Sputtering Helburu Industriaren Garapen Egoera eta Etorkizuneko Joerak

(I) Sputtering Helburu Industriaren Oinarrizko Ikuspegi Orokorra

1. Film meheen prestaketa teknologiaren garapen historia

Film meheko materialak substratu baten gainazalean (adibidez, beira optikoa) atomo edo molekulen kondentsazio, eraketa eta hazkundearen bidez sortzen dira. Film mehe bat estaldura-prozesu baten bidez aplikatzeak konposite-propietate berriak eman diezazkioke materialaren gainazalari, ingeniaritza-aplikazio berriak ahalbidetuz. Horrek materialaren gainazalari funtzio mekaniko berriak, funtzio apaingarriak eta funtzio bereziak ematen dizkio, hala nola propietate akustikoak, elektrikoak, optikoak, magnetikoak, termikoak eta haien bihurketak, horrela produktuaren jatorrizko errendimendua hobetuz, produktuaren kalitatea handituz eta produktuaren bizitza luzatuz.

Film meheko materialen industriaren hasierako etapetan, prestaketa-teknologiak eta materialen propietateek mugatuta, film meheak korrosioarekiko erresistentzia eta ispiluen fabrikazioa bezalako aplikazioetarako soilik erabiltzen ziren. Film meheak prestatzeko huts-sistemetan eta detekzio-sistemetan egindako aurrerapenekin, film meheen errendimendua nabarmen hobetu da, eta haien aplikazio-eremuak azkar zabaldu dira. Batez ere 1950eko hamarkadatik aurrera, elektronika eta informazio-industrien gorakadarekin, film meheak prestatzeko teknologiak eta materialek abantailak erakutsi dituzte zirkuitu inprimatuen eskala handiko fabrikazioan eta zirkuitu integratuen (IC) miniaturizazioan. Gaur egun, film meheen sintesia eta prestaketa ezinbesteko bitarteko bihurtu dira material berriak garatzeko. Film meheak prestatzeko teknologiak eta materialak asko erabiltzen dira teknologia modernoaren eta ekonomia nazionaleko hainbat arlo kritikotan, hala nola aeroespazialean, informazio elektronikoan, osasungintzan, energian eta komunikazioetan.

Hutsean estaldura teknologia film meheen prestaketaren oinarria da; film mehe ia guztiak hutsean edo presio baxuko baldintzetan prestatu behar dira. Prozesu-printzipio desberdinetan oinarrituta, hutsean estaldura teknologia CVD (Chemical Vapor Deposition) eta PVD (Physical Vapor Deposition) bitan bana daiteke. CVD gas-nahasteen erreakzio kimikoen bidez substratuaren gainazalean film meheak metatzen dituen prozesua da, eta horrek muga batzuk ditu erreaktiboen eta produktuen hautaketan. Gainera, erreakzio kimikoek tenperatura nahiko altuak behar dituztenez, substratuaren ingurunea normalean berotzen da, eta horrek muga batzuk ezartzen ditu substratuaren materialaren hautaketan. PVD substratuaren gainazalean funtzio espezifikoak dituzten film meheak metatzen dituen teknologia da, baliabide fisikoen bidez. Aukera zabala eskaintzen du metaketa-materialetarako eta substratu-materialetarako, filmaren lodieraren kontrol errazagoa, atxikimendu sendoagoa eta aplikazio zabalagoa. Estaldura-prozesua energia-eraginkorragoa, seguruagoa eta ingurumenarekiko errespetutsuagoa da, eta gaur egun film meheen prestaketaren teknologia nagusia da.

