172 nm i obszary zastosowań technologii powlekania jonowego
1.1 Obszary zastosowań technologii powlekania jonowego
Technologia powlekania jonowego jest ściśle związana z rozwojem społeczeństwa ludzkiego i życia codziennego. Produkty cienkowarstwowe przygotowane w technologii-wzmocnionej plazmą są szeroko stosowane w urządzeniach wyświetlających informacje, takich jak telewizory, komputery i telefony komórkowe, a także w urządzeniach półprzewodnikowych, urządzeniach optoelektronicznych, urządzeniach optycznych, w wykorzystaniu energii, utwardzaniu powierzchniowym materiałów, odporności na zużycie, odporności na korozję, odporności na utlenianie i wielu innych dziedzinach. Wraz z modernizacją obrony narodowej, rozwojem-zaawansowanej technologii produkcji i poprawą standardów życia ludzi, produktom cienkowarstwowym stawiane są wyższe wymagania w zakresie wydajności. Szczególnie w przyszłej epoce chmury obliczeniowej, inteligentnej gospodarki i Internetu wiele urządzeń rozwija się w kierunku miniaturyzacji, integracji i inteligencji, co narzuci jeszcze większe wymagania technologii przygotowania cienkowarstwowych. Wśród nich jest technologia przygotowania-filmów o wysokiej precyzji172 nmpoziom stał się jednym z podstawowych wymagań w przypadku niektórych-zaawansowanych urządzeń.
1.2 Nowe wymagania współczesnej nauki i technologii dla wyrobów cienkowarstwowych
Funkcje specjalneWysokiej-produkty wymagają, aby części miały różne specjalne funkcje powierzchni, takie jak konwersja fototermiczna, konwersja fotoelektryczna, konwersja termoelektryczna, magazynowanie fotomagnetyczne, odbijanie światła, przepuszczanie światła, filtrowanie światła, przewodność elektryczna, izolacja, wysoka twardość, wysoka odporność na zużycie, niskie tarcie itp. Niektóre muszą także posiadać wspaniałe i kolorowe właściwości dekoracyjne.
Dywersyfikacja kompozycjiAby sprostać nowym wymaganiom dotyczącym wydajności-produktów zaawansowanych technologii w różnych dziedzinach, skład cienkich folii ewoluował od folii z czystego metalu do różnych folii ze związków nieorganicznych i folii polimerowo-organicznych. Tabela 1-1 przedstawia różne materiały cienkowarstwowe i zakresy ich zastosowań, które odpowiadają współczesnym potrzebom różnych dziedzin. Wśród nich znajdują się kompozytowe materiały foliowe kompatybilne z172 nmspecyfikacji grubości, obserwujemy z roku--roku udział zastosowań w precyzyjnych urządzeniach elektronicznych.
Tabela 1-1 Różne materiały cienkowarstwowe i zakresy ich zastosowań
| Kategoria aplikacji | Materiały powłokowe | Materiały podłoża | Zakres zastosowań |
|---|---|---|---|
| Wysoka twardość, odporność na zużycie | TiN, ZrN, HfN, TaN, NbN, CrN, CBN, Si₃N₄, TiC, ZrC, Cr₇C₃, SiC, Ti(C,N), Ti(B,N), Ti(Al,N), -C₃N₄, diament itp. | Stal-szybkotnąca, stal matrycowa, węglik spiekany, cermetal itp. | Narzędzia do obróbki, formy, części mechaniczne |
| Odporność na wysoką temperaturę, odporność na utlenianie | Al, W, Ti, Ta, Mo, Al₂O₃, Si₃N₄, Ni-Cr, BN, MCrAlY itp. | Stal nierdzewna,-stopy żaroodporne, miedź, stopy aluminium itp. | Łopatki turbin, rury wydechowe, dysze, komponenty lotnicze, komponenty odporne na ciepło-energii atomowej |
