172 nm y los campos de aplicación de la tecnología de revestimiento iónico
1.1 Campos de aplicación de la tecnología de revestimiento iónico
La tecnología de revestimiento de iones está estrechamente relacionada con el desarrollo de la sociedad humana y la vida diaria. Los productos de película delgada preparados con tecnología mejorada con plasma-se utilizan ampliamente en dispositivos de visualización de información como televisores, computadoras y teléfonos móviles, así como en dispositivos semiconductores, dispositivos optoelectrónicos, dispositivos ópticos, utilización de energía, endurecimiento de superficies de materiales, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación y muchos otros campos. Con la modernización de la defensa nacional, el desarrollo de la fabricación de alta-tecnología y la mejora del nivel de vida de las personas, se están imponiendo mayores requisitos de rendimiento a los productos de película delgada. Especialmente en la era futura de la computación en la nube, la economía inteligente e Internet, muchos dispositivos se están desarrollando hacia la miniaturización, la integración y la inteligencia, lo que impondrá demandas aún mayores a la tecnología de preparación de películas delgadas. Entre ellos, la tecnología de preparación de películas de alta-precisión en el172 nanómetrosEl nivel se ha convertido en uno de los requisitos principales para ciertos dispositivos-de gama alta.
1.2 Nuevos requisitos de la ciencia y la tecnología modernas para productos de película delgada
Funciones especialesLos productos-de alta gama requieren que las piezas tengan varias funciones superficiales especiales, como conversión fototérmica, conversión fotoeléctrica, conversión termoeléctrica, almacenamiento fotomagnético, reflexión de la luz, transmisión de luz, filtrado de la luz, conductividad eléctrica, aislamiento, alta dureza, alta resistencia al desgaste, baja fricción, etc. Algunos también deben poseer características decorativas brillantes y coloridas.
Diversificación de la composiciónPara cumplir con los nuevos requisitos de rendimiento de los productos de alta-tecnología en diferentes campos, la composición de las películas delgadas ha evolucionado desde películas de metal puro hasta una variedad de películas de compuestos inorgánicos y películas de polímeros orgánicos. La Tabla 1-1 enumera varios materiales de película delgada y sus rangos de aplicación que satisfacen las necesidades de diferentes campos en la actualidad. Entre ellos, materiales de película compuesta compatibles con el172 nanómetrosLas especificaciones de espesor están experimentando un aumento año-tras-año en la proporción de aplicaciones en dispositivos electrónicos de precisión.
Tabla 1-1 Diversos materiales de película delgada y sus rangos de aplicación
| Categoría de aplicación | Materiales de revestimiento | Materiales de sustrato | Rango de aplicación |
|---|---|---|---|
| Alta dureza, resistencia al desgaste. | TiN, ZrN, HfN, TaN, NbN, CrN, CBN, Si₃N₄, TiC, ZrC, Cr₇C₃, SiC, Ti(C,N), Ti(B,N), Ti(Al,N), -C₃N₄, diamante, etc. | Acero de alta velocidad-, acero para troqueles, carburo cementado, cermet, etc. | Herramientas de mecanizado, moldes, piezas mecánicas. |
| Resistencia a altas temperaturas, resistencia a la oxidación. | Al, W, Ti, Ta, Mo, Al₂O₃, Si₃N₄, Ni-Cr, BN, MCrAlY, etc. | Acero inoxidable, aleaciones{0}}resistentes al calor, cobre, aleaciones de aluminio, etc. | Palas de turbina, tubos de escape, toberas, componentes aeroespaciales, componentes resistentes al calor-de energía atómica |
