172nm e i campi di applicazione della tecnologia di placcatura ionica
1.1 Campi di applicazione della tecnologia di placcatura ionica
La tecnologia della placcatura ionica è strettamente correlata allo sviluppo della società umana e della vita quotidiana. I prodotti a film sottile preparati con la tecnologia potenziata al plasma- sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di visualizzazione delle informazioni come televisori, computer e telefoni cellulari, nonché in dispositivi a semiconduttore, dispositivi optoelettronici, dispositivi ottici, utilizzo dell'energia, indurimento superficiale dei materiali, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, resistenza all'ossidazione e in molti altri campi. Con la modernizzazione della difesa nazionale, lo sviluppo della produzione ad alta-tecnologia e il miglioramento degli standard di vita delle persone, vengono imposti requisiti di prestazioni più elevati ai prodotti a film sottile. Soprattutto nell’era futura del cloud computing, dell’economia intelligente e di Internet, molti dispositivi si stanno sviluppando verso la miniaturizzazione, l’integrazione e l’intelligenza, il che imporrà requisiti ancora più elevati sulla tecnologia di preparazione della pellicola sottile. Tra queste, la tecnologia di preparazione per pellicole ad alta-precisione presso il172 nmè diventato uno dei requisiti fondamentali per alcuni dispositivi-di fascia alta.
1.2 Nuovi requisiti della scienza e della tecnologia moderne per i prodotti a film sottile
Funzioni specialiI prodotti-di fascia alta richiedono che le parti abbiano varie funzioni superficiali speciali, come conversione fototermica, conversione fotoelettrica, conversione termoelettrica, immagazzinamento fotomagnetico, riflessione della luce, trasmissione della luce, filtraggio della luce, conduttività elettrica, isolamento, elevata durezza, elevata resistenza all'usura, basso attrito, ecc. Alcuni devono anche possedere caratteristiche decorative brillanti e colorate.
Diversificazione della composizionePer soddisfare i nuovi requisiti prestazionali dei prodotti high-tecnologici in diversi campi, la composizione dei film sottili si è evoluta da film metallici puri a una varietà di film composti inorganici e film organici polimerici. La Tabella 1-1 elenca vari materiali a film sottile e le loro gamme di applicazione che soddisfano le esigenze dei diversi settori odierni. Tra questi, i materiali in film composito compatibili con172 nmspecifiche dello spessore stanno registrando un aumento-per-anno della percentuale di applicazioni nei dispositivi elettronici di precisione.
Tabella 1-1 Vari materiali a film sottile e relativi campi di applicazione
| Categoria di applicazione | Materiali di rivestimento | Materiali del substrato | Gamma di applicazione |
|---|---|---|---|
| Elevata durezza, resistenza all'usura | TiN, ZrN, HfN, TaN, NbN, CrN, CBN, Si₃N₄, TiC, ZrC, Cr₇C₃, SiC, Ti(C,N), Ti(B,N), Ti(Al,N), -C₃N₄, diamante, ecc. | Acciaio rapido-, acciaio per stampi, carburo cementato, cermet, ecc. | Utensili di lavorazione, stampi, pezzi meccanici |
| Resistenza alle alte temperature, resistenza all'ossidazione | Al, W, Ti, Ta, Mo, Al₂O₃, Si₃N₄, Ni-Cr, BN, MCrAlY, ecc. | Acciaio inossidabile, leghe-resistenti al calore, rame, leghe di alluminio, ecc. | Pale di turbine, tubi di scarico, ugelli, componenti aerospaziali, componenti resistenti al calore-dell'energia atomica |
