引言
濺射靶材應用于濺射沉積工藝，可用于集成電路產業的高性能薄膜制備，對集成電路產業發展具有重要推動作用。在應用中需要關注的是濺射靶材的材料、制備方法、性能參數等多個方面。隨集成電路產業芯片產能的不斷提升，集成電路用靶材市場規模也呈現增長趨勢，但整體上看，集成電路用靶材市場仍呈現一定的技術壟斷特征。
1、靶材在集成電路領域的應用
1.1 濺射沉積及靶材的定義與應用
（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性好、膜厚可控，所制備的薄膜具有純度高、致密性好等優點，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之一[3]。被轟擊的目標材料稱為濺射靶材，是目前市場上應用量最大的 PVD 鍍膜材料[3]。
（2）濺射靶材的應用和分類。如表 1 所示，濺射靶材可應用于半導體、平板顯示、光伏、記錄存儲等多個領域。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，經過熱鍛、退火等工序使氣孔或偏析擴散、消失，提高組織的致密性和強度，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含量較低，致密程度較好[10]，但晶粒尺寸和織構取向均勻性較難控制，易產生帶狀織構[9]，貴金屬易在熔煉過程中揮發[10] 或在機械加工中產生損耗。難熔貴金屬釕及其合金或熔點、密度相差較大的貴金屬復合靶材，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，經過壓制、燒結、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，機械加工產生的損耗少，可降低成本[11]，但工藝不當時易產生孔隙[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、表面質量、形狀等多個方面，對濺射過程穩定性、薄膜沉積速率、薄膜均勻性等濺射工藝效果產生影響。不同應用領域對于濺射靶材的性能具有不同要求，例如在形狀方面，集成電路領域一般選用圓形靶，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，半導體領域應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）靶材結構。靶材主要分為單體靶材和復合靶材。其中，復合靶材由濺射靶坯和背板復合而成[12]，背板固定有助于提供較大的機械強度和導熱性[13]。復合靶材的靶坯與背板接合方式，主要有焊料接合（solder bonding）、擴散接合（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散形成鍵合。擴散接合的強度較高，但背板不能直接回收用于重復使用[14]。
1.2 靶材在集成電路產業的應用
金屬靶材在集成電路工藝的主要應用是晶圓制造及芯片封裝環節的金屬化工藝[12]。在芯片制造中，金屬化的主要應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，實現晶圓級芯片封裝（WLCSP）、系統級封裝（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膜等，例如鉿基氧化物在柵極高介電薄膜制備中的應用[20] 等。
在市場應用環節，由于芯片制造商對靶材性能要求較高，集成電路用靶材產品存在一定的認證壁壘。芯片制造企業對靶材供應商的認證一般需要 2至 3 年以上，且不同制造企業的認證方式有所不同。
例如日本、韓國制造企業需要由其本國中間商進行間接供應，英特爾的靶材供應商需要通過應用材料公司的推薦，臺積電的靶材供應商需要通過其客戶的認可等[15]。所以，較為復雜的認證過程一定程度上影響了新進靶材制造企業產品進入市場，使靶材行業存在一定的市場壁壘。
2、全球集成電路用靶材行業情況
2.1 市場規模
據統計[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%。據報道[22]，SEMI（國際半導體產業協會）預計 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]。據此計算可得，2022 年全球半導體用濺射靶材市場規模預計約為 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%。結合 2017-2021年全球市場規模情況[21]，可得近年全球半導體晶圓制造及封裝測試用濺射靶材市場規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商
據統計[4]，如圖 2 所示，全球濺射靶材市場呈現寡頭壟斷格局，JX 金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯等美國、日本企業擁有核心技術和完整產業鏈，在全球市場份額占比分別約為 30%、20%、20%、10%，合計占據約全球 80%的市場份額[4]。
2.2.1 日本 JX 金屬
JX 金屬株式會社 （JX Nippon Mining & Metals Corporation）成立于 1905 年，是全球最大的靶材供應商，其生產的半導體芯片用鉭靶、銅靶、存儲器用鎢靶等市場占有率為全球第一[15]，曾在全球半導體銅靶材供應市場占比 80%以上，處于領先地位[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、化合物半導體材料等領域。企業生產半導體、平板顯示、光伏電池、磁性設備、光學薄膜等產業用先進靶材，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，提供行業定制的航空產品和服務、樓宇和工業控制技術、以及特性材料。生產的電子材料包括超高純化學品、高純金屬、電氣互聯材料、貴金屬熱電偶、靶材等。其中高純金屬有鈦、鈷、銅、鋁、鎳等。霍尼韋爾等徑角塑型（ECAE）專利技術是霍尼韋爾最初為鋁和鋁合金靶材研發的先進工藝，使用該工藝生產的銅錳合金等靶材的超細晶粒尺寸可達亞微米級，具有優越的性能[24]。霍尼韋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，主營工業化學品和特殊材料，涉及石化、建筑、消費電子、信息技術等領域，產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、陶瓷等不同材質及純度的靶材產品，可用于生產半導體、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，生產多種高純金屬粉末，以鈦和鈦合金為代表。其存儲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，是全球最大的工業氣體生產商之一，從事工藝氣體、特種氣體和高性能表面涂料等領域，生產有金屬粉末、電子級陶瓷、熱噴涂粉末、電線等。公司生產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。靶材產品分有細晶粒、長使用壽命等類型，用于半導體、平板顯示、光伏等領域。其芯片用鈦靶市場占有率為全球第二[15]。
3、結語
濺射靶材是集成電路領域核心材料，直接影響集成電路產業的生產能力和技術革新。隨集成電路特征尺寸不斷縮小以及芯粒（Chiplet）等新興技術領域發展，濺射靶材不僅將持續向多材質、高純度和高利用率等方向發展，靶材制備工藝以及上游高純金屬、濺射設備的開發也都將成為關注重點。
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作者簡介
侯潔娜，中國電子信息產業發展研究院集成電路研究所咨詢顧問。
陳穎，中國電子信息產業發展研究院集成電路研究所咨詢顧問。
趙聰鵬，中國電子信息產業發展研究院集成電路研究所設備材料研究室副主任。
劉超，中國電子信息產業發展研究院集成電路研究所產教融合研究室主任。
黃潤坤，中國電子信息產業發展研究院集成電路研究所咨詢顧問。
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