172nm và các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ mạ ion
1.1 Lĩnh vực ứng dụng của công nghệ mạ ion
Công nghệ mạ ion gắn liền với sự phát triển của xã hội loài người và đời sống hàng ngày. Các sản phẩm màng mỏng được điều chế bằng công nghệ tăng cường plasma-được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hiển thị thông tin như tivi, máy tính và điện thoại di động cũng như trong các thiết bị bán dẫn, thiết bị quang điện tử, thiết bị quang học, sử dụng năng lượng, làm cứng bề mặt vật liệu, chống mài mòn, chống ăn mòn, chống oxy hóa và nhiều lĩnh vực khác. Với quá trình hiện đại hóa quốc phòng, phát triển ngành sản xuất công nghệ cao-và cải thiện mức sống của người dân, các yêu cầu về hiệu suất cao hơn đang được đặt ra đối với các sản phẩm màng mỏng. Đặc biệt trong kỷ nguyên tương lai của điện toán đám mây, nền kinh tế thông minh và Internet, nhiều thiết bị đang phát triển theo hướng thu nhỏ, tích hợp và trí tuệ, điều này sẽ đặt ra những yêu cầu cao hơn nữa đối với công nghệ chuẩn bị màng mỏng. Trong số này, công nghệ chuẩn bị cho phim có độ chính xác-cao ở172nmcấp độ đã trở thành một trong những yêu cầu cốt lõi đối với một số-thiết bị cao cấp nhất định.
1.2 Yêu cầu mới của khoa học công nghệ hiện đại đối với sản phẩm màng mỏng
Chức năng đặc biệt-Các sản phẩm cao cấp yêu cầu các bộ phận có nhiều chức năng bề mặt đặc biệt, chẳng hạn như chuyển đổi quang nhiệt, chuyển đổi quang điện, chuyển đổi nhiệt điện, lưu trữ quang từ, phản xạ ánh sáng, truyền ánh sáng, lọc ánh sáng, dẫn điện, cách điện, độ cứng cao, khả năng chống mài mòn cao, ma sát thấp, v.v. Một số cũng cần sở hữu các đặc tính trang trí rực rỡ và đầy màu sắc.
Đa dạng hóa thành phầnĐể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất mới của các sản phẩm công nghệ cao-trong các lĩnh vực khác nhau, thành phần của màng mỏng đã phát triển từ màng kim loại nguyên chất đến nhiều loại màng hợp chất vô cơ và màng hữu cơ polyme. Bảng 1-1 liệt kê các loại vật liệu màng mỏng khác nhau và phạm vi ứng dụng của chúng đáp ứng nhu cầu của các lĩnh vực khác nhau hiện nay. Trong số đó, vật liệu màng composite tương thích với172nmđặc điểm kỹ thuật về độ dày đang chứng kiến tỷ lệ ứng dụng trong các thiết bị điện tử chính xác tăng-theo-năm.
Bảng 1-1 Các loại vật liệu màng mỏng khác nhau và phạm vi ứng dụng của chúng
| Danh mục ứng dụng | Vật liệu phủ | Vật liệu nền | Phạm vi ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Độ cứng cao, chống mài mòn | TiN, ZrN, HfN, TaN, NbN, CrN, CBN, Si₃N₄, TiC, ZrC, Cr₇C₃, SiC, Ti(C,N), Ti(B,N), Ti(Al,N), -C₃N₄, kim cương, v.v. | -Thép tốc độ cao, thép khuôn, cacbua xi măng, gốm kim loại, v.v. | Gia công dụng cụ, khuôn mẫu, chi tiết cơ khí |
| Chịu nhiệt độ cao, chống oxy hóa | Al, W, Ti, Ta, Mo, Al₂O₃, Si₃N₄, Ni-Cr, BN, MCrAlY, v.v. | Thép không gỉ, hợp kim chịu nhiệt{0}}, đồng, hợp kim nhôm, v.v. | Cánh tuabin, ống xả, vòi phun, bộ phận hàng không vũ trụ, bộ phận chịu nhiệt-năng lượng nguyên tử |
