Estado de desenvolvemento e tendencias futuras da industria de obxectivos de pulverización catódica

(I) Visión xeral básica da industria de obxectivos de pulverización catódica

1. Historial de desenvolvemento da tecnoloxía de preparación de películas finas

Os materiais de película fina fórmanse pola condensación, formación e crecemento de átomos ou moléculas na superficie dun substrato (por exemplo, vidro óptico). A aplicación dunha película fina mediante un proceso de revestimento pode conferir novas propiedades compostas á superficie do material, o que permite novas aplicacións de enxeñaría. Isto dota á superficie do material de novas funcións mecánicas, funcións decorativas e funcións especiais como propiedades acústicas, eléctricas, ópticas, magnéticas, térmicas e as súas conversións, mellorando así o rendemento orixinal do produto, aumentando a súa calidade e prolongando a súa vida útil.

Nas primeiras etapas da industria dos materiais de película fina, limitadas pola tecnoloxía de preparación e as propiedades dos materiais, as películas finas só se empregaban para aplicacións como a resistencia á corrosión e a fabricación de espellos. Cos avances en tecnoloxías como os sistemas de baleiro e os sistemas de detección para a preparación de películas finas, o rendemento das películas finas mellorou significativamente e as súas áreas de aplicación expandíronse rapidamente. Particularmente desde a década de 1950, co auxe das industrias da electrónica e da información, as tecnoloxías e os materiais de preparación de películas finas demostraron vantaxes na fabricación a grande escala de placas de circuítos impresos e na miniaturización dos circuítos integrados (CI). Actualmente, a síntese e a preparación de películas finas convertéronse nun medio indispensable para desenvolver novos materiais. As tecnoloxías e os materiais de preparación de películas finas úsanse amplamente en varios campos críticos da tecnoloxía moderna e da economía nacional, como a industria aeroespacial, a información electrónica, a saúde, a enerxía e as comunicacións.

A tecnoloxía de revestimento ao baleiro é a base da preparación de películas finas; case todos os materiais de películas finas deben prepararse en condicións de baleiro ou baixa presión. Baseándose en diferentes principios de proceso, a tecnoloxía de revestimento ao baleiro pódese dividir en CVD (Deposición Química de Vapor) e PVD (Deposición Física de Vapor). A CVD é un proceso que deposita películas finas na superficie do substrato mediante reaccións químicas de mesturas de gases, o que ten certas limitacións na selección de reactivos e produtos. Ademais, como as reaccións químicas requiren temperaturas relativamente altas, o ambiente do substrato xeralmente quéntase, o que impón algunhas restricións na selección do material do substrato. A PVD é unha tecnoloxía que deposita películas finas con funcións específicas na superficie do substrato mediante medios físicos. Ofrece unha ampla gama de opcións para materiais de deposición e materiais de substrato, un control máis sinxelo do grosor da película, unha adhesión máis forte e unha aplicabilidade máis ampla. O proceso de revestimento é máis eficiente enerxeticamente, seguro e respectuoso co medio ambiente, o que o converte na tecnoloxía principal na preparación de películas finas na actualidade.

Clasificada por proceso específico e ruta técnica, a tecnoloxía de revestimento PVD ao baleiro inclúe principalmente o revestimento por evaporación ao baleiro e o revestimento por pulverización catódica ao baleiro. O revestimento por evaporación ao baleiro é sinxelo, cómodo e ofrece unha rápida velocidade de formación de película, o que o fai dominante nas primeiras etapas de desenvolvemento. Non obstante, debido á súa incapacidade para evaporar metais refractarios e materiais de óxido, á súa escasa idoneidade para revestir substratos de gran tamaño e a outros factores, foi substituído gradualmente polo revestimento por pulverización catódica ao baleiro. O revestimento por pulverización catódica ao baleiro ofrece unha boa reproducibilidade e un grosor de película controlable, o que permite a deposición de películas uniformes sobre substratos de gran área. As películas preparadas teñen vantaxes como alta pureza, boa densidade e forte adhesión ao material do substrato, o que a converte nunha das principais tecnoloxías para a preparación industrial de diversas películas delgadas. A medida que os requisitos de rendemento para as películas delgadas aumentan continuamente, a tecnoloxía de pulverización catódica ao baleiro actualizouse e iterouse constantemente; pulverización catódica por microondas tecnoloxía é a máis empregada na actualidade.

