引(yin)言(yan)
溅(jian)射靶(ba)材(cai)应用于溅射(she)沉积工(gong)艺(yi)，可用于集(ji)成(cheng)电(dian)路产业(ye)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)薄(bao)膜制(zhi)备(bei)，对集(ji)成(cheng)电路产(chan)业发(fa)展(zhan)具(ju)有(you)重(zhong)要推动(dong)作(zuo)用。在应用中(zhong)需要(yao)关注的(de)是(shi)溅(jian)射(she)靶(ba)材的材(cai)料、制(zhi)备(bei)方法(fa)、性(xing)能参数(shu)等(deng)多(duo)个(ge)方(fang)面。随集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)产业(ye)芯(xin)片产(chan)能(neng)的不断提(ti)升，集(ji)成(cheng)电(dian)路用(yong)靶材市(shi)场规(gui)模(mo)也(ye)呈现(xian)增长趋势(shi)，但整体上(shang)看，集(ji)成(cheng)电(dian)路用靶材市场(chang)仍呈(cheng)现一定(ding)的(de)技术(shu)垄(long)断特(te)征。
1、靶(ba)材(cai)在(zai)集(ji)成(cheng)电路领域(yu)的应(ying)用(yong)
1.1 溅(jian)射沉积及靶材(cai)的(de)定义与应(ying)用(yong)
（1）溅射(she)沉积(ji)及(ji)溅(jian)射靶材。溅射沉(chen)积(ji)（sputtering deposition） 是(shi)一种(zhong)物理气相(xiang)沉积(ji) （physical vapor deposition，PVD）工(gong)艺(yi)，即在一(yi)定的真空(kong)环境下，利用(yong)荷能粒(li)子(zi)轰击材料表面(mian)，使材(cai)料(liao)表面(mian)溅射(she)出粒(li)子并沉(chen)积(ji)在基底(di)表面形成薄(bao)膜(mo)[1-2]。溅(jian)射薄(bao)膜沉积工艺(yi)可重复性(xing)好(hao)、膜(mo)厚可控，所制(zhi)备(bei)的薄(bao)膜(mo)具有(you)纯度(du)高(gao)、致(zhi)密性(xing)好(hao)等优(you)点，且(qie)可(ke)用于(yu)在(zai)大面积基板材(cai)料(liao)上获(huo)得(de)厚度(du)均(jun)匀(yun)的薄膜(mo)，是(shi)制备(bei)薄膜的主要技术(shu)之(zhi)一(yi)[3]。被(bei)轰(hong)击的(de)目(mu)标(biao)材料称为(wei)溅射靶材(cai)，是(shi)目前(qian)市场上(shang)应用量(liang)最(zui)大的(de) PVD 镀膜(mo)材(cai)料(liao)[3]。
（2）溅射(she)靶材的应(ying)用和分类。如(ru)表 1 所示(shi)，溅(jian)射靶(ba)材(cai)可应用于半(ban)导体(ti)、平板显(xian)示、光(guang)伏(fu)、记录存储等多(duo)个领域(yu)。就其分(fen)类：按(an)照(zhao)形(xing)状不同，溅射(she)靶(ba)材(cai)可(ke)分(fen)为圆形靶(ba)、矩(ju)形(xing)靶(ba)和管(guan)状(zhuang)靶(ba)。按照材质不同(tong)，溅射靶材可以分(fen)为纯金(jin)属(shu)靶材(cai)（铝(lv)、钛、铜、钽(tan)等(deng)）、合(he)金(jin)靶材（镍铬合(he)金(jin)、镍(nie)钴合(he)金(jin)等(deng)）、陶(tao)瓷(ci)化合物靶材(cai)（氧化(hua)物、硅化物、碳化物、硫化物等(deng)）[4]。
