高純鉭靶材分步脫氫脫氧工藝突破與平面顯示靶材國產(chǎn)化路徑研究

濺射靶材作為電子信息產(chǎn)業(yè)的核心原材料，在半導體集成電路、平板顯示、太陽能電池等戰(zhàn)略性領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。其中，高純鉭靶材因優(yōu)異的擴散阻擋性能，成為超大規(guī)模集成電路銅互連工藝的關(guān)鍵材料；而鋁、銅、鉬等靶材則是平板顯示面板制造的基礎(chǔ)支撐。隨著全球數(shù)字化進程加速，市場對濺射靶材的純度、致密度及微觀均勻性提出了更為嚴苛的要求，純度需達到 99.995% 以上，晶粒尺寸控制在 100μm 以下，且雜質(zhì)元素含量需低于 ppm 級。

我國濺射靶材產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)十余年發(fā)展，已在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。寧夏東方鉭業(yè)通過工藝創(chuàng)新實現(xiàn)了高純鉭粉的穩(wěn)定量產(chǎn)，洛陽四豐電子在鉬靶材市場占據(jù)主導地位，江豐電子的鋁靶材成功進入國際供應(yīng)鏈。然而，高端鉭靶材、鉬鈮合金靶材等仍被日美企業(yè)壟斷，日本日礦金屬、美國霍尼韋爾等公司占據(jù)全球 80% 以上的高端市場份額。這種 “大而不強” 的局面凸顯了我國在核心材料領(lǐng)域的技術(shù)短板，亟需通過工藝革新與產(chǎn)業(yè)協(xié)同實現(xiàn)突破。

本文系統(tǒng)整合高純鉭靶材制備技術(shù)與平面顯示用靶材市場需求的最新研究成果，從材料制備工藝、性能調(diào)控機制、市場供應(yīng)格局三個維度展開分析，重點探討分步脫氫脫氧工藝對鉭粉純度的影響、粉末冶金與熔煉鑄錠法的技術(shù)差異，以及平板顯示行業(yè)靶材的國產(chǎn)化替代路徑，為推動關(guān)鍵材料自主可控提供理論與實踐參考。

一、高純鉭靶材制備工藝及性能調(diào)控

（一）高純鉭粉的分步制備工藝

高純鉭粉的質(zhì)量直接決定鉭靶材的濺射性能，其制備工藝需同時滿足低氧、低氫、細粒度三大核心指標。傳統(tǒng)工藝采用脫氫與脫氧同步進行的方式，在 800~900℃下處理，導致難以平衡雜質(zhì)控制與顆粒生長的矛盾：溫度過低則氫含量偏高（通常 > 70×10??），溫度過高則鉭粉顆粒燒結(jié)團聚，粒度 D??可達 70μm 以上，且鎂雜質(zhì)被包裹難以去除（>30×10??）。

改進的分步工藝通過高溫脫氫（900~950℃）與低溫脫氧（700~800℃）的分段處理，實現(xiàn)了性能突破：

高溫脫氫階段：在氬氣保護下保溫 180 分鐘，使氫化鉭充分分解，氫含量可降至 10×10??以下，較傳統(tǒng)工藝降低 85% 以上。

低溫脫氧階段：按鉭粉質(zhì)量 1%~2.5% 添加鎂粉，在 700~800℃下進行還原反應(yīng)，避免顆粒過度燒結(jié)，氧含量控制在 450~700×10??，遠低于傳統(tǒng)工藝的 1200×10??。

真空熱處理：在 10?3Pa 真空、700~800℃條件下保溫 30~60 分鐘，有效去除殘余鎂（<1.2×10??）、氟等雜質(zhì)，同時抑制顆粒長大，最終產(chǎn)品 D??控制在 10~15μm，粒度分布集中度提升 40%（D??/D??=4.8，傳統(tǒng)工藝為 9.4）。

表 1 不同工藝制備的鉭粉性能對比

微觀形貌分析顯示，分步工藝制備的鉭粉顆粒呈類球形，表面光滑無團聚，而傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品存在大量燒結(jié)頸與二次顆粒，這是導致濺射過程中微粒飛濺的主要原因。輝光放電質(zhì)譜（GDMS）分析證實，分步工藝產(chǎn)品中鈾、釷等放射性元素含量均低于 0.001×10??，滿足半導體級靶材要求。

