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溅射靶材是物理气相沉积(PVD)工艺步骤中所必需的材料,是制备薄膜的关键材料。溅射工艺是利用离子源产生的离子,在真空中被加速形成告诉离子流,利用高速粒子流轰击固体表面,使得固体表面的原子脱离靶材沉积在衬底表面,从而形成薄膜。这个薄膜的形成过程称为溅射,被轰击的固体被称为溅射靶材。靶材是溅射过程的核心材料。
产品分类:溅射靶材种类繁多,依据不同的分类标准,可以有不同的类别。溅射靶材可按形状分类、按化学成份分类以及按应用领域分类。
溅射靶材的应用领域广泛,由于应用领域不同,溅射靶材对金属材料的选择和性能要求都有所不同。其中,半导体芯片对靶材的技术要求最高,对金属的纯度、内部微观结构等都有极高的标准。
靶材制备方法:按生产工艺的不同,溅射靶材的制备可分为熔融铸造法和粉末冶金法。
(1)熔融铸造法:熔融铸造法是制备磁控溅射靶材的基本方法之一,常用的熔炼方法有真空感应熔炼、真空电弧熔炼和真空电子轰击熔炼等。高纯金属如Al、Ti、Ni、Cu、Co、Ta、Ag、Pt等具有良好的塑性,直接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。
与粉末冶金法相比,熔融铸造法生产的靶材产品杂质含量低,致密度高,但材料内部存在一定孔隙率,需后续热加工和热处理工艺降低其孔隙率。
(2)粉末冶金法:粉末冶金法是目前溅射靶材的主要制备方法,具有容易获得均匀细晶结构、节约原材料、生产效率高等优点。通常,熔融铸造法无法实现难熔金属溅射靶材的制备。对于熔点和密度相差较大的两种或两种以上的金属,采用普通的熔融铸造法,一般也难以获得成分均匀的合金靶材。对于无机非金属靶材、复合靶材,熔融铸造法更是无能为力,而粉末冶金法是解决制备上述靶材技术难题的最佳途径。
粉末冶金法制备靶材时,其关键在于:一是选择高纯、超细粉末作为原料;二是选择能实现快速致密化的成形烧结技术,以保证靶材的低孔隙,并控制晶粒度;三是制备过程严格控制杂质元素的引入。
靶材技术发展趋势:
(1)提高溅射靶材利用率:由于溅射离子不规则的作用关系,溅射靶材在溅射过程中容易产生不均匀的冲蚀现象,从而造成溅射靶材的利用率普遍较低。近年来,通过改善溅射机台以及加强产品研发,使得溅射靶材的利用率有所提高,但仍然有很大的提升空间。如何溅射靶材利用率是今后靶材研究的一个重要方向。
(2)精确控制溅射靶材晶粒晶向:当溅射靶材受到高速度能的离子束流轰击时,由于溅射靶材内部空隙内存在的气体突然释放,造成大尺寸的溅射靶材微粒飞溅,这些微粒的出现会降低溅射薄膜的品质甚至导致产品报废,例如在极大规模集成电路制作工艺过程中,每150mm直径硅片所能允许的微粒数必须小于30个。怎样控制溅射靶材的晶粒,解决溅射过程中的微粒飞溅现象成为溅射靶材的研发方向之一。
在溅射过程中,溅射靶材中的原子容易沿着特定的方向溅射出来,而溅射靶材的晶向能够对溅射速率和溅射薄膜的均匀性产生影响,最终决定产品的品质,因此,获得一定晶向的靶材结构至关重要。但要使溅射靶材内部获得一定晶向,存在较大的难度,需要根据溅射靶材的组织结构特点,采用不同的成型方法,进行反复的塑性变形、热处理工艺加以控制。
(3)溅射靶材向大尺寸、高纯度化发展:溅射靶材的技术发展趋势与下游应用领域的技术革新息息相关,随着应用市场在薄膜产品或元件上的技术进步,溅射靶材也需要随之变化。在下游应用领域中,半导体产业对溅射靶材和溅射薄膜的品质要求最高,随着更大尺寸的硅晶圆片制造出来,相应地要求溅射靶材也朝着大尺寸方向发展,同时也对溅射靶材的晶粒晶向控制提出了更高的要求。溅射薄膜的纯度与溅射靶材的纯度密切相关,为了满足半导体更高精度、更细小微米工艺的需求,所需要的溅射靶材纯度不断攀升,甚至达到99.9999%(6N)纯度以上。
靶材市场情况:据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国溅射靶材市场供需发展前景及投资战略预测报告》统计数据显示:2018年全球溅射靶材市场规模126.7亿美元。在溅射靶材领域,美国、日本企业占据全球市场主要份额。溅射靶材是典型的高技术壁垒行业,由于靶材起源发展于国外,高端产品被以美日为代表的国外企业所垄断。日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等占据全球靶材市场主要份额。
从国内情况来看,2018年国内高纯溅射靶材市场规模172.6亿元。近几年随着国内半导体产业的迅速发展,国内晶圆厂迎来投建高峰,半导体材料领域市场规模将得到快速增长。国内溅射靶材行业虽然起步晚,但在国家政策和资金的支持下,目前已有个别龙头企业在某些细分领域突破国外垄断,依靠价格优势在国内靶材市场占有一定份额。国内溅射靶材企业主要有江丰电子、阿石创、有研新材等。其中,江丰电子的超高纯金属溅射靶材产品已应用于世界著名半导体厂商的先端制造工艺,在7纳米技术节点实现批量供货。