（3）靶(ba)材(cai)的(de)制(zhi)备(bei)方法(fa)。靶(ba)材的制备(bei)方法(fa)主(zhu)要(yao)有熔炼铸(zhu)锭(ding)法、粉末(mo)冶金(jin)法(fa)等[8]。其(qi)中，熔(rong)炼铸(zhu)锭(ding)法(fa)通(tong)过(guo)熔(rong)炼铸造坯(pi)料，经(jing)过(guo)热锻(duan)、退(tui)火等工(gong)序使(shi)气孔或偏析扩(kuo)散(san)、消(xiao)失，提(ti)高组(zu)织(zhi)的(de)致密性(xing)和强度，最终(zhong)通过精加(jia)工(gong)获得靶(ba)材[8-9]。用熔(rong)炼方(fang)法(fa)制(zhi)备的靶(ba)材(cai)杂(za)质含量较低，致密(mi)程(cheng)度(du)较(jiao)好[10]，但晶(jing)粒尺寸(cun)和织(zhi)构取向均(jun)匀(yun)性(xing)较(jiao)难(nan)控制，易产(chan)生带状(zhuang)织(zhi)构[9]，贵(gui)金属易在熔(rong)炼(lian)过(guo)程(cheng)中挥(hui)发[10] 或在(zai)机械加(jia)工中产生损耗(hao)。难(nan)熔(rong)贵(gui)金属(shu)钌(liao)及其合金或熔(rong)点(dian)、密(mi)度相差较大的(de)贵金(jin)属复(fu)合(he)靶材，由于(yu)采(cai)用普(pu)通熔炼(lian)法(fa)难以(yi)使(shi)成分均匀，一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)粉末(mo)冶(ye)金法(fa)制备(bei)[10]。粉末冶(ye)金法(fa)将(jiang)金(jin)属或(huo)非金属(shu)粉末(mo)混(hun)合均(jun)匀(yun)后，经过压制、烧(shao)结、退(tui)火、精加工(gong)等(deng)工(gong)序(xu)获得靶材[9]。粉(fen)末冶金(jin)法(fa)能压制(zhi)成最终(zhong)尺寸(cun)的(de)压(ya)坯，机(ji)械(xie)加工(gong)产生(sheng)的损耗少(shao)，可降低(di)成本[11]，但工艺(yi)不当(dang)时(shi)易产生(sheng)孔隙(xi)[10]。
（4）溅(jian)射靶材性(xing)能的影(ying)响。如表(biao) 2 所(suo)示，影(ying)响(xiang)靶(ba)材(cai)性能(neng)的因素有纯度、晶粒尺(chi)寸(cun)、晶(jing)面(mian)取向(xiang)、磁透率(lv)、致(zhi)密度、焊(han)接(jie)性能(neng)、表面(mian)质(zhi)量(liang)、形(xing)状等(deng)多(duo)个(ge)方面(mian)，对(dui)溅射(she)过(guo)程(cheng)稳定(ding)性、薄膜沉(chen)积速(su)率、薄膜(mo)均(jun)匀性等(deng)溅射(she)工(gong)艺效(xiao)果(guo)产(chan)生(sheng)影(ying)响。不同应(ying)用(yong)领(ling)域(yu)对于(yu)溅(jian)射靶材的性(xing)能具有不同要(yao)求(qiu)，例(li)如在(zai)形(xing)状方(fang)面(mian)，集(ji)成(cheng)电路(lu)领域一(yi)般(ban)选(xuan)用(yong)圆(yuan)形靶(ba)，而(er)平板(ban)显(xian)示面(mian)板镀膜由(you)于(yu)有面积(ji)大和(he)均匀(yun)性要(yao)求，常(chang)使用(yong)长(zhang)矩(ju)形靶(ba)[4]；在纯(chun)度方(fang)面，半(ban)导体(ti)领(ling)域应用对(dui)靶(ba)材性(xing)能(neng)要求(qiu)最高，集成(cheng)电路用贵(gui)金属靶材(cai)的纯度一(yi)般(ban)要(yao)求在(zai) 5N （99.999%） 甚至 6N（99.9999%）以上[10]等(deng)。