| Resistenza alla corrosione | TiN, TiC, Al₂O₃, Cd, Al, Ti, Cr, Cr₇C₃, Ni-Cr-Fe, Cr-Ni-P-B (amorfo), ecc. | Acciaio, acciaio inossidabile, metalli non-ferrosi e così via. | Protezione superficiale di aerei, navi, automobili, condutture chimiche, elementi di fissaggio |
| Abbellimento decorativo | TiN, TiC, TaN, TiAC, ZrN, Cr₇C₃, Al₂O₃, Al, Ag, Ti, Au, Cu, Ni, Cr, Ni-Re, TaN, Te-N, Al-TaSi, Ni-CrAl | Acciaio, ottone, alluminio, acciaio inossidabile, plastica, ceramica, vetro, fogli di carta, ecc. | Gioielli, orologi, lampade, occhiali, componenti hardware, accessori auto, parti elettriche |
| Film conduttivi | Au, Mo, W, MoSi₂, WSi₂, TaSi₂, Ti-Si, Ag-Si, Al, Ni, Al₂O₃, Au-Pb, ecc. | Wafer di silicio, ceramica, plastica, vetro, nastri in lega | Resistenze e conduttori a film sottile-, dispositivi a emissione di elettroni, dispositivi a tunnel, ecc. (compresi film conduttivi di precisione da 172 nm) |
| Film dielettrici | SiO₂, Al₂O₃, AlN, Al₂O₃-BaTiO₃, TiO₂, ZnO, AlN, LiNbO₂, ecc. | Wafer di silicio, ceramica, plastica, vetro | Passivazione superficiale, isolamento interstrato, condensatori, elementi elettrotermici, ecc. |
| Dispositivi microelettronici – pellicole a semiconduttore | Si, a-Si, Au-ZnS, GaAs, CdSe, CdS, PbS, InSb, Ge, Pb-Sn-Te, ecc. | Wafer di silicio, ceramica, plastica, vetro | Diodi emettitori di luce,-transistor a film sottile, dispositivi optoelettronici, dispositivi magnetoelettrici, sensori, ecc. |
| Film superconduttori | Pb-Bi-Pb-Au, Nb₃Ge, V₃Si, Pb-In-Au, PbO/In₂O₃ | - | Dispositivi superconduttori |
| Materiali magnetici e supporti di registrazione | -Fe₂O₃, Co-Ni, Co-Cr, MnBi, GdCo, GdFe, TbFe, Ni-Co-P, Co-Zr-Nb amorfo, Y₃Fe₅O₁₂, ecc. | Leghe, plastiche, ecc. | Registratori magnetici, testine magnetiche, dispositivi magnetoresistivi, dischi ottici, ecc. |
| Visualizza i filmati del dispositivo | ZnO, Y₂O₃, Ag, Cu, Al, SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, ecc. | Vetro, plastica, ecc. | Tubi fluorescenti, schermi al plasma, schermi a cristalli liquidi |
| Ottica e comunicazione ottica | Si₃N₄, Al, Ag, Au, TiO₂, ZnO, SnO₂, GdFe, TbFe, InAs, InSb, PbS, diamante, ecc. | Plastica, vetro, ceramica, ecc. | Pellicole protettive, riflettenti, anti-riflesso, interruttori ottici, conversione di frequenza, memoria ottica, sensori ottici, ecc. |
| Utilizzo dell'energia solare | Au-ZnS, Ag-ZnS, CdS-Cu₂S, SnO₂, ecc. | Acciaio inossidabile, plastica, vetro | Celle fotovoltaiche, pellicole conduttive trasparenti, ecc. |
| Lubrificazione, basso attrito | Au, Ag, Pb, Cu-Au, Pb-Sn, MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, MoS, MS₂, BN, MoS₂-grafite, Ag-MoS₂, DLC, ecc. | Leghe ad alta-temperatura, metalli strutturali, acciaio per cuscinetti, ecc. | Ultra-vuoto elevato, temperatura ambiente, temperatura ultra-bassa, cuscinetti di motori a reazione, cuscinetti satellitari, parti rotanti ad alta-temperatura aerospaziale |
| Confezione | Cr, Al, SiO₂, Al₂O₃, TiN, ecc. | Carta, plastica, metallo, ecc. | Metallizzazione dei materiali di imballaggio, protezione ad alta barriera |
Come mostrato nella Tabella 1-1, i materiali a film sottile sono diversi nella composizione, offrono una gamma completa di funzioni speciali e hanno ampi campi di applicazione, svolgendo un ruolo importante in tutti i settori dell’economia nazionale. Film funzionali con uno spessore di172 nm, grazie alla loro combinazione di precisione e stabilità, sono diventati una scelta importante nel campo della lavorazione di precisione.
