Spersonalizowany cel rozpylania z tantalu (Ta)

Tarcza rozpylająca z tantalu jest kluczowym materiałem stosowanym w fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD). Wysokoenergetyczne wiązki jonów bombardują powierzchnię tarczy rozpylającej tantalu, powodując rozpylanie atomów tantalu z powierzchni tarczy i osadzanie ich na materiale podłoża, tworząc w ten sposób jednorodną warstwę tantalu. Ta warstwa ma szereg doskonałych właściwości i jest szeroko stosowana w wielu dziedzinach, takich jak półprzewodniki, elektronika, optyka i leczenie medyczne.

O platformie

Tantal (Tantalum), symbol chemiczny Ta, jest rzadkim metalem o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych. Jego liczba atomowa wynosi 73 i należy do grupy VB szóstego okresu. Tantal ma niską zawartość w skorupie ziemskiej i często współistnieje z niobem. Występuje głównie w rudach, takich jak tantalit i niob-tantalit. Tantal ma szereg doskonałych właściwości, takich jak wysoka temperatura topnienia, niskie ciśnienie pary, wysoka stabilność chemiczna, silna odporność na korozję ciekłego metalu i duża stała dielektryczna powierzchniowej warstwy tlenku, co czyni go idealnym materiałem do przygotowywania tarcz rozpylających. W naturze tantal występuje głównie w postaci tlenków lub krzemianów. Dopiero po złożonych procesach przetwarzania minerałów, wytapiania i oczyszczania można uzyskać wysokiej czystości metaliczny tantal do przygotowywania tarcz rozpylających z tantalu.

Typowe warunki depozycji

(I) Stopień próżni

W osadzaniu tarcz rozpylania tantalu kluczowym parametrem jest stopień próżni. Zwykle stopień próżni komory próżniowej musi zostać napompowany do 10⁻⁴ Pa – 10⁻⁷ Pa. W środowisku wysokiej próżni rozpraszanie i zderzenia cząsteczek gazu na rozpylanych atomach tantalu są redukowane, dzięki czemu atomy tantalu docierają do powierzchni podłoża bardziej bezpośrednio, co poprawia szybkość osadzania i jakość filmu.

(II) Moc rozpylania

Wielkość mocy rozpylania ma bezpośredni wpływ na szybkość rozpylania celu i jakość filmu. Mówiąc ogólnie, w przypadku celów rozpylania tantalowego gęstość mocy rozpylania DC można kontrolować w zakresie 5 W/cm² – 20 W/cm², a gęstość mocy rozpylania RF wynosi 10 W/cm² – 50 W/cm². Przy niższej mocy rozpylania szybkość rozpylania celu jest wolniejsza, ale uzyskuje się gęstszą warstwę o lepszej jakości kryształu; podczas gdy wyższa moc rozpylania może zwiększyć szybkość osadzania, ale może powodować problemy, takie jak zwiększone naprężenie wewnętrzne i zwiększona chropowatość powierzchni filmu. Dlatego konieczne jest rozsądne dobranie mocy rozpylania zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami aplikacji i wymaganiami jakości filmu.

(III) Przepływ gazu
Podczas rozpylania zwykle wprowadza się pewną ilość gazu rozpylającego, takiego jak argon (Ar). Wielkość natężenia przepływu argonu wpływa na formowanie i rozpylanie plazmy. Generalnie natężenie przepływu argonu można kontrolować w zakresie 10 sccm – 100 sccm (standardowych centymetrów sześciennych na minutę). Odpowiednie natężenie przepływu argonu może zapewnić stabilną generację plazmy, dzięki czemu atomy na powierzchni docelowej mogą być skutecznie rozpylane. Jeśli natężenie przepływu argonu jest zbyt małe, gęstość plazmy jest niska, a wydajność rozpylania spadnie; jeśli natężenie przepływu argonu jest zbyt duże, może to powodować niestabilność plazmy i wpływać na jednorodność filmu.