（5）靶材(cai)结(jie)构(gou)。靶材主要分为单体(ti)靶(ba)材(cai)和复(fu)合靶(ba)材。其中(zhong)，复(fu)合(he)靶(ba)材由(you)溅射(she)靶(ba)坯(pi)和(he)背(bei)板(ban)复(fu)合(he)而(er)成[12]，背(bei)板(ban)固(gu)定有(you)助于(yu)提供(gong)较(jiao)大的机(ji)械(xie)强度(du)和(he)导热(re)性(xing)[13]。复合靶(ba)材(cai)的(de)靶(ba)坯与(yu)背板(ban)接合(he)方式，主(zhu)要(yao)有焊料(liao)接合（solder bonding）、扩散接(jie)合（diffusion bonding）等(deng)[14]。其(qi)中(zhong)，焊(han)料(liao)接合(he)使用(yong)铟(yin)、锡合(he)金(jin)等作(zuo)为(wei)焊(han)料；扩(kuo)散(san)接(jie)合(he)不使(shi)用焊料，将(jiang)靶材(cai)与(yu)背(bei)板(ban)在高温(wen)下(xia)施(shi)加(jia)高压，使两(liang)种材(cai)料原(yuan)子(zi)相互(hu)扩散(san)形(xing)成(cheng)键(jian)合。扩(kuo)散接合(he)的强(qiang)度(du)较(jiao)高，但(dan)背板(ban)不能(neng)直(zhi)接回(hui)收(shou)用于重复(fu)使(shi)用(yong)[14]。
1.2 靶(ba)材在(zai)集成电路(lu)产(chan)业(ye)的应用
金属(shu)靶(ba)材在集成电路(lu)工艺(yi)的主(zhu)要应(ying)用是(shi)晶圆制(zhi)造及芯片(pian)封装环节的(de)金(jin)属化(hua)工艺(yi)[12]。在芯(xin)片制造(zao)中，金属化的(de)主(zhu)要应(ying)用(yong)有制(zhi)备(bei)金(jin)属互(hu)连(lian)线(xian)、接触层、阻挡(dang)层(ceng)、粘附层等(deng)[16-17]，铜(tong)靶(ba)、钽靶(ba)、铝(lv)靶、钛(tai)靶(ba)等(deng)部分金属(shu)溅射(she)靶(ba)材(cai)的部分应用(yong)如表(biao) 3 所示。在(zai)芯(xin)片封装(zhuang)中，金(jin)属(shu)靶(ba)材可用于(yu)底部凸块(kuai)金属化(hua) （UBM）、重(zhong)布(bu)线层(ceng)（RDL）、硅(gui)通(tong)孔(kong) （TSV） 等(deng)，实(shi)现晶圆级芯(xin)片(pian)封(feng)装（WLCSP）、系统级封装(zhuang)（SIP）等(deng)高(gao)密度封(feng)装(zhuang)集(ji)成(cheng)[18]。
陶(tao)瓷(ci)化(hua)合物(wu)靶(ba)材在(zai)集成(cheng)电路工(gong)艺中可用(yong)于(yu)制(zhi)备栅极(ji)电(dian)介(jie)质膜(mo)等，例如铪基氧(yang)化(hua)物(wu)在(zai)栅极(ji)高介电薄(bao)膜制备中(zhong)的应(ying)用[20] 等(deng)。
在市(shi)场(chang)应(ying)用环节，由于(yu)芯(xin)片制(zhi)造商对靶材性(xing)能要求较高(gao)，集(ji)成(cheng)电路用靶(ba)材产(chan)品(pin)存(cun)在一(yi)定(ding)的认证(zheng)壁垒(lei)。芯(xin)片制造企(qi)业对靶(ba)材(cai)供应(ying)商的(de)认(ren)证(zheng)一般需要(yao) 2至 3 年(nian)以(yi)上(shang)，且不(bu)同制(zhi)造(zao)企(qi)业(ye)的认(ren)证方(fang)式有所不同(tong)。
