半导体制造材料(1)-溅射靶材

半导体制造材料(1)-溅射靶材

靶材是薄膜沉积PVD工艺中溅射工艺的源头材料，又称溅射靶材，是制备晶圆、显示面板、太阳能电池等表面电子薄膜的关键材料。溅射靶材有金属，合金，陶瓷化合物等。

溅射靶材的要求较传统材料行业高，一般要求如，尺寸、平整度、纯度、各项杂质含量、密度、N/O/C/S、晶粒尺寸与缺陷控制；较高要求或特殊要求包含：表面粗糙度、电阻值、晶粒尺寸均匀性、成份与组织均匀性、异物（氧化物）含量与尺寸、导磁率、超高密度与超细晶粒等等。 

今天小编给大家科普以下半导体制造材料之一溅射靶材的相关知识，希望能对您有所帮助！

1、溅射原理

溅射过程：真空状态下，用加速的离子(Ar离子)轰击靶材表面，离子和表面表面原子交换动量，使固体表面的原子离开靶材并沉积在基底表面形成所需要的薄膜，这一过程称为溅射。靶材主要由靶坯、背板等部分构成，其中，靶坯是高速离子束流轰击的目标材料，属于溅射靶材的核心部分。靶坯需要与背板通过不同的焊接工艺（行业俗称绑定技术）进行接合，背板起到主要起到固定溅射靶材的作用，且需要具备良好的导电、导热性能。

图1. 溅射镀膜原理

PVD 镀膜目前主要有三种形式， 分别是溅射镀膜、蒸发镀膜以及离子镀膜。综合而言， 蒸镀薄膜的密度最差，镀膜的附着力也最差，但是镀膜速率最快。离子镀不但密度最高、晶粒最小，而且镀膜与基板的附着力也是三种镀膜中最大的，只是离子镀膜最大的缺点是基板必须是导电材料，并且镀膜时基板的温度会升高到摄氏几百度，上述的缺点使离子镀的应用受到很大的限制。目前，溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，用溅射靶材沉积的薄膜致密度高，与基材之间的附着性好。

2、靶材种类及应用

根据化学成分的不同，靶材可分为单质金属靶材、合金靶材和陶瓷化合物靶材三种。单质金属靶材包括纯金属铝、钛、铜等；合金靶材包括镍铬合金和镍钴合金等；陶瓷化合物靶材包括氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等。

图2. 靶材分类

根据应用领域的不同，可以主要分为半导体芯片靶材、平板显示靶材、太阳能电池靶材、信息存储靶材、电子器件靶材等。各应用领域使用的靶材种类不同，对性能的要求也不尽相同。其中，半导体领域对靶材要求最高。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，需要掌握生产过程中的关键技术并经过长期实践才能制成符合工艺要求的产品。因此，半导体芯片对溅射靶材的要求是最高的，价格也最为昂贵。

图3. 各应用领域靶材分类及性能要求

根据靶材制造工艺的不同，可分为粉末冶金法和熔融铸造法。粉末冶金法主要有热等静压法、热压法、冷压-烧结法三种方法，通过将各种原料粉混合再烧结成形的方式得到靶材，该方法优点是靶材成分较为均匀、机械性能好、生产效率高、节约原材料成本，缺点是含氧量量高、密度低。熔融铸造法主要有真空感应熔炼、真空电弧熔炼、真空电子束熔炼等方法，通过机械加工将熔炼后的铸锭制备成靶材，该制造方法的优点是靶材杂质含量低、密度高、可大型化，缺点是对两种合金密度相似度要求高、较难做到成分均匀化。

图4 2020年全球(左)及中国(右)靶材市场结构

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