(IV) Temperatura podłoża
Temperatura podłoża ma również istotny wpływ na wzrost i wydajność filmu. Podczas osadzania filmu tantalowego temperaturę podłoża można regulować w zakresie od temperatury pokojowej do 500°C. Przy niższej temperaturze podłoża osadzony film ma zwykle większe naprężenie wewnętrzne i słabą jakość kryształu; podczas gdy odpowiednie zwiększenie temperatury podłoża może promować dyfuzję i migrację atomów filmu, poprawiać jakość kryształu filmu, zmniejszać naprężenie wewnętrzne, a także może wpływać na orientację kryształu i morfologię powierzchni filmu. Na przykład w niektórych zastosowaniach, poprzez precyzyjną kontrolę temperatury podłoża, filmy tantalowe mogą być preferencyjnie hodowane na określonych płaszczyznach kryształu w celu uzyskania wymaganych właściwości elektrycznych i mechanicznych.

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)

Osadzanie rozpyłowe: Jest to jedna z najczęściej stosowanych metod osadzania warstw tantalowych. Wykorzystuje wiązkę jonów o wysokiej energii (takich jak jony argonu) generowaną przez źródło jonów do bombardowania powierzchni tarczy rozpylającej z tantalu. Pod wpływem jonów atomy tantalu na powierzchni tarczy uzyskują wystarczającą energię, aby rozpylić się z powierzchni tarczy i polecieć na powierzchnię podłoża w środowisku próżniowym, stopniowo osadzając się, tworząc cienką warstwę. Osadzanie rozpylające ma zalety wysokiej szybkości osadzania, silnego wiązania między warstwą a podłożem oraz precyzyjnej kontroli składu i grubości warstwy. Nadaje się do przygotowywania wysokiej jakości warstw tantalowych i jest szeroko stosowane w półprzewodnikach, optyce i innych dziedzinach.

Osadzanie parowe:Tarcza tantalowa jest odparowywana przez ogrzewanie. Odparowane atomy tantalu latają swobodnie w próżni, a następnie osadzają się na powierzchni podłoża, tworząc cienką warstwę. Zalety osadzania przez parowanie polegają na tym, że sprzęt jest stosunkowo prosty, a czystość warstwy jest wysoka, ale szybkość osadzania jest stosunkowo niska, a jednorodność i przyczepność warstwy mogą nie być tak dobre, jak w przypadku osadzania przez rozpylanie. W niektórych specjalnych zastosowaniach, w których czystość warstwy jest niezwykle wysoka, ale szybkość osadzania i jednorodność są stosunkowo niskie, takich jak niektóre zaawansowane pola powłok optycznych, osadzanie przez parowanie nadal ma pewne zastosowania.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

Osadzanie chemiczne z fazy gazowej to proces wykorzystujący gazowe związki tantalu (takie jak pentachlorek tantalu TaCl₅ itp.) do reakcji chemicznej w wysokiej temperaturze i katalizatora w celu rozkładu atomów tantalu i osadzania ich na powierzchni podłoża w celu utworzenia cienkiej warstwy. CVD pozwala na równomierne osadzanie cienkich warstw na podłożach o złożonych kształtach i precyzyjnie kontroluje skład chemiczny i strukturę krystaliczną warstwy. Jednak sprzęt CVD jest stosunkowo złożony, ściśle kontroluje parametry, takie jak szybkość przepływu, temperatura i ciśnienie gazu reakcyjnego, i jest stosunkowo drogi. W produkcji półprzewodników, w przypadku niektórych struktur o wysokim współczynniku kształtu, takich jak wysokie i głębokie kanały w pamięci flash 3D NAND, technologia CVD jest często stosowana do osadzania warstw tantalowych jako warstw barierowych i warstw przewodzących w celu spełnienia ich specjalnych wymagań strukturalnych i wydajnościowych.

Zalety folii tantalowej

Wysoka przewodność: Folia tantalowa ma dobrą przewodność i niską rezystywność i może być stosowana jako materiał przewodzący w urządzeniach elektronicznych. Na przykład w układach scalonych folia tantalowa jest często stosowana do tworzenia połączeń i elektrod, skutecznie przesyłając prąd i zapewniając normalną pracę urządzeń elektronicznych. Niska rezystywność zmniejsza utratę energii elektronów podczas przesyłania w folii tantalowej, poprawiając wydajność operacyjną i szybkość działania urządzenia.