例(li)如日(ri)本、韩(han)国制(zhi)造(zao)企业(ye)需要由其(qi)本(ben)国中(zhong)间(jian)商(shang)进(jin)行间接供(gong)应，英(ying)特(te)尔(er)的(de)靶材供应(ying)商需要通(tong)过(guo)应用(yong)材料公司的推(tui)荐(jian)，台(tai)积(ji)电的靶材供应商(shang)需要通过(guo)其(qi)客户(hu)的(de)认(ren)可(ke)等(deng)[15]。所以(yi)，较(jiao)为(wei)复(fu)杂(za)的认证(zheng)过程(cheng)一定程度上(shang)影(ying)响(xiang)了(le)新进靶(ba)材制造企(qi)业产品进(jin)入市场(chang)，使(shi)靶(ba)材(cai)行业存在一定的市场(chang)壁(bi)垒。
2、全(quan)球集(ji)成(cheng)电(dian)路用(yong)靶材行(xing)业(ye)情况(kuang)
2.1 市场规(gui)模
据统计(ji)[21]，晶圆制造材(cai)料(liao)中(zhong)溅(jian)射靶材约占芯(xin)片制造(zao)材(cai)料市(shi)场(chang) 2.6%，封装(zhuang)测(ce)试(shi)材料中溅射靶(ba)材约占封装材料市(shi)场 2.7%。据报(bao)道[22]，SEMI（国际半(ban)导(dao)体产业(ye)协会）预(yu)计(ji) 2022 年全球晶圆材料市场(chang)为 451 亿美元、全球(qiu)封装材料(liao)市场(chang)为(wei) 248 亿美(mei)元(yuan)[22]。据此(ci)计(ji)算可(ke)得(de)，2022 年(nian)全球(qiu)半(ban)导体用(yong)溅(jian)射(she)靶材(cai)市场(chang)规(gui)模(mo)预计(ji)约(yue)为(wei) 18.43 亿美元，其(qi)中晶(jing)圆(yuan)制造用溅射(she)靶材(cai)市场约(yue)11.73 亿(yi)美元，占(zhan)比(bi)约 63.7%；封(feng)装(zhuang)测(ce)试用(yong)溅射靶材(cai)市场(chang)约 6.70 亿(yi)美元，占比约(yue) 36.3%。结(jie)合 2017-2021年(nian)全球(qiu)市(shi)场(chang)规(gui)模情(qing)况(kuang)[21]，可得(de)近(jin)年全(quan)球半(ban)导(dao)体(ti)晶(jing)圆(yuan)制(zhi)造及(ji)封(feng)装(zhuang)测试(shi)用(yong)溅(jian)射靶材(cai)市场规(gui)模(mo)增长变(bian)化(hua)情况如图(tu) 1 所示(shi)。
2.2 集成(cheng)电(dian)路(lu)用(yong)靶材主(zhu)要供(gong)应(ying)商
据(ju)统计[4]，如图(tu) 2 所示(shi)，全(quan)球溅射靶材(cai)市场(chang)呈(cheng)现(xian)寡头垄断格局，JX 金(jin)属、霍(huo)尼韦(wei)尔(er)、东曹(cao)、普(pu)莱(lai)克斯(si)等美(mei)国(guo)、日(ri)本(ben)企业拥(yong)有核(he)心(xin)技术和完(wan)整产(chan)业链(lian)，在(zai)全(quan)球市(shi)场份额占比分(fen)别约(yue)为(wei) 30%、20%、20%、10%，合(he)计占(zhan)据(ju)约(yue)全(quan)球 80%的(de)市(shi)场份(fen)额[4]。
2.2.1 日(ri)本(ben) JX 金属(shu)
JX 金(jin)属(shu)株式会社(she) （JX Nippon Mining & Metals Corporation）成立于 1905 年(nian)，是全(quan)球(qiu)最大的(de)靶(ba)材(cai)供(gong)应(ying)商(shang)，其生产(chan)的(de)半(ban)导体芯(xin)片用钽(tan)靶、铜(tong)靶(ba)、存(cun)储器(qi)用(yong)钨靶等(deng)市场(chang)占有率(lv)为(wei)全球(qiu)第一(yi)[15]，曾(ceng)在(zai)全球半(ban)导(dao)体(ti)铜(tong)靶材供应(ying)市场(chang)占比 80%以(yi)上(shang)，处于(yu)领先(xian)地(di)位(wei)[23]。