Prozesu eta bide tekniko espezifikoen arabera sailkatuta, PVD hutsean estaltzeko teknologiak batez ere hutsean lurruntze bidezko estaldura eta hutsean sputtering bidezko estaldura barne hartzen ditu. Hutsean lurruntze bidezko estaldura sinplea, erosoa eta filmaren eraketa-abiadura azkarra eskaintzen du, garapenaren hasierako faseetan nagusi bihurtuz. Hala ere, errefraktore metalak eta oxido materialak lurruntzeko ezintasunagatik, tamaina handiko substratuak estaltzeko egokitasun eskasagatik eta beste faktore batzuengatik, pixkanaka hutsean sputtering bidezko estaldurak ordezkatu du. Hutsean sputtering bidezko estaldurak erreproduzigarritasun ona eta film-lodiera kontrolagarria eskaintzen ditu, substratu handietan film uniformeak metatzea ahalbidetuz. Prestatutako filmek abantailak dituzte, hala nola purutasun handia, dentsitate ona eta substratu-materialarekiko atxikimendu sendoa, film mehe desberdinak industria-prestatzeko teknologia nagusietako bat bihurtuz. Film meheen errendimendu-eskakizunak etengabe handitzen diren heinean, hutsean sputtering teknologia etengabe berritu eta iteratatu da; Magnetron ihinztadura teknologia da gaur egun gehien erabiltzen dena.

Magnetron sputtering teknologian erabiltzen den estaldura-material nagusia sputtering jomuga da. Erabilitako sputtering jomugaren formaren arabera, magnetron sputtering planarra eta magnetron sputtering birakariko teknologiak bi zatitan bana daitezke. Magnetron sputtering teknologiak ioiak huts-ingurune batean azeleratzea dakar eremu elektriko baten bidez, gainazal solido batekin talka egiten duen energia zinetiko handiko ioi-sorta bat sortzeko. Gainazal solidoko atomoak sputtering bidez kanporatzen dira eta estali beharreko objektuaren gainazalean metatzen dira. Abiadura handiko ioiek bonbardatutako solidoa (hau da, sputtering jomuga) film mehearen iturria da, metatze-prozesuan jaurtitzen den jomuga baten antzera jokatuz.

[Irudia: irudia.png]

2. Sputtering helburuen egitura eta sailkapena

Sputtering helburu bat substratu batean prozesu-baldintza egokietan metatzen den sputtering iturria da, magnetron sputtering bezalako estaldura-sistemen bidez, hainbat film mehe funtzional eratzeko.

Sputtering helburu bat batez ere helburu-hutsune batez eta euskarri-plaka batez (edo euskarri-hodi batez, aurrerantzean antzera) osatuta dago. Helburu-hutsune hori sputtering helburuaren muina da, sputtering estaldura prozesuan energia zinetiko handiko ioi-izpiak bonbardatzen duen helburu-material gisa balio duena. Ioiek helburu-hutsuneari jotzen diotenean, bere gainazaleko atomoak kanporatu eta substratuaren gainazalean metatzen dira film mehe bat osatzeko. Euskarri-plaka batez ere helburu-hutsunearen materiala finkatzeko eta eusteko erabiltzen da, eta bero eta elektrizitate eroapenerako. Oro har, metalezko materialez egina dago. Sputtering helburuak sputtering estaldura-ekipo dedikatu batean instalatu behar direnez sputtering prozesua osatzeko, eta ekipamenduaren barrualdea tentsio handiko eta hutsune handiko lan-ingurune bat denez, helburu-hutsune gehienek ezaugarri hauek dituzte: nahiko bigunak izatea, hauskortasun handia izatea eta eroankortasun elektriko eta termiko eskasa, eta horrek ez ditu egokiak ekipamenduan zuzenean instalatzeko eta erabiltzeko. Hori dela eta, euskarri-plaka bati lotu behar zaizkio.