O principal material de revestimento empregado na tecnoloxía de pulverización catódica con magnetrón é o obxectivo de pulverización catódica. En función da forma do obxectivo de pulverización catódica empregado, este pódese dividir en tecnoloxías de pulverización catódica con magnetrón planar e de pulverización catódica con magnetrón rotatorio. A tecnoloxía de pulverización catódica con magnetrón implica aceleración de ións nun ambiente de baleiro a través dun campo eléctrico para formar un feixe de ións de alta enerxía cinética que choca cunha superficie sólida. Os átomos da superficie sólida son expulsados ​​por pulverización catódica e deposítanse na superficie do obxecto a recubrir. O sólido (é dicir, o obxectivo de pulverización catódica) bombardeado polos ións de alta velocidade é a fonte da película delgada, actuando como un obxectivo que se dispara durante o proceso de deposición.

[Imaxe: imaxe.png]

2. Estrutura e clasificación dos obxectivos de pulverización catódica

Un obxectivo de pulverización catódica refírese á fonte de pulverización catódica que se deposita sobre un substrato en condicións de proceso axeitadas mediante sistemas de revestimento como a pulverización catódica con magnetrón para formar varias películas delgadas funcionais.

Un obxectivo de pulverización catódica está composto principalmente por unha peza de obxectivo e unha placa de apoio (ou tubo de apoio, de xeito similar en diante). A peza de obxectivo é a parte central do obxectivo de pulverización catódica, que serve como material obxectivo bombardeado polo feixe de ións de alta enerxía cinética durante o proceso de revestimento por pulverización catódica. Cando a peza de obxectivo é golpeada por ións, os átomos da súa superficie son expulsados ​​e depositados na superficie do substrato para formar unha película fina. A placa de apoio úsase principalmente para fixar e soportar o material da peza de obxectivo, así como para a condución térmica e eléctrica. Xeralmente está feita de materiais metálicos. Debido a que os obxectivos de pulverización catódica deben instalarse en equipos de revestimento por pulverización catódica dedicados para completar o proceso de pulverización catódica, e o interior do equipo é un ambiente de traballo de alta tensión e alto baleiro, a maioría das pezas de obxectivo teñen características como ser relativamente brandas, ter unha alta fraxilidade e unha mala condutividade eléctrica e térmica, o que as fai inadecuadas para a instalación e o uso directos dentro do equipo. Polo tanto, deben unirse a unha placa de apoio.

Co avance continuo da tecnoloxía de revestimento por pulverización catódica con magnetrón e o desenvolvemento continuo das demandas de aplicacións posteriores, os materiais utilizados para os obxectivos de pulverización catódica volvéronse cada vez máis diversos. Actualmente, os materiais utilizados para preparar obxectivos de pulverización catódica inclúen metais/non metais elementais, aliaxes e Compostos cerámicosOs obxectivos elementais de metal/non metal están compostos do mesmo elemento metal/non metal, posuíndo alta pureza e microestruturas específicas, como obxectivos de cobre (Cu), obxectivos de aluminio (Al), obxectivos de molibdeno (Mo), obxectivos de titanio (Ti), obxectivos de silicio (Si), obxectivos de grafito (C), obxectivos de boro (B), etc. Son materias primas importantes para a preparación de películas de cableado de eléctrodos, capas de barreira, capas de adhesión e películas reflectantes. Os obxectivos de aliaxe sintetízanse a partir de dous ou máis metais ou non metais, que posúen certas características metálicas, como obxectivos de titanio-aluminio (TiAl), obxectivos de níquel-cromo (NiCr), obxectivos de molibdeno-niobio (MoNb), etc. Os obxectivos de aliaxe teñen propiedades específicas superiores ás dos obxectivos elementais, o que satisface as necesidades de deseño e desenvolvemento de novos sistemas de películas funcionais. Os compostos cerámicos están compostos por un ou varios óxidos sinterizados a altas temperaturas, que posúen estruturas e características cerámicas, como os óxidos de indio e estaño (ITO), os óxidos de indio e cinc (IZO), os óxidos de aluminio e cinc (AZO), etc. Os compostos cerámicos teñen vantaxes como alta resistencia, alto punto de fusión, boa estabilidade química e resistencia á corrosión, pero teñen unha baixa capacidade de deformación plástica, son propensos a fallas fráxiles e son difíciles de preparar en grandes tamaños.

