PVD镀膜材料主要用以制备各种具有特定功能的薄膜材料,应用领域包括平板显示、半导体、太阳能电池、光磁记录媒体、光学元器件、节能玻璃、LED、工具改性、高档装饰用品等。
(1)薄膜材料制备技术概述
薄膜材料生长于基板材料(如屏显玻璃、光学玻璃等)之上,一般由金属、非金属、合金或化合物等材料经过镀膜后形成,具有增透、吸收、截止、分光、反射、滤光、干涉、保护、防水防污、防静电、导电、导磁、绝缘、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、装饰和复合等功能,并能够提高产品质量、环保、节能、延长产品寿命、改善原有性能等。
目前,薄膜材料制备技术主要包括:
物理气相沉积(PVD)技术和化学气相沉积(CVD)技术。
①PVD技术
PVD技术是制备薄膜材料的主要技术之一,指在真空条件下采用物理方法,将某种物质表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基板材料表面沉积具有某种特殊功能的薄膜材料的技术。在PVD技术下,用于制备薄膜材料的物质,统称为PVD镀膜材料。
经过多年发展,PVD技术已成为目前主流镀膜方法,主要包括溅射镀膜和真空蒸发镀膜。
A、溅射镀膜
溅射镀膜是指利用离子源产生的离子,在真空中经过加速聚集,而形成高速度的离子束流,轰击固体表面,离子和固体表面原子发生动能交换,使固体表面的原子离开固体并沉积在基板材料表面的技术。被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜材料的原材料,称为溅射靶材。
一般来说,溅射靶材主要由靶坯、背板(或背管)等部分构成,其中,靶坯是高速离子束流轰击的目标材料,属于溅射靶材的核心部分,在溅射镀膜过程中,靶坯被离子撞击后,其表面原子被溅射飞散出来并沉积于基板上制成薄膜材料;由于溅射靶材需要安装在专用的设备内完成溅射过程,设备内部为高电压、高真空的工作环境,多数靶坯的材质较软或者高脆性,不适合直接安装在设备内使用,因此,需与背板(或背管)绑定,背板(或背管)主要起到固定溅射靶材的作用,且具备良好的导电、导热性能。
溅射镀膜的基本原理如下:
溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制,可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜,所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点,已成为制备薄膜材料的主要技术之一,各种类型的溅射薄膜材料已得到广泛的应用,因此,对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求逐年增加,溅射靶材亦已成为目前市场应用量最大的PVD镀膜材料。
溅射靶材的种类较多,即使相同材质的溅射靶材也有不同的规格。按照不同的分类方法,可将溅射靶材分为不同的类别,主要分类情况如下:
B、真空蒸发镀膜
真空蒸发镀膜是指在真空条件下,利用膜材加热装置(称为蒸发源)的热能,通过加热蒸发某种物质使其沉积在基板材料表面的一种沉积技术。被蒸发的物质是用真空蒸发镀膜法沉积薄膜材料的原材料,称之为蒸镀材料。
真空蒸发镀膜系统一般由三个部分组成:真空室、蒸发源或蒸发加热装置、放置基板及给基板加热装置。在真空中为了蒸发待沉积的材料,需要容器来支撑或盛装蒸发物,同时需要提供蒸发热使蒸发物达到足够高的温度以产生所需的蒸汽压。
真空蒸发镀膜的基本原理如下:
真空蒸发镀膜技术具有简单便利、操作方便、成膜速度快等特点,是应用广泛的镀膜技术,主要应用于小尺寸基板材料的镀膜。
②CVD技术
CVD技术是在高温下依靠化学反应、把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室,在衬底表面发生化学反应生成薄膜材料的技术。
