黃志云

摘 要：物理氣相沉積技術(shù)早在20世紀(jì)初已有些應(yīng)用，但在最近30年迅速發(fā)展，成為一門極具廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)。本文主要從真空濺射鍍膜、真空蒸發(fā)鍍膜、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀三個(gè)方面介紹物理氣相沉積技術(shù)。

關(guān)鍵詞：PVD，真空，濺射鍍膜，蒸發(fā)鍍膜

物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition 簡(jiǎn)稱PVD）技術(shù)是制備薄膜材料的主要技術(shù)之一，指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。當(dāng)下主流的兩種 PVD 鍍膜方式是濺射鍍膜和真空蒸發(fā)鍍膜。用于制備薄膜材料的物質(zhì)被稱為PVD鍍膜材料。本文將從真空濺射鍍膜、真空蒸發(fā)鍍膜、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況三個(gè)方面介紹PVD鍍膜技術(shù)。

一、真空濺射鍍膜

真空濺射鍍膜是指在真空條件下，利用獲得功能的粒子轟擊靶材料表面，使靶材表面原子獲得足夠的能量而逃逸的過(guò)程稱為濺射。被濺射的靶材沉積到基材表面，就稱作濺射鍍膜。真空濺射鍍膜工藝可重復(fù)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，所制備的薄膜具有純度高、致密性好、與基板材料的結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為制備薄膜材料的主要技術(shù)之一。濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在l0-2～10Pa范圍，所以濺射出來(lái)的粒子在飛向基體過(guò)程中，易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞，使運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)，沉積的膜易于均勻。近年發(fā)展起來(lái)的規(guī)模性磁控濺射鍍膜，沉積速率較高，工藝重復(fù)性好，便于自動(dòng)化，已適當(dāng)于進(jìn)行大型建筑裝飾鍍膜，及工業(yè)材料的功能性鍍膜，各種類型的濺射薄膜材料已得到廣泛的應(yīng)用，按使用的原材料材質(zhì)不同，濺射靶材可分為金屬/非金屬單質(zhì)靶材、合金靶材、化合物靶材等。濺射鍍膜工藝可重復(fù)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，所制備的薄膜具有純度高、致密性好、與基板材料的結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為制備薄膜材料的主要技術(shù)之一[1]，各種類型的濺射薄膜材料已得到廣泛的應(yīng)用，因此，對(duì)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(chǎng)應(yīng)用量最大的 PVD 鍍膜材料。

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(chǎn)業(yè)鏈主要包括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)，其中，靶材制造和濺射鍍膜環(huán)節(jié)是整個(gè)濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 上游的金屬提純主要從自然界重點(diǎn)金屬礦石進(jìn)行提純，一般的金屬能達(dá)到 99.8%的純度，濺射靶材需要達(dá)到 99.999%的純度。濺射靶材制造所涉及的工序精細(xì)且繁多，工序流程管理及制造工藝水平將直接影響到濺射靶材的質(zhì)量和良品率。此環(huán)節(jié)是在濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈條中對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)工藝要求最高的環(huán)節(jié)，濺射薄膜的品質(zhì)對(duì)下游產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要影響。

二、真空蒸發(fā)鍍膜

真空蒸發(fā)鍍膜是指在真空條件下，通過(guò)蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在基板材料表面來(lái)獲得薄膜的一種技術(shù)。被蒸發(fā)的物質(zhì)被稱為蒸鍍材料。蒸發(fā)鍍膜最早由 M.法拉第在 1857年提出，經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為主流鍍膜技術(shù)之一。

真空蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成：真空室、蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱裝置、放置基板及給基板加熱裝置。在真空中為了蒸發(fā)待沉積的材料，需要容器來(lái)支撐或盛裝蒸發(fā)物，同時(shí)需要提供蒸發(fā)熱使蒸發(fā)物達(dá)到足夠高的溫度以產(chǎn)生所需的蒸汽壓。