（二）鉭靶材成型技術(shù)對比

高純鉭靶材的成型方法主要分為熔煉鑄錠法與粉末冶金法，兩種工藝在純度控制、微觀組織及適用場景上存在顯著差異：

熔煉鑄錠法作為當前主流工藝，通過電子束熔煉實現(xiàn)高純度制備，流程為：原料→電子束熔煉（2 次）→鍛造→軋制→退火→精加工。其優(yōu)勢在于：

純度可達 99.998% 以上，氣體雜質(zhì)（C、N、O）總含量 < 50×10??；

致密度高（>99.5%），無孔隙缺陷，避免濺射時異常放電；

可生產(chǎn)大尺寸靶材（直徑≥300mm），滿足 300mm 晶圓生產(chǎn)線需求。

但該工藝存在固有局限：鑄造組織晶粒粗大（原始晶粒直徑 > 50mm），需經(jīng)多道次鍛造與退火細化至 110μm 以下，仍易形成條帶狀織構(gòu)，導致濺射薄膜厚度偏差達 ±5%。商用鉭靶的典型雜質(zhì)控制水平為：Fe、Na、Cr 等金屬雜質(zhì) < 0.1×10??，U<0.0005×10??，Th<0.001×10??。

粉末冶金法通過熱壓或熱等靜壓成型，流程為：高純鉭粉→冷等靜壓（220MPa）→真空燒結(jié)（2100℃）→軋制→退火。其技術(shù)突破點在于：

晶粒細化顯著，經(jīng)少量軋制后可獲得 15~40μm 的均勻晶粒，較熔煉法細 3~7 倍；

織構(gòu)隨機分布，{111} 晶面取向占比僅 19.6%，薄膜厚度均勻性偏差降至 ±2%；

相對密度可達 99.65%，滿足濺射基本要求。

但該工藝目前存在氣體雜質(zhì)控制難題，試驗產(chǎn)品氧含量達 750×10??，遠高于熔煉法的 20×10??，且生產(chǎn)成本較高，設(shè)備投資是熔煉法的 1.5 倍。日本日礦金屬已實現(xiàn)粉末冶金鉭靶的商業(yè)化應(yīng)用，而國內(nèi)仍處于試驗階段，寧夏東方鉭業(yè)的熱等靜壓鉭靶坯正在客戶端驗證。

（三）關(guān)鍵性能指標對濺射效果的影響

鉭靶材的濺射性能與其純度、微觀組織密切相關(guān)：

純度：氧含量每增加 500×10??，薄膜電阻率上升 8%~10%，當氧含量 > 1000×10??時，會導致薄膜擊穿電壓下降 30%；

晶粒尺寸：晶粒直徑從 100μm 降至 20μm，薄膜厚度均勻性提升 40%，這是由于細晶粒可減少濺射產(chǎn)額的各向異性；

致密度：孔隙率 > 0.5% 時，濺射過程中會釋放氣體導致電弧放電，每平方厘米孔隙可使薄膜缺陷密度增加 2~3 個 /μm2。

某半導體廠的驗證數(shù)據(jù)顯示，采用分步工藝制備的鉭靶材（氧 450×10??，晶粒 30μm）在 14nm 節(jié)點銅互連工藝中，薄膜臺階覆蓋率達 92%，較進口靶材（88%）略有提升，且靶材利用率提高至 65%，接近國際先進水平。

二、平面顯示行業(yè)用濺射靶材市場分析

（一）主要靶材類型及技術(shù)要求

薄膜晶體管液晶顯示（TFT-LCD）面板生產(chǎn)中，金屬濺射靶材用于制備電極、互連線及阻擋層，其中 8.5 代線以鋁、銅、鉬、鉬鈮合金靶為主，每套包含 12 塊條靶（尺寸 2650mm×210mm×18mm），技術(shù)要求如表 2 所示：

表 2 8.5 代線主要靶材技術(shù)參數(shù)

鋁靶需控制硅、鐵雜質(zhì) < 0.5×10??，避免影響薄膜導電性；銅靶要求氧含量 < 50×10??，防止濺射時形成 CuO 顆粒；鉬鈮合金靶因鈮的固溶強化作用，需精確控制鈮含量（10±0.5at%），否則會導致靶材脆性增加，加工成材率降至 50% 以下。