| Chống ăn mòn | TiN, TiC, Al₂O₃, Cd, Al, Ti, Cr, Cr₇C₃, Ni-Cr-Fe, Cr-Ni-P-B (vô định hình), v.v. | Thép, thép không gỉ, kim loại màu-, v.v. | Máy bay, tàu thủy, ô tô, đường ống hóa chất, ốc vít bảo vệ bề mặt |
| làm đẹp trang trí | TiN, TiC, TaN, TiAC, ZrN, Cr₇C₃, Al₂O₃, Al, Ag, Ti, Au, Cu, Ni, Cr, Ni-Re, TaN, Te-N, Al-TaSi, Ni-CrAl | Thép, đồng thau, nhôm, thép không gỉ, nhựa, gốm sứ, thủy tinh, giấy bạc, v.v. | Đồ trang sức, đồng hồ, đèn, kính, bộ phận phần cứng, phụ kiện ô tô, bộ phận điện |
| Phim dẫn điện | Au, Mo, W, MoSi₂, WSi₂, TaSi₂, Ti-Si, Ag-Si, Al, Ni, Al₂O₃, Au-Pb, v.v. | Tấm silicon, gốm sứ, nhựa, thủy tinh, dải hợp kim | Điện trở và dây dẫn màng mỏng-, thiết bị phát xạ điện tử, thiết bị đường hầm, v.v. (bao gồm cả màng dẫn điện chính xác 172 nm) |
| Phim điện môi | SiO₂, Al₂O₃, AlN, Al₂O₃-BaTiO₃, TiO₂, ZnO, AlN, LiNbO₂, v.v. | Tấm silicon, gốm sứ, nhựa, thủy tinh | Thụ động bề mặt, cách điện giữa các lớp, tụ điện, các phần tử nhiệt điện, v.v. |
| Thiết bị vi điện tử – màng bán dẫn | Si, a-Si, Au-ZnS, GaAs, CdSe, CdS, PbS, InSb, Ge, Pb-Sn-Te, v.v. | Tấm silicon, gốm sứ, nhựa, thủy tinh | Điốt-phát sáng, bóng bán dẫn màng-mỏng, thiết bị quang điện tử, thiết bị điện từ, cảm biến, v.v. |
| Phim siêu dẫn | Pb-Bi-Pb-Au, Nb₃Ge, V₃Si, Pb-Trong-Au, PbO/In₂O₃ | - | Thiết bị siêu dẫn |
| Vật liệu từ tính và phương tiện ghi | -Fe₂O₃, Co-Ni, Co-Cr, MnBi, GdCo, GdFe, TbFe, Ni-Co-P, Co-Zr-Nb vô định hình, Y₃Fe₅O₁₂, v.v. | Hợp kim, nhựa, vv. | Ghi từ, đầu từ, thiết bị từ trở, đĩa quang, v.v. |
| Phim thiết bị hiển thị | ZnO, Y₂O₃, Ag, Cu, Al, SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, v.v. | Thủy tinh, nhựa, vv. | Ống huỳnh quang, màn hình plasma, màn hình tinh thể lỏng |
| Quang học và truyền thông quang học | Si₃N₄, Al, Ag, Au, TiO₂, ZnO, SnO₂, GdFe, TbFe, InAs, InSb, PbS, kim cương, v.v. | Nhựa, thủy tinh, gốm sứ, v.v. | Phim bảo vệ, phản chiếu, chống{0}}phản chiếu, công tắc quang, chuyển đổi tần số, bộ nhớ quang, cảm biến quang, v.v. |
| Sử dụng năng lượng mặt trời | Au-ZnS, Ag-ZnS, CdS-Cu₂S, SnO₂, v.v. | Thép không gỉ, nhựa, thủy tinh | Tế bào quang điện, màng dẫn điện trong suốt, v.v. |
| Bôi trơn, ma sát thấp | Au, Ag, Pb, Cu-Au, Pb-Sn, MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, MoS, MS₂, BN, MoS₂-graphit, Ag-MoS₂, DLC, v.v. | Hợp kim-nhiệt độ cao, kim loại kết cấu, thép chịu lực, v.v. | Chân không-cực cao, nhiệt độ phòng, nhiệt độ cực-thấp, vòng bi động cơ phản lực, vòng bi vệ tinh, bộ phận quay nhiệt độ cao-trong ngành hàng không vũ trụ |
| Bao bì | Cr, Al, SiO₂, Al₂O₃, TiN, v.v. | Giấy, nhựa, kim loại, v.v. | Kim loại hóa vật liệu đóng gói, bảo vệ rào cản cao |
Như trình bày trong Bảng 1-1, vật liệu màng mỏng rất đa dạng về thành phần, có đầy đủ các chức năng đặc biệt và có lĩnh vực ứng dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Màng chức năng có độ dày172nm, nhờ sự kết hợp giữa độ chính xác và độ ổn định, đã trở thành một lựa chọn quan trọng trong lĩnh vực sản xuất chính xác.
