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1、钼溅射靶材的应用、制备及发展钼溅射靶材的应用、制备及发展北京冠金利新材料科技有限公司前言 溅射作为一种先进的薄膜材料制备技术,具有高速及低温两大特点。它利用离子源产生的离子,在真空中加速聚集成高速离子流,轰击固体表面,离子和固体表面的原子发生动能交换,使固体表面的原子离开靶材并沉积在基材表面,从而形成纳米(或微米)薄膜。而被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。钼溅射靶可在各类基材上形成薄膜,这种溅射膜广泛用作电子部件和电子产品,如目前广泛应用的TFT-LCD(Thin Film Transitor-Liqu id C rysta l Displays,薄膜半导体管-液晶显示器)
2、、等离子显示屏、无机光发射二极管显示器、场发射显示器、薄膜太阳能电池、传感器、半导体装置以及具有可调谐功函数CMOS(互补金属氧化物半导体)的场效应晶体管栅极等。钼溅射靶材的特点及应用 在电子行业中,钼溅射靶材主要用于平面显示器、薄膜太阳能电池的电极和配线材料以及半导体的阻挡层材料。这些是基于钼的高熔点、高电导率、较低的比阻抗、较好的耐腐蚀性以及良好的环保性能。以前,平面显示器的配线材料主要是铬,但随着平面显示器的大型化和高精度化,越来越需要比阻抗小的材料。另外,环保也是必须考虑的问题。而钼具有比阻抗和膜应力仅为铬的1/2的优势,而且不存在环境污染问题,因此成为了平面显示器溅射靶材的首选材料之
3、一。此外,钼使用在LCD的元器件中,可使液晶显示器在亮度、对比度、色彩以及寿命方面的性能大大提升。钼溅射靶材的特性要求l纯 度 高纯度是对钼溅射靶材的一个基本特性要求。钼靶材的纯度越高,溅射薄膜的性能越好。一般钼溅射靶材的纯度至少需要达到99.95%(质量分数,下同),但随着LCD行业玻璃基板尺寸的不断提高,要求配线的长度延长、线宽变细,为了保证薄膜的均匀性以及布线的质量,对钼溅射靶材纯度的要求也相应提高。因此,根据溅射的玻璃基板的尺寸以及使用环境,钼溅射靶材的纯度要求在99.99%99.999%甚至更高。钼溅射靶材作为溅射中的阴极源,固体中的杂质和气孔中的氧气和水气是沉积薄膜的主要污染源。此
4、外,在电子行业中,由于碱金属离子(N a+、K+)易在绝缘层中成为可移动性离子,降低元器件性能;铀(U)和钛(T i)等元素会释放射线,造成器件产生软击穿;铁、镍离子会产生界面漏电及氧元素增加等。因此,在钼溅射靶材的制备过程中,需要严格控制这些杂质元素,最大程度的降低其在靶材中的含量。l致密度 溅射镀膜的过程中,致密度较小的溅射靶受轰击时,由于靶材内部孔隙内存在的气体突然释放,造成大尺寸的靶材颗粒或微粒飞溅,或成膜之后膜材受二次电子轰击造成微粒飞溅。这些微粒的出现会降低薄膜品质。为了减少靶材固体中的气孔,提高薄膜性能,一般要求溅射靶材具有较高的致密度。对钼溅射靶材而言,其相对密度应该在98%以
5、上。l靶材与底盘的绑定 一般钼溅射靶材溅射前必须与无氧铜(或铝等其他材料)底盘连接在一起,使溅射过程中靶材与底盘的导热导电状况良好。绑定后必须经过超声波检验,保证两者的不结合区域小于2%,这样才能满足大功率溅射要求而不致脱落。晶粒尺寸及尺寸分布 通常钼溅射靶材为多晶结构,晶粒大小可由微米到毫米量级。试验研究表明,细小尺寸晶粒靶的溅射速率要比粗晶粒快;而晶粒尺寸相差较小的靶,淀积薄膜的厚度分布也较均匀。结晶取向 由于溅射时靶材原子容易沿原子六方最紧密排列方向择优溅射出来,因此,为达到最高溅射速率,常通过改变靶材结晶结构的方法来增加溅射速率。靶材的结晶方向对溅射膜层的厚度均匀性影响也较大。因此,获