| Resistencia a la corrosión | TiN, TiC, Al₂O₃, Cd, Al, Ti, Cr, Cr₇C₃, Ni-Cr-Fe, Cr-Ni-P-B (amorfo), etc. | Acero, acero inoxidable, metales no-ferrosos, etc. | Protección de superficies de aviones, barcos, automóviles, tuberías químicas y sujetadores. |
| Embellecimiento decorativo | TiN, TiC, TaN, TiAC, ZrN, Cr₇C₃, Al₂O₃, Al, Ag, Ti, Au, Cu, Ni, Cr, Ni-Re, TaN, Te-N, Al-TaSi, Ni-CrAl | Acero, latón, aluminio, acero inoxidable, plástico, cerámica, vidrio, láminas de papel, etc. | Joyería, relojes, lámparas, gafas, ferretería, accesorios automotrices, repuestos eléctricos. |
| Películas conductoras | Au, Mo, W, MoSi₂, WSi₂, TaSi₂, Ti-Si, Ag-Si, Al, Ni, Al₂O₃, Au-Pb, etc. | Oblea de silicio, cerámica, plástico, vidrio, tira de aleación. | Cables y resistencias de película delgada-, dispositivos de emisión de electrones, dispositivos de túnel, etc. (incluidas películas conductoras de precisión de 172 nm) |
| Películas dieléctricas | SiO₂, Al₂O₃, AlN, Al₂O₃-BaTiO₃, TiO₂, ZnO, AlN, LiNbO₂, etc. | Oblea de silicio, cerámica, plástico, vidrio. | Pasivación de superficies, aislamientos entre capas, condensadores, elementos electrotérmicos, etc. |
| Dispositivos microelectrónicos: películas semiconductoras. | Si, a-Si, Au-ZnS, GaAs, CdSe, CdS, PbS, InSb, Ge, Pb-Sn-Te, etc. | Oblea de silicio, cerámica, plástico, vidrio. | Diodos emisores de luz-, transistores-de película delgada, dispositivos optoelectrónicos, dispositivos magnetoeléctricos, sensores, etc. |
| Películas superconductoras | Pb-Bi-Pb-Au, Nb₃Ge, V₃Si, Pb-In-Au, PbO/In₂O₃ | - | Dispositivos superconductores |
| Materiales magnéticos y medios de grabación. | -Fe₂O₃, Co-Ni, Co-Cr, MnBi, GdCo, GdFe, TbFe, Ni-Co-P, Co-Zr-Nb amorfo, Y₃Fe₅O₁₂, etc. | Aleaciones, plásticos, etc. | Grabación magnética, cabezales magnéticos, dispositivos magnetorresistivos, discos ópticos, etc. |
| Mostrar películas del dispositivo | ZnO, Y₂O₃, Ag, Cu, Al, SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, etc. | Vidrio, plástico, etc. | Tubos fluorescentes, pantallas de plasma, pantallas de cristal líquido. |
| Óptica y comunicación óptica. | Si₃N₄, Al, Ag, Au, TiO₂, ZnO, SnO₂, GdFe, TbFe, InAs, InSb, PbS, diamante, etc. | Plástico, vidrio, cerámica, etc. | Películas protectoras, reflectantes, anti-reflectantes, interruptores ópticos, conversión de frecuencia, memoria óptica, sensores ópticos, etc. |
| Utilización de energía solar | Au-ZnS, Ag-ZnS, CdS-Cu₂S, SnO₂, etc. | Acero inoxidable, plástico, vidrio. | Células fotovoltaicas, películas conductoras transparentes, etc. |
| Lubricación, baja fricción. | Au, Ag, Pb, Cu-Au, Pb-Sn, MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, MoS, MS₂, BN, MoS₂-grafito, Ag-MoS₂, DLC, etc. | Aleaciones de alta-temperatura, metales estructurales, acero para rodamientos, etc. | Vacío ultra-alto, temperatura ambiente, temperatura ultra-baja, cojinetes de motores a reacción, cojinetes de satélites, piezas giratorias aeroespaciales de alta-temperatura |
| Embalaje | Cr, Al, SiO₂, Al₂O₃, TiN, etc. | Papel, plástico, metal, etc. | Metalización de materiales de embalaje, alta protección de barrera. |
Como se muestra en la Tabla 1-1, los materiales de película delgada tienen una composición diversa, ofrecen una gama completa de funciones especiales y tienen amplios campos de aplicación, desempeñando un papel importante en todos los sectores de la economía nacional. Películas funcionales con un espesor de172 nanómetros, gracias a su combinación de precisión y estabilidad, se han convertido en una opción importante en el campo de la fabricación de precisión.