JX金属主(zhu)要从事有(you)色金属(shu)资源的(de)开(kai)采(cai)与(yu)制(zhi)造(zao)、电解及压(ya)延铜箔(bo)制造(zao)、精密(mi)压延(yan)制品(pin)制(zhi)造、精(jing)密加工，以(yi)及靶(ba)材、表(biao)面(mian)处(chu)理剂、化(hua)合(he)物(wu)半(ban)导(dao)体(ti)材料(liao)等领域。企(qi)业生产(chan)半(ban)导体(ti)、平(ping)板(ban)显(xian)示(shi)、光(guang)伏电(dian)池(chi)、磁(ci)性(xing)设备(bei)、光学薄膜(mo)等产(chan)业用先进靶(ba)材，以(yi)及铜(tong)、银、铝、铟、镉(ge)、碲等(deng)高(gao)纯(chun)金(jin)属(shu)。
2.2.2 美国霍(huo)尼韦尔(er)
美国霍尼(ni)韦(wei)尔(er) （Honeywell） 公司成(cheng)立于(yu) 1885年，提(ti)供(gong)行(xing)业定制的航(hang)空(kong)产品和服(fu)务(wu)、楼宇和工(gong)业控(kong)制(zhi)技(ji)术、以及特(te)性材(cai)料(liao)。生(sheng)产的(de)电(dian)子(zi)材(cai)料(liao)包括超高纯化(hua)学(xue)品、高纯金属(shu)、电(dian)气互(hu)联(lian)材(cai)料(liao)、贵(gui)金属热电偶(ou)、靶材(cai)等(deng)。其中(zhong)高纯金属(shu)有(you)钛(tai)、钴、铜(tong)、铝(lv)、镍等(deng)。霍尼(ni)韦(wei)尔等径(jing)角(jiao)塑型（ECAE）专利技(ji)术(shu)是(shi)霍尼(ni)韦(wei)尔最(zui)初(chu)为(wei)铝(lv)和(he)铝(lv)合金(jin)靶材(cai)研发的(de)先(xian)进工艺，使(shi)用(yong)该(gai)工艺(yi)生(sheng)产(chan)的(de)铜(tong)锰合(he)金等靶材(cai)的(de)超(chao)细(xi)晶(jing)粒尺寸(cun)可(ke)达(da)亚微米(mi)级，具有优越(yue)的(de)性能(neng)[24]。霍尼(ni)韦尔的(de)高(gao)纯(chun)钛靶(ba)材(cai)市场占有率(lv)为(wei)全球(qiu)第一(yi)，芯片(pian)用(yong)铜靶市(shi)场(chang)占(zhan)有率为(wei)全(quan)球(qiu)第二[15]。
2.2.3 日(ri)本东(dong)曹
日本东曹(cao)公司(si)（Tosoh Corporation）成立(li)于(yu) 1935年，主(zhu)营工(gong)业(ye)化(hua)学品(pin)和特殊(shu)材料，涉(she)及石化、建(jian)筑、消(xiao)费(fei)电(dian)子、信息技(ji)术等(deng)领域(yu)，产(chan)品(pin)有(you)石(shi)英制品(pin)及溅射靶材等。日(ri)本(ben)东(dong)曹有(you)高纯(chun)金(jin)属、金属(shu)合(he)金(jin)、金属(shu)陶瓷(ci)、陶(tao)瓷(ci)等(deng)不同(tong)材(cai)质(zhi)及(ji)纯(chun)度(du)的(de)靶材(cai)产(chan)品，可(ke)用于生(sheng)产(chan)半(ban)导体、磁(ci)记录(lu)、热(re)敏打印头、平(ping)板(ban)显(xian)示和(he)薄(bao)膜(mo)电阻(zu)器等，可支持(chi)的(de)晶(jing)圆尺寸(cun)为(wei)小于 6 英寸至(zhi) 18 英(ying)寸(cun)，生产(chan)多(duo)种(zhong)高(gao)纯(chun)金(jin)属粉末(mo)，以钛(tai)和钛(tai)合金(jin)为(wei)代表(biao)。其存储器(qi)芯(xin)片用钨(wu)靶(ba)市(shi)场(chang)占(zhan)有(you)率为(wei)全球第二(er)[15]。