6、得一定结晶取向的靶材结构对薄膜的溅射过程至关重要。钼溅射靶材的制备工艺 由于钼是难熔金属,因此,钼溅射靶材的主要制备方法以粉末冶金方法为主。粉末冶金法制备钼溅射靶材时,其关键在于:(1)选择高纯钼粉作为原料;(2)选择能实现快速致密化的成形烧结技术,以保证靶材的低孔隙率,并控制晶粒度;(3)制备过程严格控制杂质元素的引入。其中钼粉原料的纯度是保证最终钼溅射靶材纯度的最主要因素,其纯度至少需要99.95%以上。另外一种制备钼溅射靶材的方法是采用高温熔炼法,先将钼板坯或者棒坯经电子束或者电弧熔炼炉中进行高温熔炼后形成熔炼钼坯锭,然后通过锻造、挤压或者拉拔的成型工艺进行成型加工,最后经热处理、机加工
7、及背板结合形成钼溅射靶材。相比粉末冶金方法,这种方法制备的钼溅射靶材纯度高、致密性好,但对设备要求高,工艺复杂,靶材的晶粒也相对粗大。钼溅射靶材的发展尺寸规格大型化 随着LCD用玻璃基板尺寸的增加,要求钼溅射靶材的规格也相应增大。例如,LCD1 代面板生产线玻璃基板尺寸为300 mm400 mm,钼靶材要求的尺寸规格为560mm*00 mm*6mm(宽长厚,下同);5 代面板生产线玻璃基板尺寸为1100mm*1 300mm,钼靶材要求的尺寸规格为1 430mm*1 700mm*10 mm;而随着国内外LCD6代、7代甚至10代面板生产线的相继开工及投产,相应所需的钼溅射靶材的尺寸规格也随之不断
8、增大。钼合金靶材 随着电子行业综合性能和使用环境要求的提高,钼合金靶材也表现出了其独特的性能。由于钼在耐腐蚀性(变色)和密着性(膜的剥离)方面存在问题。因此,在钼靶材中加入钨、钒、铌、钽等合金元素,可使溅射后溅射薄膜的比阻抗、应力、耐腐蚀性等各种性能达到均衡。提高钼溅射靶材的利用率 在平面磁控溅射过程中,由于正交电磁场对溅射离子的作用关系,溅射靶在溅射过程中将产生不均匀冲蚀(E rosion)现象,从而造成溅射靶材的利用率普遍不高,约30%左右。近年来虽然通过设备改善后可相应提高靶材的利用率,但也只有50%左右。另外,靶材原子被氢离子撞击出来后,约有1/6的溅射原子会淀积到真空室内壁或支架上,
9、增加清洁真空设备的费用及停机时间。因此,提高靶材利用率的关键在于实现溅射设备的更新换代。另外一种提高钼溅射靶材利用率的方法是该平面靶材为管状旋转靶材。相比平面靶材,采用旋转靶结构的设计显示出它的实质性优势。靶的寿命定义为溅射功率乘溅射时间(kW.h),或者是能在基板上淀积材料的总厚度。从平面靶到旋转靶在几何结构和设计上的变化增加了靶材的利用率,利用率从平面靶的30%50%可增加到旋转靶的 80%。此外,如果以kW.h来衡量靶材料的寿命,则旋转靶的寿命要比平面靶长5倍。由于旋转靶在溅射过程中不停地旋转,所以在它的表面不会产生重沉积现象。结束语 北京冠金利新材料科技有限公司成立于2010年，位于北
10、京中关村科技园区,是一家主要从事前沿领域新材料行业的集研发、生产和销售为一体的综合性高新技术企业。冠金利新材料拥有自主进出口权，以完善的全球性贸易网络，稳定的高品质原材料采购网络，专业的技术研发团队为基础，稳定生产并销售：贵金属和高纯有色金属材料，高纯稀土材料及稀土功能材料，磁性材料，功能薄膜材料，半导体材料，超导材料，光电子与数据存储、传输材料，功能陶瓷和先进结构陶瓷材料，光伏太阳能材料，新能源材料，平板显示材料，全固态激光材料，纳米材料，化工新材料，航空航天工程关键材料，先进复合材料，生物医用材料，新型炭材料，生态环境材料，高速铁路及汽车用关键材料等，产品广泛应用于各个行业。并且公司参与了一大批国家重大科技专项研究课题和国家战略性新兴产业开发项目。冠金利新材料本着 高端品质 缔造卓越 精益求精 引领发展 的核心理念，严格 精密 高效 的管理理念，精心于品质 专注于服务 的经营理念，一直为打造“中国制造”高端前沿新材料而努力！