Os obxectivos de pulverización catódica deben usarse con equipos de revestimento de pulverización catódica dedicados para realizar o revestimento de pulverización catódica. Os obxectivos de pulverización catódica pódense clasificar segundo a súa forma en obxectivos planos e obxectivos rotatorios. Os obxectivos planos refírense a obxectivos longos, cadrados, redondos, etc., dun certo grosor, formados unindo unha peza de obxectivo e unha placa de soporte. Durante a pulverización catódica, a peza de obxectivo e o substrato son paralelos e están un fronte ao outro, con imáns colocados debaixo da placa de soporte para formar un campo electromagnético entre a peza de obxectivo e o substrato. Os obxectivos rotatorios son obxectivos de pulverización catódica tubulares, con imáns colocados dentro do obxectivo do tubo para formar un campo electromagnético cara ao substrato. Dependendo de se se require a unión a unha placa ou tubo de soporte, os obxectivos de pulverización catódica pódense dividir en obxectivos monolíticos e obxectivos unidos. Os obxectivos monolíticos son normalmente obxectivos elementais metálicos, formados directamente a partir de metal durante o proceso de preparación, sen unha placa ou tubo de soporte, que non requiren unión e pódense instalar e usar directamente. Os obxectivos unidos son normalmente obxectivos elementais non metálicos e compostos cerámicos, que requiren unión a unha placa ou tubo de soporte antes de poder ser pulverizados catódicamente.

3. Posición e papel da industria de obxectivos de pulverización catódica na cadea industrial e a súa relación coas industrias augas arriba e augas abaixo

A cadea industrial de obxectivos de pulverización catódica inclúe principalmente a purificación de metais, a fabricación de obxectivos, o revestimento por pulverización catódica e as aplicacións terminais. Entre elas, a fabricación de obxectivos é un elo fundamental na cadea industrial de obxectivos de pulverización catódica. Os indicadores de calidade e rendemento do produto dos obxectivos de pulverización catódica determinan directamente a calidade e a estabilidade dos produtos finais.

[Imaxe: imaxe.png]

Na cadea industrial de obxectivos de pulverización catódica, a etapa de purificación de metais augas arriba implica principalmente a purificación de metais naturais que conteñen impurezas para satisfacer as necesidades de produción da etapa de fabricación do obxectivo. A etapa de fabricación do obxectivo require numerosos procesos finos e complexos, xunto cun deseño de procesos único baseado no rendemento e os requisitos dos campos de aplicación posteriores. A etapa de revestimento por pulverización catódica implica principalmente a instalación do obxectivo de pulverización catódica nun equipo de revestimento por pulverización catódica dedicado para completar a reacción de pulverización catódica, a preparación de capas de película con características como condutividade, illamento, fotocondutividade, piezoelectricidade, magnetismo, lubricación, supercondutividade, resistencia ao desgaste, decoración, etc., e a realización do empaquetado de compoñentes. As aplicacións terminais implican o uso dos compoñentes empaquetados para producir produtos para os usuarios finais.

Como material clave para a preparación industrial de diversas películas delgadas, os obxectivos de pulverización catódica úsanse amplamente en circuítos integrados de semicondutores, pantallas planas, células solares, almacenamento de información, vidro de baixa emisividade e outros campos. Os diferentes campos de aplicación teñen requisitos variables para a tecnoloxía de preparación e o rendemento do produto dos obxectivos de pulverización catódica.

Os obxectivos de pulverización catódica son un dos materiais principais para a fabricación de circuítos integrados semicondutores. Cada dispositivo unitario dentro dun circuíto integrado consta dun substrato, unha capa illante, unha capa dieléctrica, unha capa condutora e unha capa protectora, entre outros. Entre estes, a capa dieléctrica, a capa condutora e mesmo a capa protectora requiren o uso de procesos de revestimento por pulverización catódica. Desde a aparición dos circuítos integrados, a industria dos CI desenvolveuse rapidamente seguindo o modelo de "unha xeración de equipos, unha xeración de procesos, unha xeración de produtos". Co aumento continuo da densidade de integración de chips, os requisitos de rendemento para os obxectivos de pulverización catódica utilizados na fabricación de CI fixéronse cada vez máis altos. Os obxectivos de pulverización catódica para circuítos integrados semicondutores representan actualmente o campo con maior dificultade técnica dentro da industria.