2.2.4 美国(guo)普(pu)莱(lai)克斯(si)
美国(guo)普(pu)莱克斯（Praxair）公司成立(li)于 1907 年，是(shi)全球最大的工(gong)业气体(ti)生产(chan)商(shang)之(zhi)一(yi)，从事(shi)工(gong)艺(yi)气(qi)体(ti)、特种(zhong)气体(ti)和高性能(neng)表面涂(tu)料(liao)等领(ling)域，生(sheng)产(chan)有(you)金属(shu)粉末、电子级(ji)陶瓷、热(re)喷(pen)涂(tu)粉(fen)末、电(dian)线(xian)等。公(gong)司(si)生产高纯度(du)溅(jian)射靶材及(ji)激(ji)光(guang)烧(shao)蚀靶(ba)材，有 1 英(ying)寸(cun)至(zhi) 14 英寸圆(yuan)形，以及(ji)最大(da)至(zhi) 5 英(ying)寸(cun)宽、11 英(ying)寸长的(de)不(bu)同尺寸靶(ba)材(cai)。靶材产(chan)品分有(you)细晶粒、长(zhang)使用寿命(ming)等类型(xing)，用于(yu)半(ban)导(dao)体、平(ping)板显(xian)示(shi)、光(guang)伏(fu)等(deng)领域(yu)。其(qi)芯片用(yong)钛(tai)靶市(shi)场(chang)占(zhan)有率(lv)为(wei)全(quan)球(qiu)第(di)二[15]。
3、结语
溅(jian)射(she)靶(ba)材(cai)是(shi)集成电路(lu)领域(yu)核(he)心材(cai)料(liao)，直(zhi)接影响集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)产业的生(sheng)产能(neng)力(li)和技(ji)术革新(xin)。随集成电路特(te)征(zheng)尺(chi)寸不断缩小(xiao)以(yi)及芯粒（Chiplet）等(deng)新兴技术领(ling)域(yu)发(fa)展，溅射(she)靶(ba)材不仅(jin)将持续(xu)向多材质、高纯(chun)度(du)和高(gao)利用率(lv)等(deng)方向(xiang)发(fa)展，靶(ba)材制(zhi)备(bei)工艺(yi)以(yi)及(ji)上(shang)游高(gao)纯(chun)金属、溅射设(she)备的(de)开(kai)发(fa)也(ye)都(dou)将(jiang)成为(wei)关(guan)注重点(dian)。
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作(zuo)者简介
侯洁娜(na)，中国电(dian)子信息(xi)产业发展研(yan)究院(yuan)集成电路研究所(suo)咨询顾问。
陈(chen)颖(ying)，中国电(dian)子信(xin)息(xi)产(chan)业发展(zhan)研(yan)究院(yuan)集(ji)成电路研究(jiu)所咨(zi)询(xun)顾问(wen)。
赵聪(cong)鹏，中国电(dian)子信息产业发(fa)展(zhan)研(yan)究(jiu)院(yuan)集成(cheng)电(dian)路研究所(suo)设备(bei)材料(liao)研(yan)究(jiu)室副主(zhu)任(ren)。
刘超(chao)，中(zhong)国(guo)电(dian)子信(xin)息产业(ye)发(fa)展研究院集成(cheng)电路(lu)研(yan)究(jiu)所(suo)产(chan)教融(rong)合(he)研(yan)究(jiu)室(shi)主任。
黄润坤，中(zhong)国电子(zi)信息产业(ye)发展(zhan)研(yan)究院(yuan)集成电(dian)路(lu)研究(jiu)所(suo)咨询(xun)顾问(wen)。
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