Magnetron sputtering estaldura teknologiaren etengabeko aurrerapenarekin eta aplikazioen eskaeren etengabeko garapenarekin, sputtering helburuetarako erabiltzen diren materialak gero eta anitzagoak bihurtu dira. Gaur egun, sputtering helburuak prestatzeko erabiltzen diren materialen artean, metal elementalak/ez-metalak, aleazioak eta daude. Zeramikazko konposatuakMetalezko/ez-metalezko elementu-jokoak metal/ez-metal elementu berarekin osatuta daude, purutasun handikoak eta mikroegitura espezifikoak dituzte, hala nola kobrezko (Cu) jokoak, aluminiozko (Al) jokoak, molibdenozko (Mo) jokoak, titaniozko (Ti) jokoak, siliziozko (Si) jokoak, grafitozko (C) jokoak, borozko (B) jokoak, etab. Garrantzi handiko lehengaiak dira elektrodo-kableatuentzako filmak, hesi-geruzak, itsaspen-geruzak eta film islatzaileak prestatzeko. Aleazio-jokoak bi metal edo ez-metal edo gehiagorekin sintetizatzen dira, eta ezaugarri metaliko jakin batzuk dituzte, hala nola titanio-aluminiozko (TiAl) jokoak, nikel-kromozko (NiCr) jokoak, molibdeno-niobiozko (MoNb) jokoak, etab. Aleazio-jokoek elementu-jokoek baino propietate espezifiko hobeak dituzte, film-sistema funtzional berrien diseinu- eta garapen-beharrak asetzeko. Zeramikazko konposatu-jokoak tenperatura altuetan sinterizatutako oxido bat edo gehiagoz osatuta daude, eta zeramikazko egiturak eta ezaugarriak dituzte, hala nola ITO (Indio Eztainu Oxidoa), IZO (Indio Zink Oxidoa) jokoak, AZO (Aluminio Zink Oxidoa) jokoak, etab. Zeramikazko konposatu-jokoek abantailak dituzte, hala nola erresistentzia handia, urtze-puntu altua, egonkortasun kimiko ona eta korrosioarekiko erresistentzia, baina deformazio plastikorako gaitasun eskasa dute, hauskorkeria izateko joera dute eta zailak dira tamaina handietan prestatzea.

Sputtering helburuak sputtering estaldura egiteko sputtering estaldura egiteko sputtering helburuak sputtering estaldura egiteko ekipamendu espezifikoekin erabili behar dira. Sputtering helburuak formaren arabera sailka daitezke helburu planar eta helburu birakarietan. Helburu planarrak lodiera jakin bateko helburu luze, karratu, biribil eta abarrei egiten die erreferentzia, helburu huts bat eta euskarri-plaka bat lotuz eratuak. Sputtering-ean, helburu hutsa eta substratua paraleloan eta elkarri begira daude, euskarri-plakaren azpian imanak jarrita helburu hutsaren eta substratuaren artean eremu elektromagnetiko bat sortzeko. Helburu birakariak sputtering helburu tubularrak dira, hodi helburuaren barruan imanak jarrita substraturantz eremu elektromagnetiko bat sortzeko. Euskarri-plaka edo hodi batera lotura behar den ala ez kontuan hartuta, sputtering helburuak helburu monolitiko eta helburu lotuetan bana daitezke. Helburu monolitikoak normalean metalezko elementu helburuak dira, prestaketa prozesuan zuzenean metaletik eratuak, euskarri-plaka edo hodirik gabe, loturarik behar ez dutenak, eta zuzenean instalatu eta erabil daitezkeenak. Lotutako helburuak normalean ez-metaliko elementuak eta zeramikazko konposatu helburuak dira, euskarri-plaka edo hodi batera lotura behar dutenak sputterizatu aurretik.

3. Sputtering helburu-industriaren posizioa eta eginkizuna industria-katean, eta goiko eta beheko industriekin duen harremana

Sputtering helburuen industria-kateak batez ere metalen arazketa, helburuen fabrikazioa, sputtering estaldura eta terminal aplikazioak barne hartzen ditu. Horien artean, helburuen fabrikazioa sputtering helburuen industria-katean funtsezko katebegia da. Sputtering helburuen produktuen kalitatearen eta errendimenduaren adierazleek zuzenean zehazten dute azken produktuen kalitatea eta egonkortasuna.