（二）市場供應(yīng)格局與國產(chǎn)化進展

鋁靶材市場呈現(xiàn) “日資主導，國產(chǎn)突破” 的態(tài)勢：

日資企業(yè)愛發(fā)科電子（蘇州）占據(jù) 50% 份額，其 5N 純度鋁靶在京東方 8.5 代線的占有率達 70%；

江豐電子通過引進海外技術(shù)團隊，實現(xiàn) 6N 鋁靶量產(chǎn)，2023 年在華星光電的供應(yīng)量同比增長 120%，市場份額提升至 15%；

新疆眾和的高純鋁原料（6N）已通過住友化學認證，為靶材生產(chǎn)提供本土保障。

銅靶市場壟斷程度最高：

愛發(fā)科電子（蘇州）占據(jù) 80% 以上份額，其 Cu-Mn 合金靶因抗電遷移性能優(yōu)異，成為高端面板首選；

江豐電子的銅靶已完成中電熊貓驗證，2024 年將進入批量供貨，預計年產(chǎn)能達 500 噸；

有研新材的 6N 高純銅原料純度達標，但條形靶加工設(shè)備仍依賴進口，生產(chǎn)成本較日資企業(yè)高 15%。

鉬靶國產(chǎn)化成效顯著：

條靶領(lǐng)域，洛陽四豐電子占據(jù) 60% 市場份額，其產(chǎn)品在 TCL 華星 8.5 代線的替代率達 90%，價格較奧地利攀時低 20%；

寬靶領(lǐng)域，德國世泰科仍壟斷 90% 市場，洛陽四豐的寬幅鉬靶（1800mm×1500mm）正在京東方驗證，預計 2025 年實現(xiàn)量產(chǎn)；

管靶因需通過美國 AKT 設(shè)備認證（認證費占售價 5%），國內(nèi)僅 1 條生產(chǎn)線采用，年需求量不足 100 噸。

鉬鈮合金靶技術(shù)壁壘最高：

日本日立金屬與德國世泰科占據(jù)全球市場，其產(chǎn)品致密度 > 99.5%，氧含量 < 500×10??；

西部金屬材料與愛發(fā)科合作，成功軋制出致密度 99.3% 的 Mo-Nb10 靶坯，氧含量控制在 1000×10??以下，正在彩虹光電進行濺射測試。

（三）需求規(guī)模與認證體系

2023 年國內(nèi)已投產(chǎn) 12 條 8.5 代 TFT-LCD 生產(chǎn)線，年消耗靶材總量約 2760 噸，其中：

鋁靶 468 噸（單條線年需求 39 噸）；

銅靶 1428 噸（單條線年需求 119 噸）；

鉬靶 814 噸（單條線年需求 74 噸）；

鉬鈮合金靶 54 噸（單條線年需求 6 噸）。

靶材認證是國產(chǎn)化的主要障礙，8.5 代線的認證流程包括：

材料性能測試（3 個月）：驗證純度、致密度等指標；

小批量試用（6 個月）：在 10% 產(chǎn)能下評估薄膜均勻性；

穩(wěn)定性考核（3 個月）：連續(xù)生產(chǎn)無異常停機；

全產(chǎn)線推廣（12 個月）：逐步提升替代比例至 50%。

完整認證周期長達 2 年，單條線的認證成本超 500 萬元，對中小企業(yè)構(gòu)成資金壓力。京東方建立的 “國產(chǎn)靶材聯(lián)合驗證平臺” 可縮短認證周期至 18 個月，2023 年幫助 5 家國內(nèi)企業(yè)完成鉬靶、鋁靶認證。

三、產(chǎn)業(yè)發(fā)展挑戰(zhàn)與突破路徑

（一）技術(shù)瓶頸分析

高純鉭靶材面臨三大難題：

原料提純：5N 以上鉭粉的痕量雜質(zhì)（如碳、氧）控制困難，國內(nèi)企業(yè)的 5N 鉭粉中碳含量波動在 30~100×10??，而日本 JX 金屬可穩(wěn)定控制在 < 20×10??；