| Odporność na korozję | TiN, TiC, Al₂O₃, Cd, Al, Ti, Cr, Cr₇C₃, Ni-Cr-Fe, Cr-Ni-P-B (amorficzny) itp. | Stal, stal nierdzewna,-metale nieżelazne itp. | Samoloty, statki, samochody, rurociągi chemiczne, ochrona powierzchni elementów złącznych |
| Dekoracyjne upiększanie | TiN, TiC, TaN, TiAC, ZrN, Cr₇C₃, Al₂O₃, Al, Ag, Ti, Au, Cu, Ni, Cr, Ni-Re, TaN, Te-N, Al-TaSi, Ni-CrAl | Stal, mosiądz, aluminium, stal nierdzewna, tworzywa sztuczne, ceramika, szkło, folia papierowa itp. | Biżuteria, zegarki, lampy, okulary, części metalowe, akcesoria samochodowe, części elektryczne |
| Folie przewodzące | Au, Mo, W, MoSi₂, WSi₂, TaSi₂, Ti-Si, Ag-Si, Al, Ni, Al₂O₃, Au-Pb itp. | Wafel krzemowy, ceramika, plastik, szkło, taśma stopowa | Rezystory i przewody cienkowarstwowe, urządzenia do emisji elektronów, urządzenia tunelowe itp. (w tym precyzyjne folie przewodzące o długości fali 172 nm) |
| Folie dielektryczne | SiO₂, Al₂O₃, AlN, Al₂O₃-BaTiO₃, TiO₂, ZnO, AlN, LiNbO₂ itp. | Wafel krzemowy, ceramika, plastik, szkło | Pasywacja powierzchni, izolacja międzywarstwowa, kondensatory, elementy elektrotermiczne itp. |
| Urządzenia mikroelektroniczne – folie półprzewodnikowe | Si, a-Si, Au-ZnS, GaAs, CdSe, CdS, PbS, InSb, Ge, Pb-Sn-Te itp. | Wafel krzemowy, ceramika, plastik, szkło | Diody elektroluminescencyjne,-tranzystory cienkowarstwowe, urządzenia optoelektroniczne, urządzenia magnetoelektryczne, czujniki itp. |
| Folie nadprzewodzące | Pb-Bi-Pb-Au, Nb₃Ge, V₃Si, Pb-In-Au, PbO/In₂O₃ | - | Urządzenia nadprzewodzące |
| Materiały magnetyczne i nośniki zapisu | -Fe₂O₃, Co-Ni, Co-Cr, MnBi, GdCo, GdFe, TbFe, Ni-Co-P, Co-Zr-Nb amorficzny, Y₃Fe₅O₁₂ itp. | Stopy, tworzywa sztuczne itp. | Zapis magnetyczny, głowice magnetyczne, urządzenia magnetorezystancyjne, dyski optyczne itp. |
| Wyświetl filmy z urządzenia | ZnO, Y₂O₃, Ag, Cu, Al, SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄ itp. | Szkło, plastik itp. | Świetlówki, wyświetlacze plazmowe, wyświetlacze ciekłokrystaliczne |
| Optyka i komunikacja optyczna | Si₃N₄, Al, Ag, Au, TiO₂, ZnO, SnO₂, GdFe, TbFe, InAs, InSb, PbS, diament itp. | Plastik, szkło, ceramika itp. | Folie ochronne, odblaskowe i antyrefleksyjne-, przełączniki optyczne, konwersja częstotliwości, pamięć optyczna, czujniki optyczne itp. |
| Wykorzystanie energii słonecznej | Au-ZnS, Ag-ZnS, CdS-Cu₂S, SnO₂ itp. | Stal nierdzewna, plastik, szkło | Ogniwa fotowoltaiczne, przezroczyste folie przewodzące itp. |
| Smarowanie, niskie tarcie | Au, Ag, Pb, Cu-Au, Pb-Sn, MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, MoS, MS₂, BN, MoS₂-grafit, Ag-MoS₂, DLC itp. | Stopy wysokotemperaturowe, metale konstrukcyjne, stal łożyskowa itp. | Ultra-wysoka próżnia, temperatura pokojowa, ultra-niska temperatura, łożyska silników odrzutowych, łożyska satelitów, części wirujące o wysokiej-temperaturze w przemyśle lotniczym |
| Opakowanie | Cr, Al, SiO₂, Al₂O₃, TiN itp. | Papier, plastik, metal itp. | Metalizacja materiałów opakowaniowych, wysoka barierowość ochronna |
Jak pokazano w tabeli 1-1, materiały cienkowarstwowe są zróżnicowane pod względem składu, oferują pełen zakres funkcji specjalnych i mają szerokie pola zastosowań, odgrywając ważną rolę we wszystkich sektorach gospodarki narodowej. Folie funkcjonalne o grubości172 nm, dzięki połączeniu precyzji i stabilności, stały się ważnym wyborem w dziedzinie precyzyjnej produkcji.
