引言
濺射靶材應(yīng)用于濺射沉積工藝，可用于集成電路產(chǎn)業(yè)的高性能薄膜制備，對集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。在應(yīng)用中需要關(guān)注的是濺射靶材的材料、制備方法、性能參數(shù)等多個(gè)方面。隨集成電路產(chǎn)業(yè)芯片產(chǎn)能的不斷提升，集成電路用靶材市場規(guī)模也呈現(xiàn)增長趨勢，但整體上看，集成電路用靶材市場仍呈現(xiàn)一定的技術(shù)壟斷特征。
1、靶材在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用
1.1 濺射沉積及靶材的定義與應(yīng)用
（1）濺射沉積及濺射靶材。濺射沉積（sputtering deposition） 是一種物理氣相沉積 （physical vapor deposition，PVD）工藝，即在一定的真空環(huán)境下，利用荷能粒子轟擊材料表面，使材料表面濺射出粒子并沉積在基底表面形成薄膜[1-2]。濺射薄膜沉積工藝可重復(fù)性好、膜厚可控，所制備的薄膜具有純度高、致密性好等優(yōu)點(diǎn)，且可用于在大面積基板材料上獲得厚度均勻的薄膜，是制備薄膜的主要技術(shù)之一[3]。被轟擊的目標(biāo)材料稱為濺射靶材，是目前市場上應(yīng)用量最大的 PVD 鍍膜材料[3]。
（2）濺射靶材的應(yīng)用和分類。如表 1 所示，濺射靶材可應(yīng)用于半導(dǎo)體、平板顯示、光伏、記錄存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域。就其分類：按照形狀不同，濺射靶材可分為圓形靶、矩形靶和管狀靶。按照材質(zhì)不同，濺射靶材可以分為純金屬靶材（鋁、鈦、銅、鉭等）、合金靶材（鎳鉻合金、鎳鈷合金等）、陶瓷化合物靶材（氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等）[4]。
（3）靶材的制備方法。靶材的制備方法主要有熔煉鑄錠法、粉末冶金法等[8]。其中，熔煉鑄錠法通過熔煉鑄造坯料，經(jīng)過熱鍛、退火等工序使氣孔或偏析擴(kuò)散、消失，提高組織的致密性和強(qiáng)度，最終通過精加工獲得靶材[8-9]。用熔煉方法制備的靶材雜質(zhì)含量較低，致密程度較好[10]，但晶粒尺寸和織構(gòu)取向均勻性較難控制，易產(chǎn)生帶狀織構(gòu)[9]，貴金屬易在熔煉過程中揮發(fā)[10] 或在機(jī)械加工中產(chǎn)生損耗。難熔貴金屬釕及其合金或熔點(diǎn)、密度相差較大的貴金屬復(fù)合靶材，由于采用普通熔煉法難以使成分均勻，一般采用粉末冶金法制備[10]。粉末冶金法將金屬或非金屬粉末混合均勻后，經(jīng)過壓制、燒結(jié)、退火、精加工等工序獲得靶材[9]。粉末冶金法能壓制成最終尺寸的壓坯，機(jī)械加工產(chǎn)生的損耗少，可降低成本[11]，但工藝不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生孔隙[10]。
（4）濺射靶材性能的影響。如表 2 所示，影響靶材性能的因素有純度、晶粒尺寸、晶面取向、磁透率、致密度、焊接性能、表面質(zhì)量、形狀等多個(gè)方面，對濺射過程穩(wěn)定性、薄膜沉積速率、薄膜均勻性等濺射工藝效果產(chǎn)生影響。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ跒R射靶材的性能具有不同要求，例如在形狀方面，集成電路領(lǐng)域一般選用圓形靶，而平板顯示面板鍍膜由于有面積大和均勻性要求，常使用長矩形靶[4]；在純度方面，半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用對靶材性能要求最高，集成電路用貴金屬靶材的純度一般要求在 5N （99.999%） 甚至 6N（99.9999%）以上[10]等。
