溅射靶材在集成电路领域的应用及市场情况.pdf

中国集成电路产业发展China lntegrated CircuitCIChttps：/（总第 290 期）2023 7 溅射靶材在集成电路领域的应用及市场情况侯洁娜，陈颖，赵聪鹏，刘超，黄润坤中国电子信息产业发展研究院摘要：溅射沉积是一种物理气相沉积技术，用于薄膜制备，被广泛应用于集成电路、平板显示、光伏等电子信息产业。尤其是，溅射靶材作为用于溅射沉积的关键材料，在集成电路等领域发挥了重要作用。本文基于溅射靶材在不同领域的应用，介绍了靶材相关加工技术以及靶材性能的影响等内容，阐述了不同溅射靶材在集成电路制造工艺中的不同应用，并介绍了全球半导体靶材市场的整体情况以及全球主要靶材供应商的产品情况。关键词：溅射靶材；溅射沉积；集成电路Application and Market of Sputtering Targetsin Integrated Circuit FieldHOU Jie-na,CHEN Ying,ZHAO Cong-peng,LIU Chao,HUANG Run-kunChina Center for Information Industry DevelopmentAbstract:Sputtering deposition,as a kind of physical vapor deposition technology used for film preparation,is widelyused in integrated circuit,flat panel display,photovoltaic and other electronic information industry.Sputtering target isthe key material for sputtering deposition,and it plays an important role in the field of integrated circuit.Based on theapplication of sputtering target in different fields,this paper introduces the related processing technology,the effect ofproperties and other contents of sputtering target.The paper also describes the different applications of specificsputtering targets in the manufacturing process of integrated circuits,and introduces the overall situation of the globalsemiconductor target market and the products of the main target suppliers.Keywords:sputtering target;sputtering deposition;integrated circuit23CIC中国集成电路China lntegrated Circuit产业发展（总第 290 期）2023 7 https：/0引言溅射靶材应用于溅射沉积工艺，可用于集成电路产业的高性能薄膜制备，对集成电路产业发展具有重要推动作用。在应用中需要关注的是溅射靶材的材料、制备方法、性能参数等多个方面。随集成电路产业芯片产能的不断提升，集成电路用靶材市场规模也呈现增长趋势，但整体上看，集成电路用靶材市场仍呈现一定的技术垄断特征。1靶材在集成电路领域的应用1.1 溅射沉积及靶材的定义与应用（1）溅射沉积及溅射靶材。溅射沉积（sputteringdeposition）是一种物理气相沉积（physical vapordeposition，PVD）工艺，即在一定的真空环境下，利用荷能粒子轰击材料表面，使材料表面溅射出粒子并沉积在基底表面形成薄膜1-2。溅射薄膜沉积工艺可重复性好、膜厚可控，所制备的薄膜具有纯度高、致密性好等优点，且可用于在大面积基板材料上获得厚度均匀的薄膜，是制备薄膜的主要技术之一3。被轰击的目标材料称为溅射靶材，是目前市场上应用量最大的 PVD 镀膜材料3。（2）溅射靶材的应用和分类。如表 1 所示，溅射靶材可应用于半导体、平板显示、光伏、记录存储等多个领域。就其分类：按照形状不同，溅射靶材可分为圆形靶、矩形靶和管状靶。按照材质不同，溅射靶材可以分为纯金属靶材（铝、钛、铜、钽等）、合金靶材（镍铬合金、镍钴合金等）、陶瓷化合物靶材（氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等）4。（3）靶材的制备方法。靶材的制备方法主要有熔炼铸锭法、粉末冶金法等8。