靶材行业简介、生产工艺以及技术分析

——靶材行业简介、生产工艺

高纯溅射靶材主要是指纯度为99.9%-99.9999%(3N-6N之间)的金属或非金属靶材，应用于电子元器件制造的物理气象沉积(PVD)工艺，是制备晶圆、面板、太阳能电池等表面电子薄膜的关键材料。溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集而形成高速的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。

溅射镀膜基本原理示意图

自19 世纪中期至今，溅射镀膜技术经历了170 年的沉淀与发展逐步走向成熟。溅射镀膜技术起源于国外，所需要的溅射材料——靶材也起源发展于国外。1842 年格波夫在实验室中发现了阴极溅射现象，由于人们对溅射机理缺乏深入了解且溅射薄膜技术发展缓慢，商业化的磁控溅射设备直到1970 年才逐渐应用于实验室和小型生产。自20 世纪80 年代，以集成电路、信息存储、液晶显示器、激光存储器、电子控制器为主的电子与信息产业开始进入高速发展时期，磁控溅射技术才从实验室应用真正进入工业化规模生产应用领域。近10年来，溅射技术更是取得了突飞猛进的发展。相比PVD 另一大工艺真空镀膜，溅射镀膜工艺可重复性好、膜厚可控制，可在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好、与基板材料的结合力强等优点，已成为制备薄膜材料的主要技术。

溅射技术发展至今经历了六大阶段

根据应用领域的不同，靶材的材料、形状也会有所差异。根据形状可分为长(正)方体形、圆柱体形、无规则形以及实心、空心靶材，根据材料可分为金属材料(纯金属铝/钛/铜/钽等)、合金材料(镍铬/镍钴合金等)、无机非金属(陶瓷化合物：氧化物/硅化物/碳化物等)、复合材料靶材。

不同应用领域需要用到不同材料、不同形状的靶材

集成电路、平板显示器、太阳能电池、信息存储、工具改性、光学器件、高档装饰用品等生产过程中均需要进行溅射镀膜工艺，溅射靶材应用领域非常广阔。对于靶材用量较大的行业主要有集成电路、平板显示器、太阳能电池、磁记录媒体、光学器件等。其中，高纯溅射靶材则主要用于对材料纯度、稳定性要求更高的领域，如集成电路、平板显示器、太阳能电池、磁记录媒体、智能玻璃等行业。

半导体芯片对溅射靶材的技术要求最高，价格也最为昂贵，对于靶材纯度和技术的要求高于平面显示器、太阳能电池等其他应用领域。半导体芯片对溅射靶材的金属材料纯度、内部微观结构等方面都设定了极其苛刻的标准，溅射靶材若杂质含量过高，形成的薄膜就无法达到使用所要求的电性能，并且在溅射过程中易在晶圆上形成微粒，导致电路短路或损坏，将严重影响薄膜的性能。一般而言，芯片制造对溅射靶材金属纯度的要求最高，通常要求达到99.9995%(5N5)以上， 平板显示器、太阳能电池分别要求达到99.999%(5N) 、99.995%(4N5)以上即可。

溅射靶材分类及用途

半导体靶材：用于晶圆导电阻挡层及封装金属布线层制作。其中在晶圆制造环节，靶材主要用于执着晶圆导电层、阻挡层以及金属栅极，而且在芯片封装环节，靶材用来生成凸点下金属层、布线层等金属材料。虽然靶材正在晶圆制造和芯片封装领域用量不大，根据SEMI的统计数据，靶材在晶圆制造及封装过程成本占比均约在3%左右，但是由于溅射靶材的品质直接影响导电层、阻挡层的均匀程度及性能，进而影响芯片传输速度及稳定性，因此靶材是半导体生产的核心原材料之一。

在晶圆制作环节，半导体用溅射靶材主要用于晶圆导电层及阻挡层和金属栅极的制作，主要用到铝、钛、铜、钽等金属，芯片封装用金属靶材于晶圆制作类似，主要有铜、铝、钛等。其中，晶圆制作导电层使用金属靶材主要有铝靶和铜靶，阻挡层使用金属靶材主要有钽靶和钛靶，阻挡层主要有两个作用，一方面是阻隔与绝缘，防止导电层金属扩散到晶圆主体材料硅中，另一方面作为黏附，用于粘结金属和硅材料。一般来说，110nm 技术节点以上晶圆分别用铝、钛作为导线及阻挡层的薄膜材料，110nm 以下晶圆分别使用铜，钽材料作为导线及阻挡层的薄膜材料，随着晶圆制程的缩小，未来对铜靶、钽靶以及制作金属栅极用钛靶的用量占比将不断提升。

溅射靶材主要用晶圆溅射镀膜环节及封装金属材料制作

面板靶材：主要用于制作ITO 玻璃及触控屏电极平板。显示行业主要在显示面板和触控屏面板两个产品生产环节需要使用靶材溅射镀膜，主要用于制作ITO 玻璃及触控屏电极，用量最大的是氧化铟锡(ITO)靶材，其次还有钼、铝、硅等金属靶材。1)平板显示面板的生产工艺中，玻璃基板要经过多次溅射镀膜形成ITO 玻璃，然后再经过镀膜，加工组装用于生产LCD 面板、PDP 面板及OLED 面板等；2)触控屏的生产则还需将ITO玻璃进行加工处理、经过镀膜形成电极，再与防护屏等部件组装加工而成。采用硅靶材溅镀形成的二氧化硅膜则主要起增加玻璃与ITO 膜的附着力和平整性、表面钝化和保护等作用，MoAlMo(钼铝钼)靶材镀膜后蚀刻主要起金属引线搭桥的作用。此外，为了实现平板显示产品的抗反射、消影等功能，还可以在镀膜环节中增加相应膜层的镀膜。