Spessore del film su scala da nanometrica a micrometricaMan mano che i prodotti high-tecnologici diventano sempre più intelligenti e integrati, la densità di integrazione dei moderni dispositivi microelettronici continua ad aumentare. Ora è necessario integrare 1.000.000 di transistor per 1 mm² su un chip microelettronico. La dimensione dei componenti del transistor è estremamente ridotta e richiede che ogni strato funzionale sia sempre più sottile - solo a livello da nanometro a micrometro. Le larghezze delle linee dei conduttori dei chip hanno raggiunto i 5–7 nm e alcuni-dispositivi ad alta precisione hanno ottenuto una preparazione precisa delle pellicole funzionali al livello172 nmlivello, con lo sviluppo che ora si dirige verso i 3 nm. Ciò può essere ottenuto solo utilizzando la tecnologia dei circuiti integrati-a film sottile. Al momento, la tecnologia di placcatura ionica è la scelta ottimale per la preparazione di circuiti integrati a film sottile-.
Eccellente microstruttura del film e struttura cristallinaPer produrre prodotti a film sottile con prestazioni eccellenti, il film deve possedere una microstruttura e una struttura cristallina superiori. A seconda dell'applicazione, potrebbe essere necessario che i film abbiano strutture mono-cristalline, policristalline o amorfe, nonché microstrutture su nanoscala dense, colonnari o multistrato-. Tra questi,172 nmnanofilm multistrato spessi mostrano un'eccellente stabilità strutturale e costanza delle prestazioni nei dispositivi optoelettronici.
Pellicola ad alta densità e priva di difetti-Man mano che i prodotti high-tecnologici si spostano verso design più leggeri, più piccoli, più sottili, più fini, più integrati e più intelligenti, le pellicole devono essere estremamente dense e prive di difetti.
Elevata adesione del film-al substratoNon esiste alcun legame metallurgico tra la pellicola e il substrato - solo uno "strato aderente" - pertanto, più piccolo e sottile è il dispositivo, maggiore è l'adesione richiesta tra la pellicola e il substrato. È richiesta un'elevata adesione anche per i rivestimenti duri su utensili e matrici.
1.3 Tipi di tecnologie di rivestimento
1.3.1 Tecnologie iniziali di preparazione del film sottile
La tecnologia per ottenere film sottili solidi ha una lunga storia, inizialmente si basava principalmente sull'energia termica e successivamente si è evoluta verso tecnologie potenziate dal plasma-.
Tecnologia di rivestimento per evaporazione sotto vuotoQuesta tecnologia utilizza una fonte di calore per evaporare un materiale solido, consentendo agli atomi di vapore di essere trasportati in alto vuoto e depositarsi sulla superficie del substrato per formare una pellicola. Appartiene alla categoria della deposizione fisica da fase vapore (PVD) e può realizzare una preparazione preliminare172 nmfilm di -livello.
Tecnologia di deposizione chimica in fase vapore (CVD).Questa tecnologia utilizza l'energia termica per decomporre termicamente i gas inorganici introdotti in atomi attivi, che poi reagiscono chimicamente sulla superficie di un substrato riscaldato per depositare una pellicola.
Tecnologia di polimerizzazione organica dei polimeriI gas monomerici organici polimerizzano in polimeri ad alto peso-molecolare-ad alta temperatura, alta pressione e sotto l'azione di un iniziatore.
1.3.2 Tecnologia di placcatura ionica
Dal 1963, quando lo scienziato americano DM Mattox introdusse la scarica di gas nel rivestimento di evaporazione, sono emerse numerose tecnologie di placcatura ionica che utilizzano vari metodi di scarica di gas per ottenere particelle di pellicola ad alte-prestazioni. La tecnologia si è evoluta dal rivestimento potenziato con plasma-utilizzando fonti solide all'utilizzo di fonti gassose, con fonti gassose che si espandono dai gas inerti e dai gas composti inorganici ai gas organici. Sono apparse molte nuove tecniche e processi di rivestimento che utilizzano abilmente campi elettrici, campi magnetici e scariche ad arco per eccitare e potenziare il plasma, fornendo ai ricercatori sui film sottili diversi mezzi per preparare film sottili con funzioni speciali-richiesti in vari campi. Tra questi, la preparazione ad alta-precisione172 nmLe pellicole a livello -sono diventate un'importante direzione applicativa di questa tecnologia.