As pantallas planas representan o campo de aplicación co maior volume de demanda de obxectivos de pulverización catódica. O revestimento é un paso fundamental na industria moderna das pantallas planas. Para garantir a uniformidade das capas de película de gran área, mellorar a eficiencia da produción e reducir os custos, case todos os tipos de dispositivos de pantalla plana usan un número significativo de obxectivos de pulverización catódica para preparar diversas películas funcionais. Moitos aspectos do rendemento dos produtos finais como televisores, ordenadores, teléfonos móbiles e pantallas de automóbiles, como a resolución e a transmitancia da luz, están estreitamente relacionados co rendemento das películas pulverizadas. En comparación cos circuítos integrados de semicondutores, a pureza e os requisitos técnicos para os obxectivos de pulverización catódica no campo das pantallas planas son lixeiramente menores. Non obstante, a medida que aumentan os tamaños dos obxectivos, impónse maiores esixencias a indicadores como a uniformidade, a planitude e a velocidade de soldadura de unión dos obxectivos de pulverización catódica.

As células solares son un dos campos de aplicación con potencial futuro significativo para obxectivos de pulverización catódica. Os obxectivos de pulverización catódica úsanse principalmente para preparar eléctrodos posteriores para células solares de película fina e capas condutoras para células solares HJT (tecnoloxía de heteroxunción). Nos últimos anos, os países de todo o mundo aumentaron o apoio á industria fotovoltaica. A tecnoloxía das células solares desenvolveuse rapidamente a nivel mundial, evolucionando desde as primeiras tecnoloxías de células solares de silicio monocristalino e silicio policristalino ata a tecnoloxía solar de terceira xeración: a tecnoloxía de células solares de película fina. O revestimento de pulverización catódica é o método de preparación preferido para as células solares de película fina. Simultaneamente, para mellorar aínda máis a eficiencia da conversión fotoeléctrica e reducir os custos de fabricación, están a xurdir continuamente tecnoloxías de células solares emerxentes como a HJT. A aplicación e promoción xeneralizadas das células solares impulsarán o rápido crecemento da demanda do mercado de obxectivos de pulverización catódica.

Ademais, os obxectivos de pulverización catódica tamén se poden empregar amplamente no almacenamento de información, no revestimento de vidro, no revestimento decorativo, no revestimento de ferramentas e moldes e noutros campos. En comparación cos campos dos circuítos integrados de semicondutores e das pantallas planas, os requisitos técnicos para aspectos como o control da pureza e a orientación do gran dos obxectivos de pulverización catódica en campos como o almacenamento de información, o revestimento de vidro e o revestimento decorativo son xeralmente menores. Baixo a premisa de cumprir cos requisitos técnicos e de calidade do produto, estes campos céntranse máis no custo, a escala da capacidade de produción, a estabilidade do subministro e o tempo de entrega.

(II) Desenvolvemento global da industria de obxectivos de pulverización catódica

Os obxectivos de pulverización catódica de alto rendemento xurdiron xunto co desenvolvemento de industrias como os semicondutores, as pantallas planas, o almacenamento de información e a microelectrónica. Implicando múltiples características técnicas como propiedades eléctricas, magnéticas, térmicas, reflectividade e aparencia da cor, é unha industria típica de tecnoloxía intensiva. Os requisitos para a tecnoloxía de produción, a maquinaria e os equipos, o fluxo de procesos e o ambiente de traballo son moi estritos, e durante moito tempo foi monopolizado por empresas estranxeiras. Desde a década de 1970, coa continua profundización da innovación tecnolóxica nas industrias da electrónica e da información, xurdiron varios fabricantes de obxectivos de pulverización catódica de alto rendemento en países ou rexións desenvolvidos como Estados Unidos, Xapón e Europa. Despois de dominar as tecnoloxías básicas, estas empresas implementaron medidas moi estritas de confidencialidade e licenzas de patentes, ocupando durante moito tempo unha posición dominante no mercado global de obxectivos de pulverización catódica. Segundo as estatísticas, de 1990 a 1998, Xapón representou o 58 % das patentes de obxectivos de pulverización catódica presentadas nos Estados Unidos por países de todo o mundo, Estados Unidos o 27 % e Alemaña o 11 %. Ademais, a característica de agrupación rexional da fabricación global de alta gama concentrou aínda máis a cota de mercado de materiais clave augas arriba, como os obxectivos de pulverización catódica de alto rendemento, en países ou rexións desenvolvidos.