[Irudia: irudia.png]

Sputtering helburuen industria-katean, goiko metalen arazketa-etapa batek, batez ere, ezpurutasunak dituzten metal naturalak araztea dakar helburuaren fabrikazio-etaparen ekoizpen-beharrak asetzeko. Helburuaren fabrikazio-etapak prozesu fin eta konplexu ugari behar ditu, baita prozesu-diseinu berezi bat ere, beheko aplikazio-eremuen errendimenduan eta eskakizunetan oinarrituta. Sputtering estaldura-etapak, batez ere, sputtering helburua sputtering estaldura-ekipo dedikatu batean instalatzea dakar, sputtering erreakzioa osatzeko, eroankortasuna, isolamendua, fotoeroankortasuna, piezoelektrizitatea, magnetismoa, lubrifikazioa, supereroankortasuna, higadura-erresistentzia, dekorazioa eta abar bezalako ezaugarriak dituzten film-geruzak prestatzea eta osagaien ontziratzea. Terminaleko aplikazioek osagai ontziratuak erabiltzea dakar azken erabiltzaileentzako produktuak ekoizteko.

Hainbat film meheen prestaketa industrialerako material gako gisa, sputtering helburuak oso erabiliak dira zirkuitu integratu erdieroaleetan, pantaila lauetan, eguzki-zeluletan, informazioaren biltegiratzean, emisibitate baxuko beiran eta beste arlo batzuetan. Aplikazio-eremu desberdinek eskakizun desberdinak dituzte sputtering helburuen prestaketa-teknologiari eta produktuaren errendimenduari dagokionez.

Sputtering helburuak erdieroale zirkuitu integratuak fabrikatzeko oinarrizko materialetako bat dira. Zirkuitu integratu bateko unitate bakoitzak substratu bat, geruza isolatzaile bat, geruza dielektriko bat, eroale geruza bat eta babes geruza bat ditu, besteak beste. Horien artean, geruza dielektriko batek, eroale geruzak eta baita babes geruzak ere sputtering estaldura prozesuak erabiltzea eskatzen dute. Zirkuitu integratuak sortu zirenetik, IC industria azkar garatu da "ekipo belaunaldi bat, prozesu belaunaldi bat, produktu belaunaldi bat" ereduari jarraituz. Txip integrazio dentsitatea etengabe handitzen ari den heinean, IC fabrikazioan erabiltzen diren sputtering helburuen errendimendu eskakizunak gero eta handiagoak bihurtu dira. Erdieroale zirkuitu integratuetarako sputtering helburuak dira gaur egun industriaren barruan zailtasun tekniko handiena duen eremua.

Pantaila lauak dira sputtering helburuen eskaera bolumen handiena duen aplikazio eremua. Estaldura oinarrizko urratsa da pantaila lauen industria modernoan. Eremu handiko film geruzen uniformetasuna bermatzeko, ekoizpen eraginkortasuna hobetzeko eta kostuak murrizteko, ia pantaila lauen gailu mota guztiek sputtering helburu kopuru esanguratsua erabiltzen dute hainbat film funtzional prestatzeko. Telebisten, ordenagailuen, telefono mugikorren eta automobilen pantailen azken produktuen errendimendu alderdi asko, hala nola bereizmena eta argiaren transmitantzia, sputtering filmen errendimenduarekin estuki lotuta daude. Zirkuitu integratu erdieroaleekin alderatuta, pantaila lauen eremuko sputtering helburuen purutasuna eta eskakizun teknikoak apur bat txikiagoak dira. Hala ere, helburuen tamaina handitzen den heinean, eskakizun handiagoak ezartzen zaizkie sputtering helburuen uniformetasunari, lautasunari eta lotura soldadura-tasari bezalako adierazleei.