Grubość warstwy w skali od nanometrów do mikrometrówW miarę jak produkty-zaawansowane technologicznie stają się coraz bardziej inteligentne i zintegrowane, gęstość integracji nowoczesnych urządzeń mikroelektronicznych stale rośnie. Obecnie wymagane jest zintegrowanie 1 000 000 tranzystorów na 1 mm² w chipie mikroelektronicznym. Rozmiar elementów tranzystora jest niezwykle mały, co wymaga, aby każda warstwa funkcjonalna była coraz cieńsza - tylko na poziomie od nanometra do mikrometra. Szerokość linii przewodnika chipa osiągnęła 5–7 nm, a niektórym-niektórym precyzyjnym urządzeniom udało się precyzyjnie przygotować warstwy funkcjonalne172 nmpoziomie, a rozwój zmierza obecnie w stronę 3 nm. Można to osiągnąć jedynie przy użyciu technologii cienkowarstwowych-obwodów scalonych. Obecnie technologia powlekania jonowego jest optymalnym wyborem do wytwarzania cienkowarstwowych-obwodów scalonych.
Doskonała mikrostruktura folii i struktura krystalicznaAby wytworzyć produkty cienkowarstwowe o doskonałej wydajności, folia musi posiadać doskonałą mikrostrukturę i strukturę krystaliczną. W zależności od zastosowania folie mogą mieć strukturę jedno-krystaliczną, polikrystaliczną lub amorficzną, a także gęstą, kolumnową lub wielowarstwową mikrostrukturę-w skali nano. Wśród nich172 nmgrube wielowarstwowe nanofilmy wykazują doskonałą stabilność strukturalną i spójność działania w urządzeniach optoelektronicznych.
Folia o dużej gęstości i-wolna od defektówPonieważ produkty-zaawansowane technologicznie stają się lżejsze, mniejsze, cieńsze, drobniejsze, bardziej zintegrowane i bardziej inteligentne, folie muszą być niezwykle gęste i wolne od wad.
Wysoka przyczepność filmu-do podłożaPomiędzy folią a podłożem nie ma wiązania metalurgicznego - istnieje jedynie „przyklejona warstwa” - dlatego im mniejsze i cieńsze urządzenie, tym większa wymagana przyczepność między folią a podłożem. Wysoka przyczepność jest również wymagana w przypadku twardych powłok na narzędziach i matrycach.
1.3 Rodzaje technologii powlekania
1.3.1 Wczesne technologie przygotowania cienkich warstw
Technologia otrzymywania stałych cienkich folii ma długą historię i początkowo opierała się głównie na energii cieplnej, a później ewoluowała w stronę technologii-wzmacnianych plazmą.
Technologia powlekania metodą odparowania próżniowegoTechnologia ta wykorzystuje źródło ciepła do odparowania materiału stałego, umożliwiając atomom pary transport w wysokiej próżni i osadzanie się na powierzchni podłoża, tworząc film. Należy do kategorii fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) i umożliwia wstępne przygotowanie172 nm-filmy na poziomie.
Technologia chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).Technologia ta wykorzystuje energię cieplną do termicznego rozkładu wprowadzonych gazów nieorganicznych na aktywne atomy, które następnie reagują chemicznie na ogrzanej powierzchni podłoża, tworząc warstwę.
Technologia polimeryzacji organicznej polimerówOrganiczne gazy monomerowe polimeryzują w polimery-o dużej masie cząsteczkowej- pod wpływem wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i działania inicjatora.
1.3.2 Technologia powlekania jonowego
Od 1963 r., kiedy amerykański naukowiec DM Mattox wprowadził wyładowania gazowe do powłoki odparowującej, pojawiło się wiele technologii powlekania jonowego, które wykorzystują różne metody wyładowań gazowych w celu uzyskania-wysokosprawnych cząstek folii. Technologia ewoluowała od powlekania-wzmocnionego plazmą z wykorzystaniem źródeł stałych do wykorzystania źródeł gazowych, przy czym źródła gazowe rozszerzają się od gazów obojętnych i gazów złożonych nieorganicznych do gazów organicznych. Pojawiło się wiele nowych technik i procesów powlekania, które w sprytny sposób wykorzystują pola elektryczne, pola magnetyczne i wyładowania łukowe do wzbudzania i wzmacniania plazmy, zapewniając badaczom cienkowarstwowym różnorodne środki do przygotowywania cienkich warstw o specjalnych-funkcjach wymaganych w różnych dziedzinach. Wśród nich jest przygotowanie o wysokiej-precyzyjności172 nm-filmy na poziomie stały się ważnym kierunkiem zastosowań tej technologii.
