PVD(Physical Vapor Deposition)技術(shù)是制備薄膜材料的主要技術(shù)之一,在真空條件下采用物理方法,將某種材料氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子,并通過低壓氣體(或等離子體)過程,在基板材料表面沉積具有增透、反射、保護(hù)導(dǎo)電、導(dǎo)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(shù)。用于制備薄膜材料的物質(zhì)被稱為 PVD鍍膜材料。濺射鍍膜和真空蒸發(fā)鍍膜是最主流的兩種 PVD 鍍膜方式。
濺射鍍膜
濺射靶材具有高純度、高密度、多組元、晶粒均勻等特點(diǎn),一般由靶坯和背板組成。靶坯屬于濺射靶材的核心部分,是高速離子束流轟擊的目標(biāo)材料。靶坯被離子撞擊后,其表面原子被濺射飛散出來并沉積于基板上制成電子薄膜。由于高純度金屬強(qiáng)度較低,因此濺射靶材需要在高電壓、高真空的機(jī)臺(tái)環(huán)境內(nèi)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(jìn)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。
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(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),主要應(yīng)用于光學(xué)元器件、LED、平板顯示和半導(dǎo)體分立器的鍍膜。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。
蒸鍍材料種類
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
蒸鍍材料主要工藝流程包括混料,原料預(yù)處理,成型,燒結(jié)和檢測等。將配制好的原料經(jīng)過機(jī)械混合達(dá)到均勻分散(混料),然后進(jìn)行常溫或高溫處理(原料預(yù)處理)來提高材料的純度,細(xì)化顆粒的粒度,激發(fā)材料的反應(yīng)活性,降低材料燒結(jié)溫度。接下來經(jīng)過機(jī)械方式將材料加工至達(dá)到所需規(guī)格(成型)。成型后將材料在高溫下燒結(jié),使陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián),最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體的過程(燒結(jié))。待蒸鍍材料生產(chǎn)完后,采用蒸發(fā)鍍膜設(shè)備對(duì)材料的性能進(jìn)行檢測,檢查產(chǎn)品性能指標(biāo)是否合格。
真空鍍膜材料工藝流程
原料粉末——配料——混料——原料預(yù)處理——成型——預(yù)燒——真空燒結(jié)——分揀——真空包裝
濺射鍍膜和蒸發(fā)鍍膜的對(duì)比:
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,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應(yīng)用量最大的 PVD 鍍膜材料。 蒸發(fā)鍍膜簡單便利、操作方便、成膜速度快。從工藝制造角度上來看,蒸鍍材料的制造復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濺射靶材,蒸發(fā)鍍膜常用于小尺寸基板材料的鍍膜。
競爭格局
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(fā)光顯示器(EL)、場發(fā)射顯示器(FED)、有機(jī)發(fā)光二極管顯示器(OLED)以及在 LCD 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的觸控(TP)顯示產(chǎn)品。 其中,市場應(yīng)用以液晶顯示器為主。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)。
平板顯示行業(yè)主要在顯示面板和觸控屏面板兩個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用 PVD 鍍膜材料。其中,平板顯示面板的生產(chǎn)工藝中,玻璃基板要經(jīng)過多次濺射鍍膜形成 ITO 玻璃,然后再經(jīng)過鍍膜,加工組裝用于生產(chǎn) LCD 面板、PDP 面板及 OLED 面板等。觸控屏的生產(chǎn),則還需將 ITO 玻璃進(jìn)行加工處理、經(jīng)過鍍膜形成電極,再與防護(hù)屏等部件組裝加工而成。 此外,為了實(shí)現(xiàn)平板顯示產(chǎn)品的抗反射、消影等功能,還可以在鍍膜環(huán)節(jié)中增加相應(yīng)膜層的鍍膜。
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、韓國和美國所壟斷,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,目前市場上的蒸鍍?cè)O(shè)備由日、韓兩國壟斷。
PVD 鍍膜工藝起源于國外,在行業(yè)發(fā)展初期,鍍膜設(shè)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(shè)備、鍍膜工藝的長期磨合,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,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(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、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)致濺射靶材行業(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。
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