Wysoki współczynnik odbicia: Folia tantalowa ma wysoką refleksyjność dla światła o określonej długości fali i może być stosowana do produkcji elementów optycznych, takich jak reflektory optyczne i soczewki laserowe. W niektórych wysokiej klasy instrumentach optycznych, takich jak reflektory teleskopów astronomicznych, folia tantalowa jest stosowana jako powłoka odblaskowa, aby skutecznie poprawić wydajność odbicia światła i zwiększyć zdolność obserwacyjną instrumentu.

Regulowane właściwości optyczne:Dzięki kontrolowaniu grubości, mikrostruktury i technologii osadzania folii tantalowej jej właściwości optyczne można precyzyjnie dostosować do potrzeb różnych zastosowań optycznych.

Wysoka twardość i odporność na zużycie: Folia tantalowa ma wysoką twardość i dobrą odporność na zużycie, a także może być odporna na zewnętrzne zużycie mechaniczne i zarysowania do pewnego stopnia. Dzięki temu folia tantalowa dobrze sprawdza się w niektórych zastosowaniach wymagających długotrwałego użytkowania i wysokich wymagań dotyczących integralności powierzchni, takich jak powlekanie powierzchni narzędzi skrawających i form. Po obróbce powłoką z folii tantalowej żywotność narzędzi skrawających i form ulega znacznemu wydłużeniu, a wydajność cięcia i dokładność obróbki również ulegają poprawie.

Dobra przyczepność: W odpowiednich warunkach osadzania, film tantalowy ma dobrą przyczepność do materiału podłoża, może być mocno połączony i niełatwo odpadać. Ta cecha zapewnia stabilność i niezawodność filmu tantalowego w różnych zastosowaniach.

Doskonała odporność na korozję:Tantal ma niezwykle wysoką stabilność chemiczną, a film tantalowy wykazuje doskonałą odporność na korozję w środowiskach korozyjnych, takich jak kwasy i zasady. To sprawia, że ​​film tantalowy jest szeroko stosowany w chemii, marynarce i innych dziedzinach, na przykład w reaktorach chemicznych.

Biokompatybilność: Folia tantalowa ma dobrą biokompatybilność i nie powoduje oczywistej toksyczności ani reakcji immunologicznej na organizmy. Dlatego ma ważne zastosowania w medycynie, takie jak powlekanie powierzchni do produkcji sztucznych stawów, paznokci kostnych i innych wszczepialnych urządzeń medycznych, co może zmniejszyć odrzucenie implantów przez organizm, promować wzrost i gojenie tkanek oraz poprawić bezpieczeństwo i skuteczność urządzeń medycznych.

Zastosowania

(I) Przemysł półprzewodnikowy
W układach scalonych o ultra-dużej skali, wraz z ciągłą redukcją rozmiaru chipa i ciągłą poprawą integracji, technologia połączeń miedzianych stopniowo zastąpiła technologię połączeń aluminiowych. Jednak dyfuzja atomów miedzi w materiałach na bazie krzemu doprowadzi do pogorszenia wydajności urządzenia lub nawet jego awarii. Folia tantalowa skutecznie zapobiega dyfuzji atomów miedzi do otaczających materiałów, takich jak krzem i dwutlenek krzemu, zapewniając stabilność i niezawodność urządzenia, i jest jednym z kluczowych materiałów do realizacji wysokowydajnych układów scalonych.

Materiał elektrody: Folia tantalowa jest stosowana jako materiał elektrody w urządzeniach pamięci masowej, takich jak pamięć dynamiczna o swobodnym dostępie (DRAM) i pamięć flash 3D NAND. Jej dobra przewodność i stabilność chemiczna zapewniają, że elektroda może stabilnie przenosić ładunek podczas procesu odczytu i zapisu urządzenia pamięci masowej, realizując szybkie przechowywanie i odczytywanie danych.