Koncepcja powlekania jonowego rozszerzyła się z platerowania jonowego-typu parowania na szerszą dziedzinę. Obecnie nazywana jest każda technologia powlekania, która wykorzystuje energię plazmy podczas wyładowania gazowegotechnologia powlekania jonowego. Nowoczesna technologia powlekania jonowego obejmuje powlekanie jonowe-odparowaniem, powlekanie jonowe metodą rozpylania magnetronowego, powlekanie jonowe za pomocą wyładowań łukowych w ramach PVD, a także chemiczne osadzanie z fazy gazowej-wzmocnione plazmą i{3}}wzmocnioną plazmą polimeryzację. Można je podzielić na trzy główne kategorie:
Plazma-Ulepszone fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PEPVD)
Plazma-Wzmocnione chemiczne osadzanie z fazy gazowej (PECVD)
Plazma-wzmocniona polimeryzacja (PEP)
Tabela 1-2 Różne nowoczesne technologie powlekania jonowego i ich charakterystyka
| Technologia powlekania | Typ technologii | Źródło cząstek filmu | Typ rozładowania | Technologia rozładowania | Mechanizm reakcji |
|---|---|---|---|---|---|
| Powlekanie jonowe-typu parowania | PEPVD | Parowanie termiczne | Wyładowanie jarzeniowe/łukowe | Blask DC, żar RF, łuk z gorącym żarnikiem, łuk z zimną katodą | Jony metali + atomy-o wysokiej energii → synteza filmów o nowej strukturze (można przygotować filmy o długości fali 172 nm) |
| Powłoka jonowa metodą rozpylania magnetronowego | PEPVD | Rozpylanie katodowe | Wyładowanie jarzeniowe | Blask DC, blask RF, blask mikrofal | Jony metali + atomy-wysokoenergetyczne → synteza filmów o nowej strukturze |
| Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą | PECVD | Gaz nieorganiczny | Wyładowanie jarzeniowe/łukowe | Blask DC, blask RF, blask mikrofal, łuk gorącego włókna | Nieorganiczne jony gazów + wysoko-aktywne rodniki → synteza nowych warstw strukturalnych |
| Polimeryzacja-wzmocniona plazmą | ENERGIA | Organiczny gaz monomerowy | Wyładowanie jarzeniowe/łukowe/koronowe | Poświata DC, poświata RF, poświata mikrofalowa, wyładowanie koronowe | Monomery organiczne + grupy aktywne → polimeryzacja plazmowa do filmów polimerowych |
Kluczowe punkty podsumowane w Tabeli 1-2:
Wszystkie nowoczesne technologie powlekania jonowego wykonywane są w różnych wyładowaniach gazowych.
Cząstki folii PEPVD powstają w wyniku odparowania lub napylania materiałów stałych; Cząsteczki PECVD pochodzą z gazów nieorganicznych; Cząsteczki PEP pochodzą bezpośrednio z wprowadzonych gazów organicznych.
Tryby wyładowania obejmują wyładowanie jarzeniowe i wyładowanie łukowe, przy czym technologie PEPVD, PECVD i PEP zmierzają w stronę wyładowania łukowego.
Polimeryzacja-wzmocniona plazmą to technologia, która pojawiła się w ostatnich latach.
Plazma jest czwartym stanem materii, posiadającym energię o kilka rzędów wielkości wyższą niż ciała stałe, ciecze i gazy. Technologia polimeryzacji-wzmocnionej plazmą, która wykorzystuje energię plazmy do produkcji polimerów-molekularnych-, jest szeroko stosowana przy przygotowywaniu nowoczesnych,-najwyższych produktów organicznych cienkowarstwowych.
Dzięki rozwojowi różnych nowych technologii i procesów powlekania-energią-z plazmą, w ostatnich latach opracowano generacje doskonałych, specjalnych-materiałów cienkowarstwowych - pilnie potrzebnych w takich dziedzinach, jak półprzewodnikowe układy scalone, urządzenia do wyświetlania informacji, folie optyczne, folie przewodzące, folie izolacyjne, materiały medyczne i folie barierowe -, tworząc ogromną wartość ekonomiczną. W szczególności skalowalna technologia przygotowania do172 nmFolie funkcjonalne na poziomie - w dużym stopniu napędzają szybki rozwój przemysłu elektroniki precyzyjnej.
