引言(yan)
溅射靶材(cai)应用于溅射(she)沉积工(gong)艺，可用于(yu)集(ji)成电(dian)路(lu)产业的高性(xing)能(neng)薄膜(mo)制(zhi)备(bei)，对集成电(dian)路(lu)产业发(fa)展具有(you)重要(yao)推动作用。在应用(yong)中(zhong)需要关(guan)注的(de)是溅射靶(ba)材的材(cai)料(liao)、制(zhi)备方法(fa)、性能参数(shu)等(deng)多(duo)个方面(mian)。随集成电(dian)路产(chan)业(ye)芯片产能(neng)的不(bu)断(duan)提升，集成电(dian)路用(yong)靶材市场(chang)规模(mo)也呈(cheng)现(xian)增(zeng)长(zhang)趋势，但整体(ti)上看，集成(cheng)电(dian)路用靶(ba)材(cai)市(shi)场仍呈现一定(ding)的技术(shu)垄(long)断特(te)征(zheng)。
1、靶(ba)材(cai)在集成电(dian)路领(ling)域的应(ying)用
1.1 溅射(she)沉(chen)积(ji)及(ji)靶材的定(ding)义(yi)与(yu)应(ying)用
（1）溅射(she)沉(chen)积及(ji)溅射靶(ba)材。溅(jian)射沉积（sputteringdeposition） 是(shi) 一种(zhong) 物(wu)理气 相(xiang)沉(chen) 积 （physical vapordeposition，PVD）工(gong)艺(yi)，即(ji)在(zai)一(yi)定的真空(kong)环境下(xia)，利(li)用荷能粒(li)子(zi)轰击(ji)材(cai)料表面(mian)，使材(cai)料表(biao)面溅射(she)出粒(li)子(zi)并(bing)沉积在(zai)基底表(biao)面形(xing)成薄膜[1-2]。溅射(she)薄(bao)膜(mo)沉积(ji)工(gong)艺可重(zhong)复性(xing)好、膜(mo)厚可(ke)控，所(suo)制备(bei)的薄膜(mo)具有(you)纯(chun)度(du)高、致(zhi)密(mi)性好等(deng)优(you)点(dian)，且可用(yong)于(yu)在大面积(ji)基板(ban)材(cai)料(liao)上获(huo)得(de)厚度(du)均匀(yun)的(de)薄膜，是(shi)制(zhi)备(bei)薄膜的主(zhu)要(yao)技(ji)术(shu)之(zhi)一[3]。被轰击的目标(biao)材料称(cheng)为溅(jian)射靶(ba)材，是目(mu)前(qian)市场(chang)上(shang)应(ying)用量(liang)最大(da)的 PVD 镀膜材料(liao)[3]。
（2）溅(jian)射靶材(cai)的(de)应(ying)用(yong)和分(fen)类(lei)。如(ru)表(biao) 1 所示(shi)，溅射(she)靶材可(ke)应用(yong)于半导(dao)体(ti)、平(ping)板(ban)显(xian)示、光(guang)伏、记(ji)录存储等多(duo)个(ge)领域。就(jiu)其(qi)分类：按(an)照形(xing)状(zhuang)不同，溅射靶(ba)材(cai)可分为(wei)圆(yuan)形(xing)靶、矩(ju)形(xing)靶和管状靶(ba)。按(an)照材质不(bu)同，溅(jian)射靶(ba)材可(ke)以分(fen)为(wei)纯(chun)金(jin)属靶材(cai)（铝(lv)、钛(tai)、铜、钽等(deng)）、合(he)金靶材(cai)（镍(nie)铬(ge)合金、镍钴(gu)合(he)金(jin)等）、陶瓷化(hua)合物(wu)靶材(cai)（氧(yang)化(hua)物、硅(gui)化(hua)物(wu)、碳(tan)化(hua)物、硫化物(wu)等(deng)）[4]。