Espesor de la película a escala de nanómetro a micrómetroA medida que los productos de alta-tecnología se vuelven cada vez más inteligentes e integrados, la densidad de integración de los dispositivos microelectrónicos modernos sigue aumentando. Ahora es necesario integrar 1.000.000 de transistores por 1 mm² en un chip microelectrónico. El tamaño de los componentes del transistor es extremadamente pequeño, lo que requiere que cada capa funcional sea cada vez más delgada - sólo en el nivel de nanómetro a micrómetro. Los anchos de las líneas conductoras de los chips han alcanzado entre 5 y 7 nm, y algunos dispositivos de alta-precisión han logrado una preparación precisa de películas funcionales en el172 nanómetrosnivel, con el desarrollo ahora dirigiéndose hacia las 3 millas náuticas. Esto sólo se puede lograr utilizando tecnología de circuito integrado de película delgada-. En la actualidad, la tecnología de revestimiento iónico es la opción óptima para preparar circuitos integrados de película delgada-.
Excelente microestructura de película y estructura cristalina.Para producir productos de película delgada con excelente rendimiento, la película debe poseer una microestructura y estructura cristalina superiores. Dependiendo de la aplicación, es posible que se requiera que las películas tengan estructuras monocristalinas, policristalinas o amorfas, así como microestructuras densas, columnares o multicapa a escala nano-. Entre estos,172 nanómetrosLas nanopelículas multicapa gruesas exhiben una excelente estabilidad estructural y consistencia en el rendimiento en dispositivos optoelectrónicos.
Película de alta densidad y sin defectos-A medida que los productos de alta-tecnología avanzan hacia diseños más ligeros, más pequeños, más finos, más integrados y más inteligentes, las películas deben ser extremadamente densas y estar libres de defectos.
Alta adherencia del sustrato-películaNo existe unión metalúrgica entre la película y el sustrato - solo una "capa adherida" - por lo tanto, cuanto más pequeño y delgado sea el dispositivo, mayor será la adhesión requerida entre la película y el sustrato. También se requiere una alta adherencia para recubrimientos duros en herramientas y matrices.
1.3 Tipos de tecnologías de recubrimiento
1.3.1 Tecnologías tempranas de preparación de películas delgadas
La tecnología para obtener películas delgadas sólidas tiene una larga historia; inicialmente dependía principalmente de energía térmica y luego evolucionó hacia tecnologías mejoradas con plasma-.
Tecnología de recubrimiento por evaporación al vacíoEsta tecnología utiliza una fuente de calor para evaporar un material sólido, lo que permite que los átomos de vapor se transporten en alto vacío y se depositen en la superficie del sustrato para formar una película. Pertenece a la categoría de deposición física de vapor (PVD) y puede lograr la preparación preliminar de172 nanómetros-películas de nivel.
Tecnología de deposición química de vapor (CVD)Esta tecnología utiliza energía térmica para descomponer térmicamente los gases inorgánicos introducidos en átomos activos, que luego reaccionan químicamente sobre una superficie de sustrato calentada para depositar una película.
Tecnología de polimerización orgánica de polímeros.Los gases de monómeros orgánicos se polimerizan en polímeros de alto-peso molecular-bajo altas temperaturas, altas presiones y la acción de un iniciador.
1.3.2 Tecnología de revestimiento iónico
Desde 1963, cuando el científico estadounidense DM Mattox introdujo la descarga de gas en el recubrimiento por evaporación, han surgido numerosas tecnologías de revestimiento iónico que utilizan diversos métodos de descarga de gas para obtener partículas de película de alto-rendimiento. La tecnología ha evolucionado desde un recubrimiento mejorado con plasma-que utiliza fuentes sólidas hasta el uso de fuentes gaseosas, con fuentes gaseosas expandiéndose desde gases inertes y gases compuestos inorgánicos hasta gases orgánicos. Han aparecido muchas técnicas y procesos de recubrimiento nuevos que utilizan inteligentemente campos eléctricos, campos magnéticos y descargas de arco para excitar y mejorar el plasma, lo que proporciona a los investigadores de películas delgadas diversos medios para preparar películas delgadas con funciones-especiales necesarias en diversos campos. Entre ellos, la preparación de alta-precisión172 nanómetrosLas películas de nivel -se han convertido en una importante dirección de aplicación de esta tecnología.