平板显示行业镀膜工艺示意图

光伏靶材：用于形成太阳能薄膜电池的背电级。靶材主要用于生成太阳能薄膜电池的背电极，晶体硅太阳能电池较少用到溅射靶材。太阳能电池主要包括晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，晶体硅太阳能电池转化效率较高、性能稳定，且各个产业环节比较成熟，占据了太阳能电池市场的主导地位。而晶体硅太阳能电池按照生产工艺不同可分为硅片涂覆型太阳能电池以及PVD 工艺高转化率硅片太阳能电池，其中硅片涂覆型太阳能电池的生产不使用溅射靶材，目前靶材主要用于太阳能薄膜电池领域。

靶材溅射镀膜形成的太阳能薄膜电池的背电级主要有三个用途：第一，它是各单体电池的负极；第二，它是各自电池串联的导电通道；第三，它可以增加太阳能电池对光的反射。太阳能薄膜电池用溅射靶材主要为方形板状，对纯度要求没有半导体芯片用靶材要求高，一般在99.99%以上。目前制备太阳能电池较为常用的溅射靶材包括铝靶、铜靶、钼靶、铬靶以及ITO 靶、AZO 靶(氧化铝锌)等。其中铝靶、铜靶用于导电层薄膜，钼靶、铬靶用于阻挡层薄膜，ITO 靶、AZO 靶用于透明导电层薄膜。

太阳能电池分为晶体硅和薄膜电池

光伏靶材主要用于形成太阳能薄膜电池的背电极

光学器件靶材：使用光学镀膜改变光波传导特性。光学器件需依靠光学镀膜形成一层或多层的介电质膜和金属膜，通过二者组成的膜系来改变光波传导的特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变，主要用到硅、铌、二氧化硅、钽等靶材。光学器件应用范围非常广泛，主要包括智能手机、车载镜头、安防监控设备、数码相机、光碟机、投影机等，高端的应用产品包括航空航天监测镜头、生物识别设备、生命科学中 DNA 测序等研究设备、医疗检查仪器镜头、半导体检测设备以及大视场投影镜头(如 IMAX)、3D 打印机等仪器设备所需的光学元器件及光学镜头。

——技术门槛

靶材的生产需要经过预处理、塑性加工、热处理、焊接、机加、净化、检测等多道工艺处理，塑性变形再结晶过程需要重复进行。以铝靶材为例，一般是将铝原料进行熔炼(电子束或电弧，等离子熔炼)、铸造，将得到的锭或胚料进行热锻破坏铸造组织，使气孔或偏析扩散、消失，再通过退火使其再结晶化从而提高材料组织的致密化和强度，进而经过焊接、机加和清洗等步骤最终制备成靶材。

根据靶材材料以及用途的不同，制备工艺主要包含熔炼铸造法和粉末烧结法两大技术路径。1)熔炼铸造法：高纯金属如Al、Ti、Ni、Cu、Co、Ta、Ag、Pt 等具有良好的塑性，直接采用物理提纯法熔炼制备的铸锭或在原有铸锭基础上进一步熔铸后，进行锻造、轧制和热处理等热机械化处理技术进行微观组织控制和坯料成型。2)粉末烧结法：对于W、Mo、Ru 等难熔金属及合金，由于材料的熔点高、合金含量高、易偏析、本征脆性大等原因，采用熔炼法难以制备或者材料性能无法满足溅射需求时，需要采用粉末烧结法制备。首先进行粉体材料的预处理，包括采用粒度和形貌合适的高纯金属粉末进行均匀化混合、造粒等，再选择合适的烧结工艺，包括冷等静压(CIP)、热压(HP )、热等静压(HI P )及无压烧结成型等。

铝靶生产需要经过塑性变形、热处理等多道工艺处理

熔炼铸造法和粉末烧结法是最主要的两大技术路径

从工艺的难易程度来看，超高纯金属控制和提纯技术、晶粒晶向控制技术、异种金属大面积焊接技术、金属的精密加工及特殊处理技术、靶材的清洗包装技术是目前靶材生产过程中的五大核心技术。这五大技术在生产工艺中主要影响靶材的纯度、杂质含量、密实度、晶粒尺寸及尺寸分布、结晶取向与结构均匀性、几何形状与尺寸等，进而影响镀膜溅射效率及沉积薄膜的质量。其中，晶粒晶向控制技术主要通过塑形加工再结晶流程(TMP)即塑性加工——热处理——结晶退火来控制晶粒晶向，来使各晶粒的大小和排列方向相同，保证溅射成膜的均匀性和溅射速度，是靶材生产的核心技术。

高纯溅射靶材生产中五大核心技术是影响靶材质量的关键

资料来源：公开资料整理，立鼎产业研究中心