（3）靶(ba)材的制(zhi)备(bei)方(fang)法(fa)。靶材的制(zhi)备(bei)方(fang)法(fa)主要有(you)熔(rong)炼(lian)铸(zhu)锭(ding)法、粉(fen)末(mo)冶(ye)金法等[8]。其(qi)中，熔(rong)炼(lian)铸(zhu)锭(ding)法(fa)通(tong)过(guo)熔炼(lian)铸造(zao)坯(pi)料，经过热(re)锻、退火等(deng)工序使气(qi)孔或(huo)偏析扩散(san)、消失(shi)，提高(gao)组织(zhi)的致(zhi)密性和强度(du)，最(zui)终通过精(jing)加工(gong)获(huo)得(de)靶(ba)材(cai)[8-9]。用(yong)熔(rong)炼方(fang)法制(zhi)备(bei)的靶材杂质含量较(jiao)低(di)，致密程(cheng)度较好[10]，但(dan)晶(jing)粒尺寸(cun)和(he)织(zhi)构取向(xiang)均匀性(xing)较(jiao)难(nan)控制，易(yi)产(chan)生(sheng)带(dai)状(zhuang)织(zhi)构[9]，贵金(jin)属(shu)易在熔炼(lian)过程中挥发(fa)[10] 或(huo)在机械加(jia)工中(zhong)产(chan)生损(sun)耗。难(nan)熔贵(gui)金(jin)属钌(liao)及(ji)其合金(jin)或(huo)熔点、密(mi)度相(xiang)差(cha)较(jiao)大的(de)贵(gui)金(jin)属(shu)复(fu)合靶(ba)材(cai)，由于(yu)采用(yong)普通(tong)熔炼(lian)法难以(yi)使成(cheng)分均(jun)匀，一(yi)般(ban)采(cai)用粉(fen)末冶(ye)金法(fa)制(zhi)备(bei)[10]。粉(fen)末冶金(jin)法将(jiang)金属(shu)或(huo)非(fei)金属(shu)粉末(mo)混(hun)合(he)均(jun)匀(yun)后(hou)，经(jing)过压(ya)制(zhi)、烧(shao)结(jie)、退(tui)火(huo)、精加(jia)工等(deng)工(gong)序(xu)获(huo)得靶(ba)材[9]。粉(fen)末(mo)冶金(jin)法能压(ya)制(zhi)成最(zui)终尺(chi)寸(cun)的压(ya)坯，机械加(jia)工(gong)产(chan)生的(de)损耗(hao)少(shao)，可(ke)降低(di)成本(ben)[11]，但工艺(yi)不(bu)当时(shi)易产(chan)生孔(kong)隙(xi)[10]。
（4）溅射靶(ba)材性(xing)能(neng)的影响(xiang)。如表(biao) 2 所示，影(ying)响(xiang)靶材性(xing)能(neng)的(de)因(yin)素有(you)纯度、晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)、晶面取向、磁(ci)透(tou)率(lv)、致(zhi)密度(du)、焊(han)接(jie)性能、表(biao)面质(zhi)量、形状(zhuang)等多(duo)个(ge)方(fang)面(mian)，对(dui)溅(jian)射过(guo)程稳(wen)定性、薄(bao)膜沉(chen)积(ji)速率(lv)、薄(bao)膜(mo)均(jun)匀性(xing)等溅射工(gong)艺(yi)效果(guo)产(chan)生影(ying)响。不同应用(yong)领(ling)域对于(yu)溅射靶材(cai)的性能具有不(bu)同要(yao)求(qiu)，例如在形(xing)状方面(mian)，集(ji)成(cheng)电路领(ling)域(yu)一(yi)般(ban)选(xuan)用圆形(xing)靶，而平(ping)板(ban)显(xian)示(shi)面(mian)板镀膜(mo)由于(yu)有(you)面积大和均(jun)匀性(xing)要求(qiu)，常(chang)使(shi)用长矩形靶[4]；在纯度方(fang)面(mian)，半(ban)导体(ti)领(ling)域(yu)应(ying)用(yong)对(dui)靶材(cai)性能要求最(zui)高(gao)，集成(cheng)电路(lu)用贵金属(shu)靶材的(de)纯度(du)一(yi)般要(yao)求在(zai) 5N （99.999%） 甚(shen)至(zhi) 6N（99.9999%）以(yi)上(shang)[10]等(deng)。