Độ dày màng ở thang đo nanomet đến micrometKhi-các sản phẩm công nghệ cao ngày càng trở nên thông minh và tích hợp, mật độ tích hợp của các thiết bị vi điện tử hiện đại tiếp tục tăng lên. Hiện nay cần phải tích hợp 1.000.000 bóng bán dẫn trên 1 mm2 trên một con chip vi điện tử. Kích thước của các thành phần bóng bán dẫn cực kỳ nhỏ, đòi hỏi mỗi lớp chức năng phải ngày càng mỏng hơn - ở cấp độ nanomet đến micromet. Độ rộng đường dẫn của chip đã đạt tới 5–7 nm và một số thiết bị{11}}có độ chính xác cao đã đạt được sự chuẩn bị chính xác cho các màng chức năng ở mức172nmmức độ, với sự phát triển hiện đang hướng tới 3 nm. Điều này chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng công nghệ mạch tích hợp màng mỏng. Hiện nay, công nghệ mạ ion là lựa chọn tối ưu để chế tạo các mạch tích hợp màng mỏng.
Cấu trúc vi mô màng và cấu trúc tinh thể tuyệt vờiĐể tạo ra các sản phẩm màng mỏng có hiệu suất vượt trội, màng phải có cấu trúc vi mô và cấu trúc tinh thể vượt trội. Tùy thuộc vào ứng dụng, màng có thể được yêu cầu phải có cấu trúc-tinh thể, đa tinh thể hoặc vô định hình, cũng như các cấu trúc vi mô nano{2}} dày đặc, dạng cột hoặc đa lớp. Trong số này,172nmmàng nano nhiều lớp dày thể hiện sự ổn định cấu trúc tuyệt vời và tính nhất quán hiệu suất trong các thiết bị quang điện tử.
Phim có mật độ cao và{0}}không có khuyết tậtKhi các sản phẩm công nghệ cao- hướng tới các thiết kế nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng hơn, mịn hơn, tích hợp hơn và thông minh hơn thì màng phải cực kỳ dày đặc và không có khuyết tật.
Độ bám dính trên nền-màng caoKhông có liên kết luyện kim giữa màng và chất nền - chỉ có một "lớp dính" - do đó, thiết bị càng nhỏ và mỏng thì độ bám dính cần thiết giữa màng và chất nền càng cao. Độ bám dính cao cũng cần thiết cho lớp phủ cứng trên dụng cụ và khuôn dập.
1.3 Các loại công nghệ phủ
1.3.1 Công nghệ chuẩn bị màng mỏng sớm
Công nghệ tạo ra màng mỏng rắn có lịch sử lâu đời, ban đầu chủ yếu dựa vào năng lượng nhiệt và sau đó phát triển sang các công nghệ-tăng cường plasma.
Công nghệ phủ bay hơi chân khôngCông nghệ này sử dụng nguồn nhiệt để làm bay hơi vật liệu rắn, cho phép các nguyên tử hơi vận chuyển trong chân không cao và lắng đọng trên bề mặt đế tạo thành màng. Nó thuộc loại lắng đọng hơi vật lý (PVD) và có thể đạt được sự chuẩn bị sơ bộ172nm-phim cấp độ.
Công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD)Công nghệ này sử dụng năng lượng nhiệt để phân hủy nhiệt các khí vô cơ được đưa vào thành các nguyên tử hoạt động, sau đó phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền được nung nóng để tạo thành màng.
Công nghệ trùng hợp hữu cơ polymeKhí monome hữu cơ polyme hóa thành các polyme có trọng lượng-phân tử{1}}cao dưới nhiệt độ cao, áp suất cao và tác động của chất xúc tác.
1.3.2 Công nghệ mạ ion
Kể từ năm 1963, khi nhà khoa học người Mỹ DM Mattox đưa phương pháp phóng khí vào lớp phủ bay hơi, nhiều công nghệ mạ ion sử dụng nhiều phương pháp phóng khí khác nhau để thu được-các hạt màng hiệu suất cao đã xuất hiện. Công nghệ này đã phát triển từ lớp phủ tăng cường-plasma sử dụng nguồn rắn sang sử dụng nguồn khí, với nguồn khí mở rộng từ khí trơ và khí hợp chất vô cơ sang khí hữu cơ. Nhiều kỹ thuật và quy trình phủ mới sử dụng khéo léo điện trường, từ trường và phóng điện hồ quang để kích thích và tăng cường plasma đã xuất hiện, cung cấp cho các nhà nghiên cứu màng mỏng những phương tiện đa dạng để chuẩn bị các màng mỏng có chức năng đặc biệt cần thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong số này, việc chuẩn bị-độ chính xác cao172nm-phim cấp độ đã trở thành một hướng ứng dụng quan trọng của công nghệ này.