（5）靶材結(jié)構(gòu)。靶材主要分為單體靶材和復(fù)合靶材。其中，復(fù)合靶材由濺射靶坯和背板復(fù)合而成[12]，背板固定有助于提供較大的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性[13]。復(fù)合靶材的靶坯與背板接合方式，主要有焊料接合（solder bonding）、擴(kuò)散接合（diffusion bonding）等[14]。其中，焊料接合使用銦、錫合金等作為焊料；擴(kuò)散接合不使用焊料，將靶材與背板在高溫下施加高壓，使兩種材料原子相互擴(kuò)散形成鍵合。擴(kuò)散接合的強(qiáng)度較高，但背板不能直接回收用于重復(fù)使用[14]。
1.2 靶材在集成電路產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用
金屬靶材在集成電路工藝的主要應(yīng)用是晶圓制造及芯片封裝環(huán)節(jié)的金屬化工藝[12]。在芯片制造中，金屬化的主要應(yīng)用有制備金屬互連線、接觸層、阻擋層、粘附層等[16-17]，銅靶、鉭靶、鋁靶、鈦靶等部分金屬濺射靶材的部分應(yīng)用如表 3 所示。在芯片封裝中，金屬靶材可用于底部凸塊金屬化 （UBM）、重布線層（RDL）、硅通孔 （TSV） 等，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）等高密度封裝集成[18]。
陶瓷化合物靶材在集成電路工藝中可用于制備柵極電介質(zhì)膜等，例如鉿基氧化物在柵極高介電薄膜制備中的應(yīng)用[20] 等。
在市場應(yīng)用環(huán)節(jié)，由于芯片制造商對靶材性能要求較高，集成電路用靶材產(chǎn)品存在一定的認(rèn)證壁壘。芯片制造企業(yè)對靶材供應(yīng)商的認(rèn)證一般需要 2至 3 年以上，且不同制造企業(yè)的認(rèn)證方式有所不同。
例如日本、韓國制造企業(yè)需要由其本國中間商進(jìn)行間接供應(yīng)，英特爾的靶材供應(yīng)商需要通過應(yīng)用材料公司的推薦，臺(tái)積電的靶材供應(yīng)商需要通過其客戶的認(rèn)可等[15]。所以，較為復(fù)雜的認(rèn)證過程一定程度上影響了新進(jìn)靶材制造企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入市場，使靶材行業(yè)存在一定的市場壁壘。
2、全球集成電路用靶材行業(yè)情況
2.1 市場規(guī)模
據(jù)統(tǒng)計(jì)[21]，晶圓制造材料中濺射靶材約占芯片制造材料市場 2.6%，封裝測試材料中濺射靶材約占封裝材料市場 2.7%。據(jù)報(bào)道[22]，SEMI（國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)）預(yù)計(jì) 2022 年全球晶圓材料市場為 451 億美元、全球封裝材料市場為 248 億美元[22]。據(jù)此計(jì)算可得，2022 年全球半導(dǎo)體用濺射靶材市場規(guī)模預(yù)計(jì)約為 18.43 億美元，其中晶圓制造用濺射靶材市場約11.73 億美元，占比約 63.7%；封裝測試用濺射靶材市場約 6.70 億美元，占比約 36.3%。結(jié)合 2017-2021年全球市場規(guī)模情況[21]，可得近年全球半導(dǎo)體晶圓制造及封裝測試用濺射靶材市場規(guī)模增長變化情況如圖 1 所示。
2.2 集成電路用靶材主要供應(yīng)商
據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，如圖 2 所示，全球?yàn)R射靶材市場呈現(xiàn)寡頭壟斷格局，JX 金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯等美國、日本企業(yè)擁有核心技術(shù)和完整產(chǎn)業(yè)鏈，在全球市場份額占比分別約為 30%、20%、20%、10%，合計(jì)占據(jù)約全球 80%的市場份額[4]。
2.2.1 日本 JX 金屬