（5）靶(ba)材(cai)结(jie)构(gou)。靶(ba)材(cai)主要(yao)分(fen)为(wei)单(dan)体(ti)靶(ba)材和(he)复(fu)合(he)靶(ba)材(cai)。其(qi)中(zhong)，复合(he)靶材由(you)溅射靶(ba)坯(pi)和(he)背(bei)板(ban)复合(he)而(er)成[12]，背板(ban)固定(ding)有助(zhu)于(yu)提供(gong)较(jiao)大(da)的(de)机(ji)械(xie)强(qiang)度(du)和(he)导热性[13]。复合靶(ba)材的靶(ba)坯(pi)与(yu)背板接(jie)合方(fang)式(shi)，主(zhu)要有焊料(liao)接(jie)合（solderbonding）、扩散(san)接合（diffusion bonding）等(deng)[14]。其中，焊(han)料(liao)接合使(shi)用(yong)铟(yin)、锡(xi)合(he)金等(deng)作(zuo)为(wei)焊料(liao)；扩(kuo)散接(jie)合(he)不(bu)使(shi)用焊(han)料(liao)，将(jiang)靶材与背(bei)板在(zai)高(gao)温(wen)下(xia)施加高压，使两(liang)种材料原子相(xiang)互扩散(san)形成键合(he)。扩散(san)接合的(de)强度(du)较(jiao)高，但背(bei)板(ban)不能(neng)直接(jie)回收(shou)用(yong)于重复使(shi)用[14]。
1.2 靶材(cai)在(zai)集成电(dian)路产(chan)业(ye)的(de)应(ying)用(yong)
金属(shu)靶材在集(ji)成(cheng)电路工艺的(de)主要(yao)应用(yong)是晶圆(yuan)制造及(ji)芯(xin)片(pian)封装(zhuang)环节(jie)的金(jin)属(shu)化工(gong)艺(yi)[12]。在(zai)芯(xin)片制造(zao)中(zhong)，金(jin)属(shu)化的主要(yao)应用有(you)制(zhi)备(bei)金(jin)属(shu)互连(lian)线、接触层(ceng)、阻(zu)挡层(ceng)、粘附层(ceng)等(deng)[16-17]，铜靶(ba)、钽(tan)靶、铝(lv)靶(ba)、钛(tai)靶等(deng)部分(fen)金属(shu)溅(jian)射(she)靶(ba)材(cai)的(de)部分(fen)应用(yong)如表(biao) 3 所示。在芯片封装中(zhong)，金(jin)属(shu)靶材(cai)可(ke)用于(yu)底(di)部凸块(kuai)金(jin)属(shu)化 （UBM）、重布线(xian)层（RDL）、硅通(tong)孔(kong) （TSV） 等，实(shi)现晶(jing)圆级(ji)芯(xin)片封装(zhuang)（WLCSP）、系(xi)统级(ji)封装(zhuang)（SIP）等高密(mi)度封装(zhuang)集成[18]。
陶瓷化合(he)物靶(ba)材在(zai)集(ji)成(cheng)电路(lu)工艺中(zhong)可(ke)用于制(zhi)备栅极(ji)电介(jie)质膜(mo)等(deng)，例(li)如(ru)铪基氧(yang)化(hua)物(wu)在(zai)栅极(ji)高介电(dian)薄膜(mo)制备中的(de)应用(yong)[20] 等。
在(zai)市场(chang)应用环节(jie)，由(you)于(yu)芯片(pian)制造商对(dui)靶材性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)较(jiao)高，集成(cheng)电路用(yong)靶材(cai)产(chan)品存在(zai)一定(ding)的认证壁(bi)垒(lei)。芯(xin)片制造企业对靶(ba)材(cai)供应(ying)商(shang)的(de)认证一(yi)般需(xu)要(yao) 2至 3 年(nian)以上，且(qie)不同(tong)制(zhi)造企(qi)业的认证(zheng)方(fang)式有(you)所不(bu)同。