其中，熔炼铸锭法通过熔炼铸造坯料，经过热锻、退火等工序使气孔或偏析扩散、消失，提高组织的致密性和强度，最终通过精加工获得靶材8-9。用熔炼方法制备的靶材杂质含量较低，致密程度较好10，但晶粒尺寸和织构取向均匀性较难控制，易产生带状织构9，贵金属易在熔炼过程中挥发10或在机械加工中产生损耗。难熔贵金属钌及其合金或熔点、密度相差较大的贵金属复合靶材，由于采用普通熔炼法难以使成分均匀，一般采用粉末冶金法制备10。粉末冶金法将金属或非金属粉末混合均匀后，经过压制、烧结、退火、精加工等工序获得靶材9。粉末冶金法能压制成最终尺寸的压坯，机械加工产生的损耗少，可降低成本11，但工艺不当时易产生孔隙10。（4）溅射靶材性能的影响。如表 2 所示，影响靶材性能的因素有纯度、晶粒尺寸、晶面取向、磁透率、致密度、焊接性能、表面质量、形状等多个方面，对溅射过程稳定性、薄膜沉积速率、薄膜均匀性等溅射工艺效果产生影响。不同应用领域对于溅射靶材的性能具有不同要求，例如在形状方面，集成电路领域一般选用圆形靶，而平板显示面板镀膜由于有面积大表 1 溅射靶材在不同领域的应用5-7表 2 靶材的主要性能对溅射薄膜的影响8，1024中国集成电路产业发展China lntegrated CircuitCIChttps：/（总第 290 期）2023 7 图 1 全球半导体晶圆制造及封装测试用溅射靶材市场规模变化情况21-22（单位：亿美元）和均匀性要求，常使用长矩形靶4；在纯度方面，半导体领域应用对靶材性能要求最高，集成电路用贵金属靶材的纯度一般要求在 5N（99.999%）甚至 6N（99.9999%）以上10等。（5）靶材结构。靶材主要分为单体靶材和复合靶材。其中，复合靶材由溅射靶坯和背板复合而成12，背板固定有助于提供较大的机械强度和导热性13。复合靶材的靶坯与背板接合方式，主要有焊料接合（solderbonding）、扩散接合（diffusion bonding）等14。其中，焊料接合使用铟、锡合金等作为焊料；扩散接合不使用焊料，将靶材与背板在高温下施加高压，使两种材料原子相互扩散形成键合。扩散接合的强度较高，但背板不能直接回收用于重复使用14。1.2 靶材在集成电路产业的应用金属靶材在集成电路工艺的主要应用是晶圆制造及芯片封装环节的金属化工艺12。在芯片制造中，金属化的主要应用有制备金属互连线、接触层、阻挡层、粘附层等16-17，铜靶、钽靶、铝靶、钛靶等部分金属溅射靶材的部分应用如表 3 所示。在芯片封装中，金属靶材可用于底部凸块金属化（UBM）、重布线层（RDL）、硅通孔（TSV）等，实现晶圆级芯片封装（WLCSP）、系统级封装（SIP）等高密度封装集成18。陶瓷化合物靶材在集成电路工艺中可用于制备栅极电介质膜等，例如铪基氧化物在栅极高介电薄膜制备中的应用20等。在市场应用环节，由于芯片制造商对靶材性能要求较高，集成电路用靶材产品存在一定的认证壁垒。芯片制造企业对靶材供应商的认证一般需要 2至 3 年以上，且不同制造企业的认证方式有所不同。例如日本、韩国制造企业需要由其本国中间商进行间接供应，英特尔的靶材供应商需要通过应用材料公司的推荐，台积电的靶材供应商需要通过其客户的认可等15。所以，较为复杂的认证过程一定程度上影响了新进靶材制造企业产品进入市场，使靶材行业存在一定的市场壁垒。2全球集成电路用靶材行业情况2.1 市场规模据统计21，晶圆制造材料中溅射靶材约占芯片制造材料市场 2.6%，封装测试材料中溅射靶材约占封装材料市场 2.7%。据报道22，SEMI（国际半导体产业协会）预计 2022 年全球晶圆材料市场为 451 亿美元、全球封装材料市场为 248 亿美元22。据此计算可得，2022 年全球半导体用溅射靶材市场规模预计约为 18.43 亿美元，其中晶圆制造用溅射靶材市场约11.73 亿美元，占比约 63.7%；封装测试用溅射靶材市场约 6.70 亿美元，占比约 36.3%。结合 2017-2021年全球市场规模情况21，可得近年全球半导体晶圆制造及封装测试用溅射靶材市场规模增长变化情况如图 1 所示。2.2 集成电路用靶材主要供应商据统计4，如图 2 所示，全球溅射靶材市场呈现寡头垄断格局，JX 金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯等美国、日本企业拥有核心技术和完整产业链，在全球市场份额占比分别约为 30%、20%、20%、10%，合计占据约全球 80%的市场份额4。表 3 溅射靶材在集成电路领域的应用示例1525CIC中国集成电路China lntegrated Circuit产业发展（总第 290 期）2023 7 https：/2.2.1 日本 JX 金属JX 金属株式会社（JX Nippon Mining&MetalsCorporation）成立于 1905 年，是全球最大的靶材供应商，其生产的半导体芯片用钽靶、铜靶、存储器用钨靶等市场占有率为全球第一15，曾在全球半导体铜靶材供应市场占比 80%以上，处于领先地位23。