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新世紀煉金術士 – 熱均壓冶金與電子束熔煉

23-太陽能元件用鍍膜材料技術報導/廖英凱

說到為台灣賺進大量外匯的熱門產業,一定會想到半導體、平面顯示器、手機元件等電子業以及近年來隨著能源問題而備受重視的燃料電池和太陽能元件等產業。而在這些工業製造中被廣泛用到的薄膜元件與產品,例如ITO導電玻璃、壓電材料、硬化膜、高溫超導以及常用的光碟片和硬碟等,大多是以真空濺鍍的方式,將金屬、合金或化合物附著在玻璃、陶瓷或半導體等載體上。在濺鍍的過程中,固體的薄膜材料會先受到電子束、離子束等高能量帶電粒子的撞擊而離開固體進入氣體。這些被濺出的原子或分子會再沉澱附著於載體上形成薄膜而發揮功效。在此過程中,如同靶一般被高能量帶電粒子不斷撞擊的的固體薄膜材料,也因而被稱作「靶材」。而鍍膜品質的關鍵,就是在如何提升靶材的純度。

提升靶材的純度,可從靶材的製作方式加以改進創新,在靶材的製程中,大致可分為兩大類:一是「粉末冶金」製程,二是「火法冶金」製程。粉末冶金製程可應用在純金屬、合金與陶瓷靶材,其主要原理為將靶材所需的原料粉末混合後,在不同溫度與壓力的環境下壓縮成形,並利用熱能使粉末壓縮成形的坯體緻密化,此步驟稱之為「燒結」,常見方式可分為:常壓燒結、冷均壓燒結,以及針對有些較為活性與脆性在製程中易氧化和龜裂的元素,例如鉻和鉻矽合金,所適用的熱壓和熱均壓技術。

而火法冶金製程則可應用在純金屬或合金靶材,是古老且應用規模最大的冶金方式,其主要原理為利用熱能將金屬熔融,而其他雜質則會因熔點和燃點的差異而揮發、沉澱或利用氧化與電解等方式精煉,使欲製成靶材的金屬純度提高。在製作靶材的常見方式包含:真空感應熔煉(VIM)、真空電弧精煉(VAR)與電子束熔煉及精煉技術。而中科院的研發方向,則是鎖定在粉末冶金的「熱均壓製程」與火法冶金的「電子束熔煉與精煉」技術應用。

在熱均壓製程中,高溫(1300°C)與高壓(2000大氣壓)的環境會使靶材材料因加熱而軟化或熔融,此時高壓的惰性氣體(如氬氣)會在材料表面均勻加壓使材料緻密化,也因容器內氣壓均等,材料表面的任一處均可處於相同的溫度與壓力狀態,以此去除材料內部的孔洞或不均勻與而達到良好緻密性的材料性質。

而電子束熔煉與精煉技術則是利用電子束撞擊金屬材料,因自由電子在金屬中流動時,會與晶格碰撞,碰撞所損失的動能會以熱能的形式釋放,因此產生極高溫度(最高2900°C)。它可熔製與精煉高活性、高熔點之金屬。並且藉由重力方式分離不同密度的雜質。另外,更有別於其他火法冶金技術的,是傳統加熱方式將材料置於坩堝中,由下往上加熱,因此熔煉材料會因接觸容器而被汙染變質。但電子束是由上往下加熱,坩堝周圍並有水冷機制使得接觸坩鍋的材料降溫凝固,熔煉處的金屬因而不會與坩鍋接觸。使其純度可達99.999%(5N)以上之超高純度等級,

台灣在半導體、太陽能、節能顯示與硬碟光碟等相關產品的鍍膜材料年需求超過300億元,但因受限於國內技術及設備能量不足,這些高熔點(1700℃以上)、高純度(4~6N)的鍍膜材料,僅能仰賴歐、美、日等國進口。這兩項冶金技術的引進與改良,不僅可讓國內科技產業結構自給自足、更加穩固,還可省下每年百億的花費!在許多故事和神話裡,古代的煉金術士設法提煉出純度高的黃金白銀供王公貴族們把玩享用。而當代的「煉金術士」們,正設法開發出純度更高、結構更細緻的材料作為我們工業製造與學術研究的物質基礎。

技術專頁:獨創煉金術 高純新契機

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