例如(ru)日(ri)本、韩国制造企(qi)业需要由(you)其(qi)本国中间商(shang)进行(xing)间接(jie)供应，英特尔(er)的(de)靶(ba)材(cai)供(gong)应商需要(yao)通过应(ying)用材料公(gong)司的(de)推荐(jian)，台(tai)积电的(de)靶(ba)材供应(ying)商需要通(tong)过(guo)其(qi)客(ke)户(hu)的(de)认(ren)可等(deng)[15]。所(suo)以，较(jiao)为(wei)复(fu)杂的(de)认(ren)证(zheng)过程一(yi)定(ding)程度上(shang)影(ying)响(xiang)了(le)新(xin)进(jin)靶(ba)材(cai)制造(zao)企业产(chan)品(pin)进入市场(chang)，使靶材行(xing)业存在一定(ding)的市(shi)场(chang)壁(bi)垒(lei)。
2、全球集(ji)成电路(lu)用(yong)靶(ba)材行(xing)业情(qing)况(kuang)
2.1 市场规(gui)模(mo)
据(ju)统(tong)计[21]，晶(jing)圆(yuan)制造(zao)材料中(zhong)溅(jian)射(she)靶(ba)材(cai)约(yue)占芯片(pian)制造(zao)材(cai)料市场 2.6%，封装测试(shi)材(cai)料中溅射(she)靶(ba)材(cai)约(yue)占(zhan)封装材料(liao)市(shi)场(chang) 2.7%。据(ju)报(bao)道(dao)[22]，SEMI（国际(ji)半(ban)导体产(chan)业(ye)协(xie)会）预(yu)计 2022 年(nian)全球(qiu)晶(jing)圆材(cai)料市场为 451 亿美元(yuan)、全球封装材(cai)料市场(chang)为(wei) 248 亿(yi)美元[22]。据(ju)此计(ji)算(suan)可得(de)，2022 年全(quan)球半导(dao)体(ti)用(yong)溅(jian)射(she)靶(ba)材(cai)市(shi)场(chang)规模(mo)预(yu)计(ji)约为 18.43 亿(yi)美(mei)元，其(qi)中晶(jing)圆制(zhi)造(zao)用溅(jian)射靶材市场约11.73 亿美(mei)元，占(zhan)比约 63.7%；封(feng)装测(ce)试用溅射(she)靶材市(shi)场约(yue) 6.70 亿美元(yuan)，占(zhan)比约 36.3%。结合(he) 2017-2021年(nian)全(quan)球(qiu)市(shi)场(chang)规模(mo)情(qing)况[21]，可(ke)得近年(nian)全(quan)球(qiu)半导(dao)体(ti)晶圆(yuan)制造及封(feng)装(zhuang)测(ce)试用溅射(she)靶(ba)材(cai)市场(chang)规模增长(zhang)变(bian)化情况如图 1 所示(shi)。
2.2 集(ji)成(cheng)电路(lu)用(yong)靶材主要供应商(shang)
据统(tong)计[4]，如(ru)图 2 所示，全(quan)球(qiu)溅(jian)射(she)靶(ba)材市(shi)场呈现寡(gua)头(tou)垄断(duan)格局(ju)，JX 金属、霍尼韦(wei)尔、东(dong)曹(cao)、普(pu)莱(lai)克斯(si)等美国(guo)、日(ri)本企(qi)业(ye)拥(yong)有核(he)心技术和完整(zheng)产(chan)业(ye)链，在全(quan)球(qiu)市场(chang)份额(e)占比(bi)分别约为(wei) 30%、20%、20%、10%，合(he)计(ji)占据(ju)约全球 80%的市(shi)场(chang)份额(e)[4]。
2.2.1 日本 JX 金属
JX 金(jin)属株(zhu)式会(hui)社(she) （JX Nippon Mining & MetalsCorporation）成立于 1905 年(nian)，是全(quan)球(qiu)最(zui)大的(de)靶材(cai)供应商(shang)，其生产(chan)的(de)半导体芯片(pian)用钽(tan)靶(ba)、铜靶(ba)、存储(chu)器(qi)用钨靶(ba)等(deng)市场(chang)占(zhan)有率(lv)为(wei)全球(qiu)第(di)一(yi)[15]，曾(ceng)在(zai)全球半导(dao)体(ti)铜(tong)靶材供(gong)应(ying)市场占比 80%以(yi)上(shang)，处于(yu)领(ling)先地位(wei)[23]。