JX金属主要从事有色金属资源的开采与制造、电解及压延铜箔制造、精密压延制品制造、精密加工，以及靶材、表面处理剂、化合物半导体材料等领域。企业生产半导体、平板显示、光伏电池、磁性设备、光学薄膜等产业用先进靶材，以及铜、银、铝、铟、镉、碲等高纯金属。2.2.2 美国霍尼韦尔美国霍尼韦尔（Honeywell）公司成立于 1885年，提供行业定制的航空产品和服务、楼宇和工业控制技术、以及特性材料。生产的电子材料包括超高纯化学品、高纯金属、电气互联材料、贵金属热电偶、靶材等。其中高纯金属有钛、钴、铜、铝、镍等。霍尼韦尔等径角塑型（ECAE）专利技术是霍尼韦尔最初为铝和铝合金靶材研发的先进工艺，使用该工艺生产的铜锰合金等靶材的超细晶粒尺寸可达亚微米级，具有优越的性能24。霍尼韦尔的高纯钛靶材市场占有率为全球第一，芯片用铜靶市场占有率为全球第二15。2.2.3 日本东曹日本东曹公司（Tosoh Corporation）成立于 1935年，主营工业化学品和特殊材料，涉及石化、建筑、消费电子、信息技术等领域，产品有石英制品及溅射靶材等。日本东曹有高纯金属、金属合金、金属陶瓷、陶瓷等不同材质及纯度的靶材产品，可用于生产半导体、磁记录、热敏打印头、平板显示和薄膜电阻器等，可支持的晶圆尺寸为小于 6 英寸至 18 英寸，生产多图 2 全球靶材市场竞争格局4表 4 JX 金属主要半导体溅射靶材产品数据来源：公司官网，赛迪集成电路所整理 2023.3表 5 霍尼韦尔 12 英寸溅射靶材主要产品简介数据来源：公司官网，赛迪集成电路所整理 2023.3表 6 日本东曹溅射靶材主要产品简介数据来源：公司官网，赛迪集成电路所整理 2023.326中国集成电路产业发展China lntegrated CircuitCIChttps：/（总第 290 期）2023 7 种高纯金属粉末，以钛和钛合金为代表。其存储器芯片用钨靶市场占有率为全球第二15。2.2.4 美国普莱克斯美国普莱克斯（Praxair）公司成立于 1907 年，是全球最大的工业气体生产商之一，从事工艺气体、特种气体和高性能表面涂料等领域，生产有金属粉末、电子级陶瓷、热喷涂粉末、电线等。公司生产高纯度溅射靶材及激光烧蚀靶材，有 1 英寸至 14 英寸圆形，以及最大至 5 英寸宽、11 英寸长的不同尺寸靶材。靶材产品分有细晶粒、长使用寿命等类型，用于半导体、平板显示、光伏等领域。其芯片用钛靶市场占有率为全球第二15。3结语溅射靶材是集成电路领域核心材料，直接影响集成电路产业的生产能力和技术革新。随集成电路特征尺寸不断缩小以及芯粒（Chiplet）等新兴技术领域发展，溅射靶材不仅将持续向多材质、高纯度和高利用率等方向发展，靶材制备工艺以及上游高纯金属、溅射设备的开发也都将成为关注重点。参考文献1 刘瑞鹏,李刘合.磁控溅射镀膜技术简述J.中国青年科技,2006（08）:56-592 杨文茂,刘艳文,徐禄祥等.溅射沉积技术的发展及其现状 J.真空科学与技术学报,2005（03）:204-2103 https:/ https:/ 王大勇,顾小龙.靶材制备研究现状及研发趋势J.浙江冶金,2007（4）:96 魏修宇.半导体用高纯钨靶材的制备技术与应用J.硬质合金,2017,34（05）:353-3597 http:/ 徐飞,布国亮,杨万朋等.磁控溅射用高纯铬靶材的研究现状及发展趋势J.铸造技术,2020,41（12）:1197-12009 郑金凤,扈百直,杨国启等.高纯钽溅射靶材制备工艺进展J.湖南有色金属,2016,32（04）:54-56+8010许彦亭,郭俊梅,王传军等.贵金属溅射靶材的研究进展J.机械工程材料,2021,45（08）:8-14+102.11 https:/ 何金江,万小勇,周辰等.半导体用高利用率长寿命溅射靶材的研制J.半导体技术,2014,39（01）:71-7713 http:/ https:/.tw/index.php/products/coating/bonding15 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年消息显示，湖南越摩先进半导体有限公司由株洲市国投集团、上海兴橙资本及技术团队合资建设，国创越摩先进封装项目于 2020 年 9 月签约引进。（来自越摩先进）浙江首个 IC 光掩膜版项目，睿晶半导体完成首期交付近日，落户浙江镇海集成电路产业园的首个项目睿晶半导体项目首期完成交付，预计今年底前投产，镇海集成电路产业园也正式开园。按照计划，睿晶半导体项目一期将月产掩模版 2000 片，实现年产值 12 亿元；二期将在一期的基础上，新增月产能 2000 片，新增年产值 18 亿元。镇海集成电路产业园总用地规模约 7 平方公里，按照“分区集聚”原则划分三大片区，分别布局头部智造、材料与设备等相关智造和终端应用类企业。同时，分散式布局创新服务、产业服务及人才服务基地，打造集“创新孵化、产业服务、人才服务”于一体的园区服务体系，形成“研发智造封装测试终端应用配套休闲”一体化的集成电路研发智造产业园。（来自宁波市经济和信息化局）28