物理氣相沉積（PVD）技術簡介

黃志云

摘 要：物理氣相沉積技術早在20世紀初已有些應用，但在最近30年迅速發(fā)展，成為一門極具廣闊應用前景的新技術。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)狀三個方面介紹物理氣相沉積技術。

關鍵詞：PVD，真空，濺射鍍膜，蒸發(fā)鍍膜

物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition 簡稱PVD）技術是制備薄膜材料的主要技術之一，指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術，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，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應產(chǎn)物沉積在工件上。當下主流的兩種 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)況三個方面介紹PVD鍍膜技術。

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、與基板材料的結合力強等優(yōu)點，已成為制備薄膜材料的主要技術之一。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，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中，易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞，使運動方向隨機，沉積的膜易于均勻。近年發(fā)展起來的規(guī)模性磁控濺射鍍膜，沉積速率較高，工藝重復性好，便于自動化，已適當于進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、與基板材料的結合力強等優(yōu)點，已成為制備薄膜材料的主要技術之一[1]，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。

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、濺射鍍膜和終端應用等環(huán)節(jié)，其中，靶材制造和濺射鍍膜環(huán)節(jié)是整個濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵環(huán)節(jié)。 上游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。濺射靶材制造所涉及的工序精細且繁多，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)鏈條中對生產(chǎn)設備及技術工藝要求最高的環(huán)節(jié)，濺射薄膜的品質(zhì)對下游產(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獲得薄膜的一種技術。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)過一百多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為主流鍍膜技術之一。

真空蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)一般由三個部分組成：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，需要容器來支撐或盛裝蒸發(fā)物，同時需要提供蒸發(fā)熱使蒸發(fā)物達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。從工藝制造角度上來看，蒸鍍材料的制造復雜度要遠遠低于濺射靶材。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(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[2]。

在OLED 工藝中，TFT 陣列和 Cell 成盒兩個階段包含眾多復雜工藝，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(chǎn)過程中最核心的環(huán)節(jié)，直接影響到制成品的良率和質(zhì)量，目前市場上的OLED行業(yè)中應用的蒸鍍設備由日、韓兩國壟斷。

在PVD行業(yè)發(fā)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(jīng)過與下游客戶的鍍膜設備、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(fā)優(yōu)勢，因此，長期以來全球 PVD 鍍膜材料研制和生產(chǎn)主要集中于美國、日本和德國少數(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密集型產(chǎn)業(yè)，研發(fā)生產(chǎn)設備專用性強。在一定程度上，全球半導體工業(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、日本為代表的高純?yōu)R射靶材生產(chǎn)企業(yè)便對核心技術執(zhí)行嚴格的保密措施，導致高純?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、住友化學等資金實力雄厚、技術水平領先、產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗豐富的跨國公司居于全球高純?yōu)R射靶材行業(yè)的領導地位，屬于高純?yōu)R射靶材的傳統(tǒng)強勢企業(yè)，占據(jù)全球高純?yōu)R射靶材市場的絕大部分市場份額，主導著全球高純?yōu)R射靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

總結：由物理氣相沉積技術的原理、特點可知，物理氣相沉積技術是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぶ苽浼夹g。筆者認為，今后一段時期內(nèi)，PVD技術的研究重點將是特殊功能復合膜的制備、在特殊領域氣相沉積技術應用機理與工藝研究。隨著輔助設備、靶材和工藝的進一步優(yōu)化，以及與其他交叉學科的共同進步，PVD技術的應用前景會更加廣泛。

參考文獻：

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

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