JX金(jin)属(shu)主(zhu)要(yao)从(cong)事有(you)色金(jin)属(shu)资(zi)源(yuan)的(de)开采与(yu)制造、电解及(ji)压(ya)延(yan)铜箔(bo)制造(zao)、精(jing)密(mi)压延(yan)制(zhi)品(pin)制(zhi)造、精(jing)密(mi)加(jia)工(gong)，以(yi)及(ji)靶(ba)材(cai)、表面处(chu)理剂、化(hua)合(he)物半(ban)导体材料等领(ling)域。企业(ye)生(sheng)产(chan)半导(dao)体(ti)、平板显(xian)示(shi)、光伏(fu)电(dian)池、磁性设(she)备(bei)、光学(xue)薄膜等产(chan)业(ye)用(yong)先(xian)进靶(ba)材，以及(ji)铜(tong)、银(yin)、铝、铟(yin)、镉、碲等(deng)高纯金属(shu)。
2.2.2 美(mei)国霍尼(ni)韦(wei)尔(er)
美(mei)国霍尼(ni)韦尔(er) （Honeywell） 公司成立于 1885年(nian)，提供行业定(ding)制的航(hang)空(kong)产(chan)品(pin)和服(fu)务、楼(lou)宇(yu)和(he)工(gong)业控制技(ji)术(shu)、以及特性材(cai)料。生(sheng)产(chan)的电子(zi)材料(liao)包(bao)括超高纯化学(xue)品、高纯(chun)金(jin)属(shu)、电气(qi)互(hu)联(lian)材(cai)料(liao)、贵(gui)金(jin)属热电偶(ou)、靶材等。其中高(gao)纯(chun)金属(shu)有钛(tai)、钴、铜、铝、镍等。霍(huo)尼(ni)韦(wei)尔(er)等(deng)径角塑型（ECAE）专(zhuan)利技(ji)术是霍(huo)尼韦(wei)尔最(zui)初为(wei)铝(lv)和(he)铝合(he)金(jin)靶(ba)材(cai)研(yan)发的先(xian)进(jin)工(gong)艺，使(shi)用(yong)该(gai)工(gong)艺(yi)生(sheng)产(chan)的(de)铜(tong)锰合金等(deng)靶(ba)材的超细(xi)晶(jing)粒尺(chi)寸可达亚(ya)微米级，具(ju)有优越的性(xing)能(neng)[24]。霍(huo)尼韦(wei)尔(er)的(de)高(gao)纯(chun)钛靶(ba)材市场(chang)占(zhan)有(you)率为(wei)全(quan)球(qiu)第一(yi)，芯(xin)片用铜(tong)靶(ba)市场(chang)占(zhan)有(you)率(lv)为全(quan)球第二(er)[15]。
2.2.3 日(ri)本(ben)东(dong)曹(cao)
日本(ben)东曹公司（Tosoh Corporation）成立(li)于(yu) 1935年，主(zhu)营工(gong)业(ye)化(hua)学品和(he)特殊材料，涉及石化、建(jian)筑(zhu)、消费(fei)电(dian)子(zi)、信息(xi)技术等领域(yu)，产(chan)品有石英(ying)制(zhi)品及(ji)溅(jian)射靶材(cai)等。日(ri)本(ben)东(dong)曹(cao)有高(gao)纯(chun)金属、金(jin)属合金、金属(shu)陶瓷、陶瓷等(deng)不同(tong)材质(zhi)及(ji)纯度(du)的靶材(cai)产品，可用于(yu)生产半(ban)导(dao)体(ti)、磁记录、热(re)敏(min)打印头(tou)、平板(ban)显(xian)示(shi)和(he)薄(bao)膜电(dian)阻器等，可支(zhi)持的(de)晶圆(yuan)尺寸(cun)为小(xiao)于(yu) 6 英寸(cun)至 18 英寸(cun)，生产多(duo)种(zhong)高(gao)纯金属(shu)粉末(mo)，以钛和钛合(he)金(jin)为代表(biao)。其存(cun)储器芯(xin)片用钨靶(ba)市(shi)场占有(you)率(lv)为全(quan)球(qiu)第二[15]。
2.2.4 美(mei)国普(pu)莱(lai)克斯