Eguzki-zelulak etorkizunean sputtering helburuetarako potentzial handia duten aplikazio-eremuetako bat dira. Sputtering helburuak batez ere film meheko eguzki-zelulen atzeko elektrodoak eta HJT (Heterojunction Technology) eguzki-zelulen eroale-geruzak prestatzeko erabiltzen dira. Azken urteotan, mundu osoko herrialdeek areagotu egin dute laguntza fotovoltaikoaren industriarentzat. Eguzki-zelulen teknologia azkar garatu da mundu mailan, silizio monokristalinoko eta silizio polikristalinoko eguzki-zelulen hasierako teknologietatik hirugarren belaunaldiko eguzki-teknologiara eboluzionatuz: film meheko eguzki-zelulen teknologia. Sputtering estaldura da film meheko eguzki-zelulen prestaketa-metodo hobetsia. Aldi berean, bihurketa fotoelektrikoaren eraginkortasuna areagotzeko eta fabrikazio-kostuak murrizteko, etengabe ari dira agertzen HJT bezalako eguzki-zelulen teknologia berriak. Eguzki-zelulen aplikazio eta sustapen zabalak sputtering helburuen merkatu-eskariaren hazkunde azkarra bultzatuko du.

Gainera, sputtering helburuak informazioaren biltegiratzean, beira-estalduran, apaingarri-estalduran, tresnen eta moldeen estalduran eta beste arlo batzuetan ere erabil daitezke. Erdieroaleen zirkuitu integratuekin eta pantaila lauen arloekin alderatuta, sputtering helburuen purutasuna eta aleen orientazioaren kontrola bezalako alderdien eskakizun teknikoak, hala nola informazioa biltegiratzean, beira-estalduran eta apaingarri-estalduran, oro har, txikiagoak dira. Produktuaren kalitatea eta eskakizun teknikoak betetzeko premisan, arlo hauek kostuan, ekoizpen-ahalmenaren eskalan, horniduraren egonkortasunean eta entrega-epean jartzen dute arreta handiagoa.

(II) Sputtering helburuen industriaren garapen globala

Errendimendu handiko sputtering helburuak erdieroaleen, pantaila lauen, informazioaren biltegiratzearen eta mikroelektronika bezalako industrien garapenarekin batera sortu ziren. Ezaugarri tekniko ugari barne hartzen dituenez, hala nola propietate elektrikoak, magnetikoak, termikoak, islagarritasuna eta kolorearen itxura, teknologia intentsiboko industria tipikoa da. Ekoizpen-teknologiaren, makinen eta ekipamenduen, prozesu-fluxuaren eta lan-ingurunearen eskakizunak oso zorrotzak dira, eta denbora luzez atzerriko enpresek monopolizatu dute. 1970eko hamarkadaz geroztik, elektronika eta informazio-industrien berrikuntza teknologikoaren etengabeko sakontzearekin batera, errendimendu handiko sputtering helburuen fabrikatzaile ugari sortu dira garatutako herrialdeetan edo eskualdeetan, hala nola Estatu Batuetan, Japonian eta Europan. Oinarrizko teknologiak menperatu ondoren, enpresa hauek konfidentzialtasun eta patente-lizentzien neurri oso zorrotzak ezarri zituzten, eta denbora luzez posizio nagusia izan zuten sputtering helburuen merkatu globalean. Estatistiken arabera, 1990etik 1998ra, Japoniak mundu osoko herrialdeek AEBn aurkeztutako sputtering helburuen patenteen % 58 izan zuen, AEBek % 27 eta Alemaniak % 11. Gainera, goi-mailako fabrikazio globalaren eskualde-multzokatzearen ezaugarriak are gehiago kontzentratu du goi-mailako material gakoen merkatu-kuota, hala nola errendimendu handiko sputtering helburuen kasuan, garatutako herrialde edo eskualdeetan.