真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)具有簡(jiǎn)單便利、操作方便、成膜速度快等特點(diǎn)，是應(yīng)用廣泛的鍍膜技術(shù)。從工藝制造角度上來(lái)看，蒸鍍材料的制造復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濺射靶材。真空鍍膜材料按照化學(xué)成分主要可以分為金屬/非金屬顆粒蒸發(fā)料，氧化物蒸發(fā)料，氟化物蒸發(fā)料等[1]。金屬及非金屬顆粒 ：鋁蒸發(fā)料、鎳蒸發(fā)料、銅蒸發(fā)料、銀蒸發(fā)料、鈦蒸發(fā)料、硅蒸發(fā)料、釩蒸發(fā)料、鎂蒸發(fā)料、錫蒸發(fā)料、鉻蒸發(fā)料、銦蒸發(fā)料、銀銅蒸發(fā)料、金蒸發(fā)料、微晶銀粉等。氧化物 ：鈦鉭合金、鋯鈦合金、硅鋁合金、三氧化二鋁、二氧化鋯、五氧化三鈦、石英環(huán)、石英片、氧化鉺、鈦酸鑭等。氟化物 ：氟化鎂、氟化鏑、氟化鑭等

三、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

鍍膜是現(xiàn)代平板顯示產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，為保證大面積膜層的均勻性，提高生產(chǎn)率和降低成本，幾乎所有類型的平板顯示器件都會(huì)使用大量的鍍膜材料來(lái)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(guān)[2]。

在OLED 工藝中，TFT 陣列和 Cell 成盒兩個(gè)階段包含眾多復(fù)雜工藝，關(guān)鍵設(shè)備（TFT 設(shè)備、蒸鍍?cè)O(shè)備和封裝設(shè)備）幾乎被日本、韓國(guó)和美國(guó)所壟斷，且設(shè)備價(jià)格昂貴，其中蒸鍍?cè)O(shè)備是整個(gè)面板生產(chǎn)過(guò)程中最核心的環(huán)節(jié)，直接影響到制成品的良率和質(zhì)量，目前市場(chǎng)上的OLED行業(yè)中應(yīng)用的蒸鍍?cè)O(shè)備由日、韓兩國(guó)壟斷。

在PVD行業(yè)發(fā)展初期，鍍膜設(shè)備和鍍膜材料的配套以國(guó)外廠商為主。國(guó)外 PVD 鍍膜材料廠商的鍍膜材料經(jīng)過(guò)與下游客戶的鍍膜設(shè)備、鍍膜工藝的長(zhǎng)期磨合，各項(xiàng)性能指標(biāo)與客戶的匹配性已較好，具有較強(qiáng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，因此，長(zhǎng)期以來(lái)全球 PVD 鍍膜材料研制和生產(chǎn)主要集中于美國(guó)、日本和德國(guó)少數(shù)公司，產(chǎn)業(yè)集中度較高。

高純?yōu)R射靶材屬于典型的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，研發(fā)生產(chǎn)設(shè)備專用性強(qiáng)。在一定程度上，全球半導(dǎo)體工業(yè)的區(qū)域集聚性造就了高純?yōu)R射靶材生產(chǎn)企業(yè)的高度聚集。自誕生之日起，以美國(guó)、日本為代表的高純?yōu)R射靶材生產(chǎn)企業(yè)便對(duì)核心技術(shù)執(zhí)行嚴(yán)格的保密措施，導(dǎo)致高純?yōu)R射靶材行業(yè)在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的區(qū)域集聚特征，生產(chǎn)企業(yè)主要集中在美國(guó)和日本。

全球范圍內(nèi)，日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯、住友化學(xué)等資金實(shí)力雄厚、技術(shù)水平領(lǐng)先、產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的跨國(guó)公司居于全球高純?yōu)R射靶材行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位，屬于高純?yōu)R射靶材的傳統(tǒng)強(qiáng)勢(shì)企業(yè)，占據(jù)全球高純?yōu)R射靶材市場(chǎng)的絕大部分市場(chǎng)份額，主導(dǎo)著全球高純?yōu)R射靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

總結(jié)：由物理氣相沉積技術(shù)的原理、特點(diǎn)可知，物理氣相沉積技術(shù)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぶ苽浼夹g(shù)。筆者認(rèn)為，今后一段時(shí)期內(nèi)，PVD技術(shù)的研究重點(diǎn)將是特殊功能復(fù)合膜的制備、在特殊領(lǐng)域氣相沉積技術(shù)應(yīng)用機(jī)理與工藝研究。隨著輔助設(shè)備、靶材和工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，以及與其他交叉學(xué)科的共同進(jìn)步，PVD技術(shù)的應(yīng)用前景會(huì)更加廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福貞，馬文存.氣相沉積應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 李健，韋習(xí)成.物理氣相沉積技術(shù)的新發(fā)展[J].材料保護(hù)，2000，33（1）：91-93.