Khái niệm mạ ion đã mở rộng từ mạ ion-loại bay hơi sang một lĩnh vực rộng hơn. Bất kỳ công nghệ phủ nào sử dụng năng lượng plasma trong quá trình phóng khí hiện nay đều được gọi làcông nghệ mạ ion. Công nghệ mạ ion hiện đại bao gồm mạ ion loại-bay hơi, mạ ion phún xạ từ, mạ ion phóng hồ quang trong PVD, cũng như quá trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường-plasma và quá trình trùng hợp tăng cường plasma-, và có thể được phân thành ba loại chính:
Huyết tương-Lắng đọng hơi vật lý nâng cao (PEPVD)
Huyết tương-Lắng đọng hơi hóa học tăng cường (PECVD)
Huyết tương-Polymer hóa nâng cao (PEP)
Bảng 1-2 Các công nghệ mạ ion hiện đại khác nhau và đặc điểm của chúng
| Công nghệ sơn | Loại công nghệ | Nguồn hạt phim | Loại xả | Công nghệ xả | Cơ chế phản ứng |
|---|---|---|---|---|---|
| Lớp mạ ion-bay hơi | PEPVD | Sự bay hơi nhiệt | Phóng điện phát sáng/hồ quang | Ánh sáng DC, ánh sáng RF, hồ quang dây tóc nóng, hồ quang cathode lạnh | Ion kim loại + nguyên tử năng lượng-cao → tổng hợp màng cấu trúc mới (có thể chuẩn bị màng 172 nm) |
| Mạ ion phún xạ Magnetron | PEPVD | phún xạ catot | Xả phát sáng | Phát sáng DC, phát sáng RF, phát sáng vi sóng | Ion kim loại + nguyên tử-năng lượng cao → tổng hợp màng cấu trúc mới |
| Sự lắng đọng hơi hóa học tăng cường-của plasma | PECVD | Khí vô cơ | Phóng điện phát sáng/hồ quang | Phát sáng DC, phát sáng RF, phát sáng vi sóng, hồ quang dây tóc nóng | Các ion khí vô cơ + các gốc hoạt động năng lượng-cao → tổng hợp các màng cấu trúc mới |
| Quá trình trùng hợp tăng cường-huyết tương | PEP | Khí monome hữu cơ | Phóng điện phát sáng/hồ quang/corona | Ánh sáng DC, ánh sáng RF, ánh sáng vi sóng, phóng điện vầng quang | Monome hữu cơ + nhóm hoạt động → trùng hợp huyết tương thành màng polymer |
Những điểm chính được tóm tắt từ Bảng 1-2:
Tất cả các công nghệ mạ ion hiện đại đều được thực hiện ở nhiều loại khí thải khác nhau.
Các hạt màng PEPVD đến từ sự bay hơi hoặc phún xạ của vật liệu rắn; Các hạt PECVD có nguồn gốc từ khí vô cơ; Các hạt PEP đến trực tiếp từ khí hữu cơ được đưa vào.
Các chế độ phóng điện bao gồm phóng điện phát sáng và phóng điện hồ quang, với các công nghệ PEPVD, PECVD và PEP đều có xu hướng phóng điện hồ quang.
Quá trình trùng hợp tăng cường-huyết tương là một công nghệ mới xuất hiện trong những năm gần đây.
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, sở hữu năng lượng cao hơn nhiều bậc so với chất rắn, chất lỏng và chất khí. Công nghệ trùng hợp-tăng cường plasma sử dụng năng lượng plasma để tạo ra các polyme có trọng lượng-phân tử-cao đã được áp dụng rộng rãi trong quá trình điều chế các sản phẩm màng mỏng hữu cơ cao cấp-hiện đại.
Nhờ sự phát triển của nhiều công nghệ và quy trình phủ tăng cường-năng lượng{1}} plasma mới, trong những năm gần đây, các thế hệ vật liệu màng mỏng có chức năng-đặc biệt vượt trội đã được phát triển - rất cần thiết trong các lĩnh vực như mạch tích hợp bán dẫn, thiết bị hiển thị thông tin, màng quang học, màng dẫn điện, màng cách điện, vật liệu y tế và màng chắn - tạo ra giá trị kinh tế to lớn. Đặc biệt, công nghệ chuẩn bị có thể mở rộng cho172nm-phim chức năng cấp độ đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển nhanh chóng của ngành điện tử chính xác.