(II) Przemysł elektroniczny

Kondensator: Kondensator tantalowy to kondensator o wysokiej wydajności, który ma zalety wysokiej pojemności, niskiego prądu upływu, niskiej równoważnej rezystancji szeregowej, dobrych właściwości w wysokiej i niskiej temperaturze oraz długiej żywotności. Jest szeroko stosowany w różnych urządzeniach elektronicznych. Tarcza rozpylania tantalowego jest używana do przygotowania anodowanej warstwy kondensatorów tantalowych, a wydajność kondensatora jest optymalizowana poprzez precyzyjną kontrolę grubości i jakości warstwy. W przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, komputery i tablety, zapotrzebowanie na miniaturyzację i wysoką wydajność kondensatorów tantalowych nadal napędza rozwój technologii tarcz rozpylania tantalowego.

Czujniki: W niektórych czujnikach, takich jak czujniki ciśnienia i czujniki temperatury, folie tantalowe są używane jako materiały czułe lub materiały elektrodowe. Ich doskonałe właściwości fizyczne i stabilność chemiczna umożliwiają czujnikowi dokładne wykrywanie zmian wielkości fizycznych w różnych warunkach środowiskowych i przekształcanie ich w sygnały wyjściowe elektryczne. Na przykład w czujniku ciśnienia wartość rezystancji folii tantalowej zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia. Mierząc zmianę wartości rezystancji, można dokładnie zmierzyć ciśnienie. Jest szeroko stosowany w samochodach, lotnictwie, automatyce przemysłowej i innych dziedzinach.

(III) Przemysł optyczny

Powłoka o wysokiej refleksyjności: Ponieważ folia tantalowa ma wysoką refleksyjność dla światła o określonej długości fali, jest szeroko stosowana do produkcji powłok o wysokiej refleksyjności dla elementów optycznych, takich jak reflektory optyczne i soczewki laserowe. W systemach laserowych powłoki z folii tantalowej o wysokiej refleksyjności mogą poprawić wydajność odbicia laserów, zmniejszyć utratę energii laserowej i zwiększyć moc wyjściową i stabilność laserów. W wysokiej klasy instrumentach optycznych, takich jak teleskopy astronomiczne i mikroskopy, reflektory pokryte folią tantalową mogą zapewnić wyraźniejsze i jaśniejsze obrazy oraz poprawić dokładność obserwacji i rozdzielczość instrumentów.

Filtr optyczny: Poprzez precyzyjną kontrolę grubości i mikrostruktury folii tantalowej można przygotować cienkie folie o określonych właściwościach filtrowania optycznego. Te filtry optyczne mogą selektywnie transmitować lub absorbować światło o różnych długościach fal i są szeroko stosowane w komunikacji optycznej, analizie widmowej, obrazowaniu biomedycznym i innych dziedzinach. W systemach komunikacji optycznej filtry optyczne są używane do oddzielania i łączenia sygnałów optycznych o różnych długościach fal, realizacji multipleksowania i demultipleksowania sygnałów optycznych oraz poprawy przepustowości i wydajności systemów komunikacji optycznej.

(IV) Przemysł medyczny

Implantowalne urządzenia medyczne: Biokompatybilność tantalu sprawia, że ​​folia tantalowa jest ważnym zastosowaniem w dziedzinie implantowalnych urządzeń medycznych. Na przykład, powlekanie folii tantalowej na powierzchni urządzeń medycznych, takich jak sztuczne stawy, śruby kostne i stenty sercowe, może zmniejszyć odrzucenie implantów przez organizm i promować wzrost i gojenie tkanek.

Części sprzętu medycznego: Niektóre części sprzętu medycznego, takie jak tarcza anodowa lamp rentgenowskich i źródło emisji elektronów mikroskopów elektronowych, również wykorzystują tantal lub materiały ze stopu tantalu. Wysoka temperatura topnienia tantalu, dobra przewodność i stabilność termiczna umożliwiają tym częściom stabilną pracę w warunkach pracy o wysokiej energii i wysokiej temperaturze, zapewniając normalną pracę i dokładną diagnostykę sprzętu medycznego.

Podsumowanie

Tarcze rozpylania tantalowego, jako kluczowy materiał, mają szeroki zakres ważnych zastosowań w półprzewodnikach, elektronice, optyce, leczeniu, lotnictwie i wielu innych dziedzinach ze względu na ich wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne oraz doskonałe właściwości powłoki.