美(mei)国普(pu)莱克(ke)斯(si)（Praxair）公司(si)成立于(yu) 1907 年，是全球(qiu)最(zui)大(da)的(de)工(gong)业(ye)气(qi)体(ti)生(sheng)产商(shang)之(zhi)一(yi)，从事工(gong)艺(yi)气(qi)体(ti)、特种气体(ti)和高性(xing)能表(biao)面(mian)涂(tu)料(liao)等领域，生产(chan)有(you)金属粉末、电(dian)子(zi)级陶(tao)瓷(ci)、热喷涂粉末、电(dian)线(xian)等(deng)。公司生(sheng)产高(gao)纯(chun)度溅射(she)靶(ba)材(cai)及(ji)激(ji)光烧(shao)蚀(shi)靶材，有 1 英寸(cun)至 14 英(ying)寸圆(yuan)形，以及最(zui)大(da)至(zhi) 5 英寸宽(kuan)、11 英(ying)寸长的不(bu)同(tong)尺(chi)寸(cun)靶材。靶材产品(pin)分有细(xi)晶(jing)粒(li)、长使用寿命(ming)等(deng)类(lei)型，用(yong)于(yu)半导(dao)体、平板显(xian)示、光(guang)伏等领(ling)域(yu)。其(qi)芯片用(yong)钛(tai)靶(ba)市(shi)场占(zhan)有(you)率(lv)为全球第(di)二(er)[15]。
3、结(jie)语(yu)
溅(jian)射(she)靶(ba)材(cai)是集成电(dian)路领(ling)域(yu)核心(xin)材(cai)料，直接影(ying)响集(ji)成电(dian)路(lu)产(chan)业的(de)生产能力和技(ji)术(shu)革新(xin)。随(sui)集成(cheng)电(dian)路(lu)特(te)征尺寸不断缩(suo)小以(yi)及芯(xin)粒（Chiplet）等(deng)新兴(xing)技术(shu)领域发(fa)展，溅(jian)射靶材(cai)不(bu)仅(jin)将(jiang)持(chi)续(xu)向多(duo)材质(zhi)、高(gao)纯度(du)和(he)高(gao)利用率(lv)等(deng)方(fang)向(xiang)发(fa)展，靶(ba)材制备(bei)工艺以及上游(you)高(gao)纯金(jin)属、溅射设(she)备(bei)的开(kai)发(fa)也(ye)都(dou)将成(cheng)为(wei)关注重点。
参(can)考(kao)文(wen)献(xian)
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作者(zhe)简(jian)介(jie)
侯(hou)洁娜(na)，中(zhong)国(guo)电(dian)子(zi)信息(xi)产(chan)业(ye)发(fa)展(zhan)研究院(yuan)集(ji)成电(dian)路(lu)研(yan)究所咨(zi)询顾(gu)问(wen)。
陈(chen)颖(ying)，中(zhong)国(guo)电(dian)子信息(xi)产(chan)业发(fa)展(zhan)研(yan)究院(yuan)集(ji)成电(dian)路(lu)研究所(suo)咨询(xun)顾(gu)问(wen)。
赵(zhao)聪(cong)鹏，中(zhong)国电(dian)子信息产业(ye)发展(zhan)研究院集成电路(lu)研(yan)究(jiu)所设备(bei)材料(liao)研(yan)究(jiu)室(shi)副(fu)主(zhu)任。
刘超(chao)，中(zhong)国电(dian)子信(xin)息(xi)产(chan)业(ye)发展(zhan)研(yan)究(jiu)院集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)研究(jiu)所(suo)产(chan)教(jiao)融(rong)合(he)研(yan)究(jiu)室(shi)主任(ren)。
黄润(run)坤，中国(guo)电子(zi)信息(xi)产(chan)业(ye)发展研究(jiu)院(yuan)集成(cheng)电路研(yan)究所咨(zi)询(xun)顾问。
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