JX 金屬株式會(huì)社 （JX Nippon Mining & Metals Corporation）成立于 1905 年，是全球最大的靶材供應(yīng)商，其生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片用鉭靶、銅靶、存儲(chǔ)器用鎢靶等市場占有率為全球第一[15]，曾在全球半導(dǎo)體銅靶材供應(yīng)市場占比 80%以上，處于領(lǐng)先地位[23]。JX金屬主要從事有色金屬資源的開采與制造、電解及壓延銅箔制造、精密壓延制品制造、精密加工，以及靶材、表面處理劑、化合物半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域。企業(yè)生產(chǎn)半導(dǎo)體、平板顯示、光伏電池、磁性設(shè)備、光學(xué)薄膜等產(chǎn)業(yè)用先進(jìn)靶材，以及銅、銀、鋁、銦、鎘、碲等高純金屬。
2.2.2 美國霍尼韋爾
美國霍尼韋爾 （Honeywell） 公司成立于 1885年，提供行業(yè)定制的航空產(chǎn)品和服務(wù)、樓宇和工業(yè)控制技術(shù)、以及特性材料。生產(chǎn)的電子材料包括超高純化學(xué)品、高純金屬、電氣互聯(lián)材料、貴金屬熱電偶、靶材等。其中高純金屬有鈦、鈷、銅、鋁、鎳等?；裟犴f爾等徑角塑型（ECAE）專利技術(shù)是霍尼韋爾最初為鋁和鋁合金靶材研發(fā)的先進(jìn)工藝，使用該工藝生產(chǎn)的銅錳合金等靶材的超細(xì)晶粒尺寸可達(dá)亞微米級(jí)，具有優(yōu)越的性能[24]?；裟犴f爾的高純鈦靶材市場占有率為全球第一，芯片用銅靶市場占有率為全球第二[15]。
2.2.3 日本東曹
日本東曹公司（Tosoh Corporation）成立于 1935年，主營工業(yè)化學(xué)品和特殊材料，涉及石化、建筑、消費(fèi)電子、信息技術(shù)等領(lǐng)域，產(chǎn)品有石英制品及濺射靶材等。日本東曹有高純金屬、金屬合金、金屬陶瓷、陶瓷等不同材質(zhì)及純度的靶材產(chǎn)品，可用于生產(chǎn)半導(dǎo)體、磁記錄、熱敏打印頭、平板顯示和薄膜電阻器等，可支持的晶圓尺寸為小于 6 英寸至 18 英寸，生產(chǎn)多種高純金屬粉末，以鈦和鈦合金為代表。其存儲(chǔ)器芯片用鎢靶市場占有率為全球第二[15]。
2.2.4 美國普萊克斯
美國普萊克斯（Praxair）公司成立于 1907 年，是全球最大的工業(yè)氣體生產(chǎn)商之一，從事工藝氣體、特種氣體和高性能表面涂料等領(lǐng)域，生產(chǎn)有金屬粉末、電子級(jí)陶瓷、熱噴涂粉末、電線等。公司生產(chǎn)高純度濺射靶材及激光燒蝕靶材，有 1 英寸至 14 英寸圓形，以及最大至 5 英寸寬、11 英寸長的不同尺寸靶材。靶材產(chǎn)品分有細(xì)晶粒、長使用壽命等類型，用于半導(dǎo)體、平板顯示、光伏等領(lǐng)域。其芯片用鈦靶市場占有率為全球第二[15]。
3、結(jié)語
濺射靶材是集成電路領(lǐng)域核心材料，直接影響集成電路產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力和技術(shù)革新。隨集成電路特征尺寸不斷縮小以及芯粒（Chiplet）等新興技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，濺射靶材不僅將持續(xù)向多材質(zhì)、高純度和高利用率等方向發(fā)展，靶材制備工藝以及上游高純金屬、濺射設(shè)備的開發(fā)也都將成為關(guān)注重點(diǎn)。
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作者簡介
侯潔娜，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院集成電路研究所咨詢顧問。
陳穎，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院集成電路研究所咨詢顧問。
趙聰鵬，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院集成電路研究所設(shè)備材料研究室副主任。
劉超，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院集成電路研究所產(chǎn)教融合研究室主任。
黃潤坤，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院集成電路研究所咨詢顧問。
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