1980ko hamarkadatik, informazio elektronikoaren industria, batez ere zirkuitu integratu erdieroaleek, pantaila lauek, informazioaren biltegiratzeak eta biltegiratze gailu optikoek bultzatuta, azkar garatu da, prozesu teknologikoak azkar errepikatzen direlarik. Produktu erlazionatuak fabrikatzeko funtsezko material-filmen eta sputtering helburuen eskaria etengabe handitu da. Adibidez, erdieroaleen zirkuitu integratuen fabrikazio-prozesuetan, erresistentzia txikiagoko kobrezko eroale-filmek aluminiozko filmak ordezkatu dituzte kableatuetarako; pantaila lauen industrian, hainbat pantaila-teknologien aldibereko garapenak ere etengabe handitu du sputtering helburuen eskaria; informazioa biltegiratzeko industrian, memoria magnetikoen biltegiratze-ahalmena etengabe handitu da, eta etengabe sortu dira grabazio-material magneto-optiko berriak. Aplikazio-eremuen garapen azkarrak asko sustatu du magnetron sputtering teknologiaren eta sputtering helburuen industriaren garapena. Sputtering helburu berrien sorrerak hainbat osagai elektroniko berriren behar teknikoak eta errendimendu-beharrak ere ase ditu.

Hainbat sputtering bidezko film meheko materialak zirkuitu erdieroale integratuetan, pantaila lauetan eta informazio biltegiratzean bezalako arloetan zabaldu direnez, balio erantsi handiko material funtzional honen eskaria etengabe handitu da beheranzko eremuetan. Errendimendu handiko sputtering helburuen merkatuaren tamaina nabarmen handitu da, hazkunde joera azkarra erakutsiz. Hua Jing Industria Ikerketa Institutuaren eta Zhongshang Industria Ikerketa Institutuaren datuen arabera, 2016tik 2023ra, sputtering helburu merkatu globalaren tamaina 11.300 milioi dolarretik 25.800 milioi dolarretara igo zen, % 12,52ko urteko hazkunde-tasa konposatuarekin (CAGR). Etorkizunean, Gauzen Internet (IoT), datu handiak, pantaila berriak, eguzki-zelulak eta energia aurrezteko beira bezalako azpiegitura eta aplikazio-eremu berriak garatuz, sputtering helburuen terminal aplikazio-eremuak gehiago zabalduko dira, eta sputtering helburu merkatu globalaren tamaina etengabe hazten jarraituko du.

[Irudia: irudia.png]

Patenteen teknologian lehen mugitzen diren abantailak, gaitasun tekniko sendoak, ekoizpen-kontrol findua eta produktuen kalitate handia baliatuz, Estatu Batuak, Japonia eta Europa bezalako eskualde garatuetako sputtering helburu-fabrikatzaile handiek merkatu-kuota handia lortu dute sputtering helburu-merkatu globalean. JX Nippon Mining & Metals, Honeywell, Tosoh eta Praxair-ek ordezkatutako nazioarteko korporazio handiak goiz sortu ziren, historia luzea dute, helduak dira eta industria-kate osoa hartzen dute barne, metalen arazketa, helburuen fabrikazioa, sputtering estaldura eta terminal aplikazioak barne. Lehen mugitzen diren abantailak eta I+G teknologikoko indarguneak baliatuz, enpresa hauek industriaren garapen-norabidea eta berrikuntza teknologikoa menderatzen dituzte, sputtering helburuen arloan abantaila nabarmenak dituztelarik. Gaur egun, guztira, munduko merkatu-kuotaren % 80 inguru dute. Horrez gain, finantza-gaitasun sendoak, maila teknologiko aurreratuak eta industria-esperientzia aberatsa duten beste nazioarteko enpresa batzuek, hala nola Mitsui Kinzoku, Sumitomo Chemical, Ulvac, HC Starck eta Plansee-k, merkatu-posizio nagusiak dituzte beren segmentu nagusietan.