關鍵指標，再經過水切割、機械加工、金屬化、超生測試、超聲清洗等工序。

濺射靶材製造所涉及的工序精細且繁多，工序流程管理及製造工藝水平將直接影響到濺射靶材的質量和良品率。

此環節是在濺射靶材產業鏈條中對生產設備及技術工藝要求最高的環節，濺射薄膜的品質對下遊產品的質量具有重要影響。

在濺射鍍膜過程中，濺射靶材需要安裝在機臺中完成濺射反應，濺射機臺專用性強、精密度高，市場長期被美國、日本跨國集團壟斷，主要設備提供商包括 AMAT（美國）、ULVAC（日本）、ANELVA（日本）、Varian（美國）、ULVAC（日本）等行業內知名企業。

真空蒸發鍍膜是指在真空條件下，通過蒸發源加熱蒸發某種物質使其沉積在基板材料表面來獲得薄膜的一種技術。被蒸發的物質被稱為蒸鍍材料。蒸發鍍膜最早由 M.法拉第在 1857年提出，經過一百多年的發展，現已成為主流鍍膜技術之一。

真空蒸發鍍膜系統一般由三個部分組成：真空室、蒸發源或蒸發加熱裝置、放置基板及給基板加熱裝置。在真空中為了蒸發待沉積的材料，需要容器來支撐或盛裝蒸發物，同時需要提供蒸發熱使蒸發物達到足夠高的溫度以產生所需的蒸汽壓。

真空蒸發鍍膜工作原理示意圖

真空蒸發鍍膜技術具有簡單便利、操作方便、成膜速度快等特點，是應用廣泛的鍍膜技術，主要應用於光學元器件、LED、平板顯示和半導體分立器的鍍膜。真空鍍膜材料按照化學成分主要可以分為金屬/非金屬顆粒蒸發料，氧化物蒸發料，氟化物蒸發料等。

金屬及非金屬顆粒

鋁蒸發料、鎳蒸發料、銅蒸發料、銀蒸發料、鈦蒸發料、矽蒸發料、釩蒸發料、鎂蒸發料、錫蒸發料、鉻蒸發料、銦蒸發料、銀銅蒸發料、金蒸發料、微晶銀粉等。

氧化物

鈦鉭合金、鋯鈦合金、矽鋁合金、三氧化二鋁、二氧化鋯、五氧化三鈦、石英環、石英片、氧化鉺、鈦酸鑭等

氟化物

氟化鎂、氟化鏑、氟化鑭等

蒸鍍材料主要工藝流程包括混料，原料預處理，成型，燒結和檢測等。將配製好的原料經過機械混合達到均勻分散（混料），然後進行常溫或高溫處理（原料預處理）來提高材料的純度，細化顆粒的粒度，激發材料的反應活性，降低材料燒結溫度。接下來經過機械方式將材料加工至達到所需規格（成型）。成型後將材料在高溫下燒結，使陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯，最後成為具有某種顯微結構的緻密多晶燒結體的過程（燒結）。待蒸鍍材料生產完後，採用蒸發鍍膜設備對材料的性能進行檢測，檢查產品性能指標是否合格。

原料粉末——配料——混料——原料預處理——成型——預燒——真空燒結——分揀——真空包裝

濺射鍍膜和蒸發鍍膜的對比：

濺射鍍膜工藝可重複性好、膜厚可控制，可在大面積基板材料上獲得厚度均勻的薄膜，所製備的薄膜具有純度高、緻密性好、與基板材料的結合力強等優點，已成為製備薄膜材料的主要技術之一，各種類型的濺射薄膜材料已得到廣泛的應用，因此，對濺射靶材這一具有高附加值的功能材料需求逐年增加，濺射靶材亦已成為目前市場應用量最大的 PVD 鍍膜材料。

蒸發鍍膜簡單便利、操作方便、成膜速度快。從工藝製造角度上來看，蒸鍍材料的製造複雜度要遠遠低於濺射靶材，蒸發鍍膜常用於小尺寸基板材料的鍍膜。


平板顯示器主要包括液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器（PDP）、場致發光顯示器（EL）、場發射顯示器（FED）、有機發光二極體顯示器（OLED）以及在 LCD 基礎上發展起來的觸控（TP）顯示產品。

其中，市場應用以液晶顯示器為主。鍍膜是現代平板顯示產業的基礎環節，為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解析度、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用 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，然後再經過鍍膜，加工組裝用於生產 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，為了實現平板顯示產品的抗反射、消影等功能，還可以在鍍膜環節中增加相應膜層的鍍膜。

在OLED 工藝中，TFT 陣列和 Cell 成盒兩個階段包含眾多複雜工藝，關鍵設備（TFT 設備、蒸鍍設備和封裝設備）幾乎被日本、韓國和美國所壟斷，且設備價格昂貴，其中蒸鍍設備是整個面板生產過程中最核心的環節，直接影響到製成品的良率和質量，目前市場上的蒸鍍設備由日、韓兩國壟斷。

PVD 鍍膜工藝起源於國外，在行業發展初期，鍍膜設備和鍍膜材料的配套以國外廠商為主。國外 PVD 鍍膜材料廠商的鍍膜材料經過與下遊客戶的鍍膜設備、鍍膜工藝的長期磨合，各項性能指標與客戶的匹配性已較好，具有較強的先發優勢，因此，長期以來全球 PVD 鍍膜材料研製和生產主要集中於美國、日本和德國少數公司，產業集中度較高。

高純濺射靶材屬於典型的技術密集型產業，研發生產設備專用性強。在一定程度上，全球半導體工業的區域集聚性造就了高純濺

射靶材生產企業的高度聚集。自誕生之日起，以美國、日本為代表的高純濺射靶材生產企業便對核心技術執行嚴格的保密措施，導致濺射靶材行業在全球範圍內呈現明顯的區域集聚特徵，生產企業主要集中在美國和日本。

全球範圍內，日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯、住友化學等資金實力雄厚、技術水平領先、產業經驗豐富的跨國公司居於全球高純濺射靶材行業的領導地位，屬於濺射靶材的傳統強勢企業，佔據全球濺射靶材市場的絕大部分市場份額，主導著全球濺射靶材產業的發展。

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