El concepto de revestimiento iónico se ha expandido desde el revestimiento iónico de tipo-evaporación a un campo más amplio. Cualquier tecnología de recubrimiento que utilice energía de plasma durante la descarga de gas ahora se llamatecnología de revestimiento de iones. La tecnología moderna de revestimiento iónico incluye revestimiento iónico de tipo evaporación-, revestimiento iónico por pulverización catódica con magnetrón, revestimiento iónico por descarga de arco dentro de PVD, así como deposición química de vapor mejorada con plasma-y polimerización mejorada con plasma-y se puede clasificar en tres categorías principales:
Deposición física de vapor mejorada por plasma-(PEPVD)
Deposición química de vapor mejorada por plasma-(PECVD)
Polimerización mejorada por plasma-(PEP)
Tabla 1-2 Diversas tecnologías modernas de revestimiento iónico y sus características
| Tecnología de recubrimiento | Tipo de tecnología | Fuente de partículas de película | Tipo de descarga | Tecnología de descarga | Mecanismo de reacción |
|---|---|---|---|---|---|
| Recubrimiento iónico tipo evaporación- | PEPVD | Evaporación térmica | Descarga incandescente/arco | Brillo de CC, brillo de RF, arco de filamento caliente, arco de cátodo frío | Iones metálicos + átomos de alta-energía → síntesis de películas de nueva estructura (puede preparar películas de 172 nm) |
| Recubrimiento de iones por pulverización catódica con magnetrón | PEPVD | pulverización catódica | Descarga luminosa | Resplandor de CC, resplandor de RF, resplandor de microondas | Iones metálicos + átomos de alta-energía → síntesis de películas de nueva estructura |
| Deposición química de vapor mejorada con plasma- | PEVD | Gas inorgánico | Descarga incandescente/arco | Brillo de CC, brillo de RF, brillo de microondas, arco de filamento caliente | Iones de gases inorgánicos + radicales activos de alta-energía → síntesis de películas de nueva estructura |
| Polimerización mejorada con plasma- | ENERGÍA | Gas monómero orgánico | Resplandor/arco/descarga de corona | Brillo de CC, brillo de RF, brillo de microondas, descarga de corona | Monómeros orgánicos + grupos activos → polimerización por plasma en películas poliméricas. |
Puntos clave resumidos de la Tabla 1-2:
Todas las tecnologías modernas de revestimiento iónico se realizan en diversas descargas de gas.
Las partículas de la película PEPVD provienen de la evaporación o pulverización catódica de materiales sólidos; Las partículas de PECVD provienen de gases inorgánicos; Las partículas de PEP provienen directamente de gases orgánicos introducidos.
Los modos de descarga incluyen descarga luminiscente y descarga por arco, y las tecnologías PEPVD, PECVD y PEP tienden todas hacia la descarga por arco.
La polimerización mejorada con plasma-es una tecnología que ha surgido en los últimos años.
El plasma es el cuarto estado de la materia y posee energía varios órdenes de magnitud superior a la de los sólidos, líquidos y gases. La tecnología de polimerización mejorada por plasma-que utiliza energía del plasma para producir polímeros-de alto-peso molecular-se ha aplicado ampliamente en la preparación de productos modernos de película fina orgánica-de alta gama.
Gracias al desarrollo de varias nuevas tecnologías y procesos de recubrimiento mejorados con-energía-plasma, en los últimos años, se han desarrollado generaciones de materiales de película delgada con funciones-especiales superiores - que se necesitan con urgencia en campos como circuitos integrados semiconductores, dispositivos de visualización de información, películas ópticas, películas conductoras, películas aislantes, materiales médicos y películas de barrera - creando un enorme valor económico. En particular, la tecnología de preparación escalable para172 nanómetros-películas funcionales de nivel ha impulsado fuertemente el rápido desarrollo de la industria electrónica de precisión.