Desde a década de 1980, a industria da información electrónica, impulsada principalmente por circuítos integrados semicondutores, pantallas planas, almacenamento de información e dispositivos de almacenamento óptico, desenvolveuse rapidamente, con procesos tecnolóxicos que iteran con rapidez. A demanda de películas de materiais clave e obxectivos de pulverización catódica para a fabricación de produtos relacionados aumentou continuamente. Por exemplo, nos procesos de fabricación de circuítos integrados semicondutores, as películas condutoras de cobre con menor resistividade substituíron as películas de aluminio para o cableado; na industria das pantallas planas, o desenvolvemento simultáneo de varias tecnoloxías de visualización tamén aumentou continuamente a demanda de obxectivos de pulverización catódica; na industria do almacenamento de información, a capacidade de almacenamento das memorias magnéticas aumentou continuamente e novos materiais de gravación magnetoóptica xurdiron constantemente. O rápido desenvolvemento de campos de aplicación posteriores promoveu enormemente o desenvolvemento da tecnoloxía de pulverización catódica con magnetrón e a industria de obxectivos de pulverización catódica. A aparición de novos obxectivos de pulverización catódica tamén satisfixo as necesidades técnicas e de rendemento de varios compoñentes electrónicos novos.

Coa aplicación xeneralizada de diversos materiais de película fina pulverizada en campos como circuítos integrados semicondutores, pantallas planas e almacenamento de información, a demanda dos campos posteriores deste material funcional de alto valor engadido aumentou continuamente. O tamaño do mercado de obxectivos de pulverización de alto rendemento expandiuse significativamente, mostrando unha rápida tendencia de crecemento. Segundo datos do Instituto de Investigación Industrial Hua Jing e do Instituto de Investigación Industrial Zhongshang, de 2016 a 2023, o tamaño do mercado obxectivo de pulverización global aumentou de 11.300 millóns de dólares a 25.800 millóns de dólares, cunha taxa de crecemento anual composta (CAGR) do 12,52 %. No futuro, co desenvolvemento de novas infraestruturas e campos de aplicación como a Internet das Cousas (IoT), o big data, as novas pantallas, as células solares e o vidro de aforro de enerxía, os campos de aplicación terminal dos obxectivos de pulverización catódica ampliaranse aínda máis e o tamaño do mercado obxectivo de pulverización catódica global seguirá crecendo de forma constante.

[Imaxe: imaxe.png]

Aproveitando as vantaxes de ser o primeiro en tecnoloxía de patentes, as fortes capacidades técnicas, o control de produción refinado e a alta calidade do produto, os grandes fabricantes de obxectivos de pulverización catódica de países ou rexións desenvolvidos como Estados Unidos, Xapón e Europa acadaron unha alta cota de mercado no mercado global de obxectivos de pulverización catódica. As grandes corporacións multinacionais representadas por JX Nippon Mining & Metals, Honeywell, Tosoh e Praxair establecéronse cedo, teñen unha longa historia, son maduras e abarcan toda a cadea industrial, incluíndo a purificación de metais, a fabricación de obxectivos, o revestimento por pulverización catódica e as aplicacións terminais. Baseándose nas vantaxes de ser o primeiro en chegar e nas fortalezas tecnolóxicas de I+D, estas empresas dominan a dirección de desenvolvemento e a innovación tecnolóxica da industria, mantendo vantaxes significativas no campo dos obxectivos de pulverización catódica. Actualmente, conxuntamente, posúen aproximadamente o 80 % da cota de mercado global. Ademais, outras empresas multinacionais con fortes capacidades financeiras, niveis tecnolóxicos líderes e unha rica experiencia na industria, como Mitsui Kinzoku, Sumitomo Chemical, Ulvac, HC Starck e Plansee, ocupan posicións líderes no mercado nos seus respectivos segmentos obxectivo dominantes.