鋁鈧化合物靶:製程、應用及其市場

 

刊登日期:2022/5/5
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張家銘、黃揚升 / 工研院材化所
 
隨著5G高頻網路的技術成熟及應用興起,高頻濾波器的關鍵材料—鋁鈧(AlSc)合金靶的發展成為重要關鍵。鋁鈧合金靶主要用於濺鍍ScAlN壓電薄膜製程,藉由在氮化鋁(AlN)壓電薄膜中添加少量的鈧(Sc),大幅加強壓電薄膜的響應特性,使其極具潛力應用於高頻濾波器、傳感器以及MEMS麥克風等5G通訊半導體、車用以及消費性電子元件產品的領域當中。當鋁鈧合金靶的鈧含量大於25 at%後,其成分主要由性質硬脆且物理性質差異大的AlxSc化合物組合而成,使得鋁鈧靶材的製備充滿挑戰性,且以傳統熔煉澆注工法生產的鋁鈧靶良率及性能較低,造成靶材價格昂貴。本篇文章詳細地介紹鋁鈧合金靶製程技術,包含靶材成型、霧化技術與純鈧製程等,並針對鋁鈧靶材的相關技術發展現況與產業趨勢進行介紹。
 
【內文精選】
鋁鈧靶的市場應用與挑戰
鋁鈧靶材市場主要受到下游應用產業的需求驅動而開展,如航太、運動以及消費性電子等。而且近年來,薄膜壓電材料越來越常出現於智能汽車、工業化系統以及個人電子裝置的應用當中,如壓電式超音波機械感測(PMUT)、手勢或指紋辨識裝置、微機電系統麥克風(MEMS Microphones)、共振腔式化學/醫學感測器以及射頻濾波器等。因此,鋁鈧靶材的產量被預期在未來幾年將穩定成長。
 
AlSc靶材製程技術
1. 靶材成型技術
濺鍍用合金靶材的製備,依照成型方式可分為兩類:澆鑄合金靶以及粉體合金靶。澆鑄合金靶為目前市場上的主流方式,其製程主要為透過真空感應熔煉,將金屬按合金比例置於坩堝中進行感應熔配,坩堝材質則按合金成分及特性進行選用。一般使用高純氧化鋁作為坩堝材料,若合金材料有高溫、活性,或潔淨度等要求時,則坩堝材質視狀況改採用氧化鋯、氧化鈣、氧化釔或水冷銅坩堝等。澆鑄後的合金靶胚,根據要求進行真空熱壓、鍛造、熱處理等,對靶胚進行緻密化、退火、均質化以及細晶化等靶胚調質處理。調質後的靶胚,最終須依照客戶要求進行機械加工整型、清潔、擴散接合背板後,完成最終合金靶材製作。
 
於鋁鈧靶的製程實務方面,如圖二所示,由於鈧(Sc)在鋁(Al)中的溶解度極低,在鋁中僅加入千分之三(0.32~0.38 at%)的鈧就會生成Al3Sc新相,當鈧持續增加到大於25 at%時,合金體系幾乎不存在單純鋁相,各種介金屬化合物(包含Al3Sc、Al2Sc以及AlSc)的生成導致合金呈現硬脆的特性,不利於鍛造或滾軋流程,因此一般利用真空熔煉搭配合金熔湯澆鑄成型的製程通常僅限於Sc含量在25 at%以下或小尺寸高鈧含量的靶材製備。為了克服上述製程技術問題,2014年Avago公司便曾利用真空熔煉澆鑄鋁鈧合金鑄錠再搭配鍛造/滾軋製程製備出4~10 at%的鋁鈧靶材,並應用於聲波共振元件用之壓電薄膜沉積。
 
圖二、Al-Sc合金相圖
圖二、Al-Sc合金相圖
 
3. 精煉純化技術
三層液電解法,係在1901年由美國鋁業實驗室(Alcoa Research Lab.)的Hoopes所發明,長久以來市場對於產物純度與純化效率的要求,使得設備經過一系列改良為現代化的三層液電解槽,結構如圖五所示。其設備外層由鋼材所構成,底部鋪墊著陽極石墨塊,周圍耐火磚用以絕熱,至於在接觸熔湯的側壁則以氧化鎂耐火磚所構築。該製程透過高密度(3.4~3.7 g/cm3)的Al-Cu (~33% Cu)母合金沉降於電解槽底部作為電解陽極,中層是熔融鹵化物的電解液(2.7~2.8 g/ cm3)供Al離子傳導,最上部則是經接觸石墨棒成為電解反應的陰極層。反應藉由各種金屬的電解電位差異,使高純鋁液(2.3 g/ cm3)在陰極被還原析出,而不同密度差異則可確保高純鋁被穩定產出且可與Al-Cu母合金順利分離。該電解機制是由於電位較Al為正(Fe、Si、Cu、Mn等)的金屬元素(即雜質)不發生電化學溶解,易殘留在底層Al-Cu母合金中;電位較Al為負的雜質例如Na、Mg、Ca則因為離子化傾向較大,而停留於中層電解液裡,因此最後鋁離子便可透過還原於陰極析出形成雜質濃度較低/純度較高(可達4N8)的金屬鋁---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖五、三層液體電解槽結構簡圖
圖五、三層液體電解槽結構簡圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》425期,更多資料請見下方附檔。

 


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