2、主要PVD镀膜材料
(1)溅射靶材
溅射靶材是高速荷能粒子轰击的目标材料,具有高纯度、高密度、多组元、晶粒均匀等特点,一般由靶坯和背板(或背管)组成。按使用的原材料材质不同,溅射靶材可分为金属/非金属单质靶材、合金靶材、化合物靶材等。
具有代表性的溅射靶材产品如下:
溅射靶材应用于平板显示、光学元器件、节能玻璃、半导体、太阳能电池等行业。代表性的溅射靶材图示如下:
合金靶材:
(2)蒸镀材料
采用不同的原材料、配方及工艺,迄今已研发出数百种蒸镀材料,部分主要产品说明如下:
蒸镀材料应用领域包括光学元器件、LED、平板显示和半导体分立器等。具有代表性的蒸镀材料图示如下:
主要产品工艺流程
1、溅射靶材工艺流程
其中,主要工序的具体含义如下:
粉末冶炼:对原料粉末进行前期的气氛烧结,对原料粉末中气体含量进行控制。
粉末混合:靶材有着独特的配方,需精确的控制各组分的含量,并严格限制杂质含量,在粉末冶金的过程中,需要将各元素充分混合均匀,粒度分布均匀,防止污染,并要通过特殊工艺手段制备成混合型复合粉。
压制成型:采用粉末冶金工艺制备的靶材需要对粉体材料进行预压,使之成为中等密度生坯,其密度的均匀性和内部的缺陷影响着后期高温烧结的成品率。
气氛烧结:预压成型的生坯需要再经过一次或多次的高温烧结,根据不同材料选择不同的烧结温度曲线,并选择不同的烧结环境,如烧结气氛、烧结压力等,从而制备成高密度的靶坯。
塑性加工:金属坯锭需经过大幅度的塑性变形,以获得足够的长宽厚度尺寸,并使得内部晶粒进行足够的拉伸变形,从而在内部产生足够多的位错。热处理:金属坯锭在经过大幅度的塑形变形后,根据不同的材料的特性选择热处理工艺,从而使金属材料发生重结晶,去除材料内应力。
超声探伤:靶坯加工完后需要采用超声波进行检查材料内部是否有缺陷,靶坯与背板绑定完成后,需要采用水浸式超声波扫描仪进行粘结层的检测,检验粘结面积是否达标。
机械加工:靶坯需要进行精密的机械成型加工,用于与靶坯复合使用的背板,由于承担与镀膜设备精确配合、承受高压水冷等作用,需要具备极高的尺寸精度与机械强度,加工难度较高,尤其是带内循环水路的背板,由于材质的特殊性,水路的密闭焊接非常困难,需要用到特种焊接工艺。
金属化:靶坯与背板在绑定之前,为增强靶材和靶材与焊料的金属润湿性能,需要进行焊合面的预处理,使之表面镀上一层过渡层。
绑定:大部分靶材由于材料的物理或者化学性能受限,不可直接装机镀膜使用,需要采用金属焊料将靶坯与背板相互焊合连接,并且表面有效粘结率需要达到大于95%的大面积焊合,整个过程需要在高温和高压下进行。
2、蒸镀材料工艺流程
其中,主要工序的具体含义如下:
混料:指配制好的原料经过机械混合达到均匀分散的加工工艺过程,是材料加工中最重要的生产工艺之一。
原料预处理:指将混和好的原料进行常温或高温处理,提高材料的纯度,细化颗粒的粒度,激发材料的反应活性,降低材料烧结温度。
成型:指将材料经过机械方式达到所需规格的加工工艺工程,是材料加工中最重要的生产工艺之一。
烧结:指材料在高温下,陶瓷生坯固体颗粒的相互键联,晶粒长大,空隙(气孔)和晶界渐趋减少,通过物质的传递,其总体积收缩,密度增加,最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体的过程,是材料加工中最重要的生产工艺之一。烧结方式主要有常压高温烧结、真空烧结、热压烧结、气氛烧结等。
镀膜检测:是在蒸镀材料生产完后,采用蒸发镀膜设备对材料的性能进行检测,检查产品性能指标是否合格,是材料性能检测中重要的检测手段。
PVD镀膜材料行业上下游产业链
PVD镀膜材料产业链上下游关系如下:
年全球高纯溅射靶材市场规模约为.6亿美元,其中平板显示(含触控屏)用靶材为38.1亿美元、半导体用靶材11.9亿美元、太阳能电池用靶材23.4亿美元、记录媒体靶材33.5亿美元。到年,全球高纯溅射靶材市场规模将超过亿美元,年复合增长率达13%。