成型設(shè)備：熱等靜壓機依賴德國 ALD 公司，國內(nèi)設(shè)備的壓力均勻性偏差達 ±3%，導致靶材密度波動 > 0.5%；

焊接技術(shù)：鉭靶與銅背板的電子束焊接合格率僅 70%，較日礦金屬低 25 個百分點，主要因界面氧化控制不足。

平面顯示靶材的短板在于：

鋁靶的晶粒取向控制，國產(chǎn)靶材 {111} 織構(gòu)占比達 60%，導致薄膜厚度偏差 ±4%，而愛發(fā)科產(chǎn)品可控制在 ±2%；

鉬鈮合金的燒結(jié)致密度，國內(nèi)產(chǎn)品存在 1%~2% 的孔隙率，濺射時易產(chǎn)生顆粒缺陷；

大尺寸靶材加工精度，8.5 代線鋁靶的平面度要求≤0.1mm/m，國內(nèi)僅有 3 家企業(yè)能滿足。

（二）國產(chǎn)化突破建議

材料體系創(chuàng)新：

開發(fā)低氧鉭粉制備技術(shù)，采用電子束熔煉 - 氫碎聯(lián)合工藝，目標將氧含量降至 300×10??以下；

研究鉬鈮合金的粉末預處理方法，通過鈮粉包覆鉬粉抑制燒結(jié)時的孔洞形成，致密度提升至 99.5%；

建立鋁靶織構(gòu)調(diào)控模型，通過軋制道次優(yōu)化使 {100} 織構(gòu)占比提高至 40%，改善薄膜均勻性。

裝備與工藝升級：

攻關(guān) 2000 噸級冷等靜壓機，壓力控制精度提升至 ±0.5%，滿足粉末冶金靶材成型需求；

研制大尺寸磁控濺射靶材加工中心，定位精度達 ±0.01mm，適配 8.5 代線靶材加工；

搭建靶材 - 薄膜性能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，通過機器學習優(yōu)化工藝參數(shù)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期 30%。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建：

設(shè)立 “靶材國產(chǎn)化專項基金”，對通過驗證的企業(yè)給予每噸 2 萬元補貼，降低認證成本；

推動面板企業(yè)與靶材廠商共建聯(lián)合實驗室，如京東方與江豐電子合作開發(fā)的銅靶驗證平臺，已累計節(jié)省認證費用 800 萬元；

建立靶材回收體系，鉬靶回收率可達 95%，降低原材料依賴，預計年減少進口鉬精礦 1000 噸。

全文總結(jié)

高純?yōu)R射靶材的制備技術(shù)與市場應(yīng)用研究揭示了我國關(guān)鍵材料領(lǐng)域 “局部突破與整體落后并存” 的現(xiàn)狀。在鉭靶材方面，分步脫氫脫氧工藝實現(xiàn)了高純鉭粉的性能躍升，純度達 99.999% 以上，粒度控制在 10~15μm，為靶材國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)，但粉末冶金成型的氣體雜質(zhì)控制仍需突破。平面顯示靶材領(lǐng)域，鉬條靶已實現(xiàn) 60% 國產(chǎn)化，鋁靶、銅靶的替代率分別達 15% 和 10%，但高端市場仍被日資企業(yè)壟斷，認證周期長、設(shè)備依賴進口是主要障礙。

未來發(fā)展需聚焦三大方向：一是突破低氧高純鉭粉、鉬鈮合金致密化等核心技術(shù)，縮小與國際先進水平的差距；二是構(gòu)建 “企業(yè) - 高校 - 用戶” 協(xié)同創(chuàng)新體系，通過聯(lián)合驗證平臺縮短認證周期；三是加強裝備自主化，攻克冷等靜壓機、精密加工中心等 “卡脖子” 設(shè)備。隨著技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)協(xié)同深化，預計到 2028 年，我國高純鉭靶材的國產(chǎn)化率將突破 30%，平面顯示靶材的整體替代率達 50%，基本形成安全可控的產(chǎn)業(yè)鏈體系。

濺射靶材的發(fā)展實踐表明，關(guān)鍵材料的自主可控需要長期主義思維，既要在工藝細節(jié)上持續(xù)打磨，也要在產(chǎn)業(yè)生態(tài)上系統(tǒng)布局，才能實現(xiàn)從 “跟跑” 到 “并跑” 再到 “領(lǐng)跑” 的跨越，為電子信息產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供堅實支撐。

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