Il concetto di placcatura ionica si è esteso dalla placcatura ionica di tipo evaporazione- a un campo più ampio. Viene ora chiamata qualsiasi tecnologia di rivestimento che utilizza l'energia del plasma durante la scarica del gastecnologia di placcatura ionica. La moderna tecnologia di placcatura ionica comprende la placcatura ionica di tipo evaporazione-, la placcatura ionica sputtering con magnetron, la placcatura ionica con scarica ad arco all'interno del PVD, nonché la deposizione di vapori chimici potenziata dal plasma-e la polimerizzazione potenziata dal plasma-e può essere classificata in tre categorie principali:
Plasma-Deposizione fisica in fase vapore migliorata (PEPVD)
Plasma-Deposizione chimica in fase vapore migliorata (PECVD)
Plasma-Polimerizzazione avanzata (PEP)
Tabella 1-2 Varie moderne tecnologie di placcatura ionica e loro caratteristiche
| Tecnologia di rivestimento | Tipo di tecnologia | Sorgente di particelle di pellicola | Tipo di scarico | Tecnologia di scarico | Meccanismo di reazione |
|---|---|---|---|---|---|
| Placcatura ionica di tipo-evaporazione | PEPVD | Evaporazione termica | Scarica a incandescenza/arco | Bagliore DC, bagliore RF, arco a filamento caldo, arco a catodo freddo | Ioni metallici + atomi ad alta-energia → sintesi di film di nuova struttura (può preparare film da 172 nm) |
| Placcatura ionica sputtering magnetron | PEPVD | Sputtering del catodo | Scarica a incandescenza | Bagliore DC, bagliore RF, bagliore a microonde | Ioni metallici + atomi ad alta-energia → sintesi di film di nuova struttura |
| Deposizione di vapori chimici potenziata dal plasma- | PECVD | Gas inorganico | Scarica a incandescenza/arco | Bagliore CC, bagliore RF, bagliore a microonde, arco a filamento caldo | Ioni di gas inorganici + radicali attivi ad alta-energia → sintesi di nuovi film strutturali |
| Polimerizzazione potenziata dal plasma- | PEP | Gas monomerico organico | Bagliore/arco/scarica a corona | Bagliore DC, bagliore RF, bagliore a microonde, scarica corona | Monomeri organici + gruppi attivi → polimerizzazione al plasma in film polimerici |
Punti chiave riepilogati dalla Tabella 1-2:
Tutte le moderne tecnologie di placcatura ionica vengono eseguite in varie scariche di gas.
Le particelle del film PEPVD provengono dall'evaporazione o dallo sputtering di materiali solidi; Le particelle PECVD provengono da gas inorganici; Le particelle PEP provengono direttamente dai gas organici introdotti.
Le modalità di scarica includono la scarica a bagliore e la scarica ad arco, con le tecnologie PEPVD, PECVD e PEP che tendono tutte verso la scarica ad arco.
La polimerizzazione potenziata dal plasma- è una tecnologia emersa negli ultimi anni.
Il plasma è il quarto stato della materia, possiede un'energia di diversi ordini di grandezza superiore a quella dei solidi, dei liquidi e dei gas. La tecnologia di polimerizzazione potenziata al plasma-che utilizza l'energia del plasma per produrre polimeri ad alto-peso molecolare-è stata ampiamente applicata nella preparazione di moderni prodotti organici a film sottile di fascia alta-.
Grazie allo sviluppo di varie nuove tecnologie e processi di rivestimento potenziati dall'-energia-del plasma, negli ultimi anni sono state sviluppate generazioni di materiali a film sottile con funzioni speciali-superiori - urgentemente necessari in campi quali circuiti integrati a semiconduttori, dispositivi di visualizzazione delle informazioni, pellicole ottiche, pellicole conduttive, pellicole isolanti, materiali medici e pellicole barriera - creando un enorme valore economico. In particolare, la tecnologia di preparazione scalabile per172 nm-le pellicole funzionali di livello hanno fortemente guidato il rapido sviluppo del settore dell'elettronica di precisione.