PVD镀膜材料下游应用行业概况
1、平板显示行业
(1)PVD镀膜材料在平板显示行业的应用平板显示器主要包括液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、有机发光二极管显示器(OLED)等,以及在LCD基础上发展起来的触控(TP)显示产品。
镀膜是现代平板显示产业的基础环节,为保证大面积膜层的均匀性,提高生产率和降低成本,几乎所有类型的平板显示器件都会使用大量的镀膜材料来形成各类功能薄膜,其所使用的PVD镀膜材料主要为溅射靶材,平板显示器的很多性能如分辨率、透光率等都与溅射薄膜的性能密切相关。平板显示镀膜用溅射靶材主要品种有:钼靶、铝靶、铝合金靶、铬靶、铜靶、铜合金靶、硅靶、钛靶、铌靶和氧化铟锡(ITO)靶材等。
平板显示行业主要在显示面板和触控屏面板两个产品生产环节使用PVD镀膜材料。其中,平板显示面板的生产工艺中,玻璃基板要经过多次溅射镀膜形成ITO玻璃,然后再经过镀膜,加工组装用于生产LCD面板、PDP面板及OLED面板等。触控屏的生产,则还需将ITO玻璃进行加工处理、经过镀膜形成电极,再与防护屏等部件组装加工而成。此外,为了实现平板显示产品的抗反射、消影等功能,还可以在镀膜环节中增加相应膜层的镀膜。
平板显示器具有厚度薄、重量轻、低能耗、低辐射、无闪烁、寿命长等特点,符合人们对轻巧便携和节能环保的要求,已成为显示屏行业的主流。特别是液晶显示器中的薄膜场效应晶体液晶显示器(TFT-LCD)因具有画质优、对比度高、响应速度快等特点,被广泛应用于平板电视、手机、平板电脑、笔记本电脑等消费类电子产品,是目前主流平板显示产品。TFT-LCD生产过程中,溅射靶材主要用于薄膜晶体管(TFT)和彩色滤光片(CF)的制备。
(2)平板显示市场概述
近年来,随着消费者对大尺寸LCD电视的需求扩大、5寸以上智能手机需求的快速成长、车载显示需求扩大以及平板电脑屏幕尺寸放大,推动了平板显示行业整体需求面积的增长。以下重点对LCD面板市场和触控屏市场进行阐述:
①LCD面板市场
近年来,全球平板显示行业保持持续增长态势,国际研究机构IHSMarkit
《显示器供需与设备跟踪》数据显示,大尺寸平板显示器需求在-年间预计会每年增长5%-6%。
年以来,随着国内外平板显示厂商纷纷在中国大陆建立生产基地,以及*府*策导向和产业扶植下,我国平板显示产业迅速发展,全球平板显示产业重心逐渐向中国大陆转移,我国成为全球主要LCD面板生产大国,并相继形了以京东方、华星光电、深天马等为代表的市场影响力较大的LCD面板本土品牌。我国显示产业在“十二五”期间快速发展,生产线从7条增长到22条,面板出货面积近4,万平方米,全球出货量市场占有率从3.9%提升到22%,居全球第三。2根据群智咨询统计数据,年中国大陆面板厂产能不断扩张,出货同比增长51.3%,市场占有率快速提升,其中京东方出货量比年增长.1%,市场占有率达到13.1%,提升7.3个百分点,排名跃居全球第四;华星光电市场占有率则达到9.5%,排名全球第六。随着京东方及其他中国显示面板厂商在全球面板供应市场份额上升,IHS预计,到年中国将成为全球最大的平板显示器件供应国,全球市场占有率将达到35%LCD面板市场最大的需求来自电视,LCD电视已经发展成为市场的主流产品。目前,LCD电视正向高清化、大屏化、网络化方面发展,甚至一些互联网厂商跨界进入LCD电视市场。前些年全球LCD电视消费量快速提高,近年来增速有所放缓,但总体保持平稳。作为全球最大的LCD电视生产国之一,我国LCD电视出货量变化趋势与全球基本同步。根据工信部运行监测协调局数据,年我国LCD电视出货量为13,.9万台,同比增长13.3%,占当年出货量的92.9%,已成为我国市场主导,PDP电视占比为1.47%,CRT电视基本退出,OLED等新型显示技术的电视产品逐渐受到消费者的