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一、溅射靶材简介

超大规模集成电路制造过程中要反复用到的溅射(Sputtering)工艺属于物理气相沉积(PVD)技术的一种,是制备电子薄膜材料的主要技术之一,它利用离子源产生的离子,在高真空中经过加速聚集,而形成高速度能的离子束流,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.

溅射靶材工作原理示意图如下:

一般来说,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,在溅射镀膜过程中,靶坯被离子撞击后,其表面原子被溅射飞散出来并沉积于基板上制成电子薄膜;由于高纯度金属强度较低,而溅射靶材需要安装在专用的机台内完成溅射过程,机台内部为高电压、高真空环境,因此,超高纯金属的溅射靶坯需要与背板通过不同的焊接工艺进行接合,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.

溅射靶材的种类较多,即使相同材质的溅射靶材也有不同的规格.按照不同的分类方法,能够将溅射靶材分为不同的类别,主要分类情况如下:

按形状分类:长靶、方靶、圆靶

按化学成份分类: 金属靶材(纯金属铝、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)按应用领域分类: 半导体芯片靶材、平面显示器靶材、太阳能电池靶材、信息存储靶材、工具改性靶材、电子器件靶材、其他靶材.

在溅射靶材应用领域中,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,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;相较于半导体芯片,平面显示器、太阳能电池对于溅射靶材的纯度和技术要求略低一筹,但随着靶材尺寸的增大,对溅射靶材的焊接结合率、平整度等指标提出了更高的要求.此外,溅射靶材需要安装在溅射机台内完成溅射过程,溅射机台专用性强,对溅射靶材的形状、尺寸和精度也设定了诸多限制.

二、行业产业链

高纯溅射靶材行业属于电子材料领域,其产业链上下游关系如下:

超高纯金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分,溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节,其中,靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节.

高纯度乃至超高纯度的金属材料是生产高纯溅射靶材的基础,以半导体芯片用溅射靶材为例,若溅射靶材杂质含量过高,则形成的薄膜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,严重影响薄膜的性能.通常情况下,高纯金属提纯分为化学提纯和物理提纯,为了获得更高纯度的金属材料,最大限度地去除杂质,需要将化学提纯和物理提纯结合使用.在将金属提纯到相当高的纯度后,往往还需配比其他金属元素才能投入使用,在这个过程中,需要经过熔炼、合金化和铸造等步骤:通过精炼高纯金属,去除氧气、氮气等多余气体;再加入少量合金元素,使其与高纯金属充分结合并均匀分布;最后将其铸造成没有缺陷的锭材,满足生产加工过程中对金属成份、尺寸大小的要求.

三、我国溅射靶材行业发展概况

受到发展历史和技术限制的影响,溅射靶材行业在我国起步较晚,目前仍然属于一个较新的行业.与国际知名企业生产的溅射靶材相比,我国溅射靶材研发生产技术还存在一定差距,市场影响力相对有限,尤其在半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等领域,全球高纯溅射靶材市场依然被美国、日本的溅射靶材生产厂商所控制或垄断.随着溅射靶材朝着更高纯度、更大尺寸的方向发展,我国溅射靶材生产企业只有不断进行研发创新,具备较强的产品开发能力,研制出适用不同应用领域的溅射靶材产品,才能在全球溅射靶材市场中占得一席之地.

半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等下游工业对产品的品质和稳定性等方面有较高的要求,为了严格控制产品质量,下游客户尤其是全球知名厂商在选择供应商时,供应商资格认证壁垒较高,且认证周期较长.我国高纯溅射靶材企业要进入国际市场,首先要通过部分国际组织和行业协会为高纯溅射靶材设置的行业性质量管理体系标准,例如,应用于汽车电子的半导体厂商普遍要求上游溅射靶材供应商能够通过ISO/TS16949质量管理体系认证,应用于电器设备的溅射靶材生产商需要满足欧盟制定的RoHS强制性标准;其次,半导体芯片、平板显示器、太阳能电池等下游知名客户均建立了十分完善的客户认证体系,在高纯溅射靶材供应商满足行业性质量管理体系认证的基础上,下游客户往往还会根据自身的质量管理要求再对供应商进行合格供应商认证.认证过程主要包括技术评审、产品报价、样品检测、小批量试用、批量生产等几个阶段,认证过程相当苛刻,从新产品开发到实现大批量供货,整个过程一般需要2-3年时间.为了降低供应商开发与维护成本,保证产品质量的持续性,溅射靶材供应商在通过下游客户的资格认证后,下游客户会与溅射靶材供应商保持长期稳定的合作关系,不会轻易更换供应商,并在技术合作、供货份额等方面向优质供应商倾斜.

近年来,受益于国家从战略高度持续地支持电子材料行业的发展及应用推广,我国国内开始出现少量专业从事高纯溅射靶材研发和生产的企业,并成功开发出一批能适应高端应用领域的溅射靶材,为高纯溅射靶材大规模产业化提供了良好的研发基础和市场化条件.通过将溅射靶材研发成果产业化,积极参与溅射靶材的国际化市场竞争,我国溅射靶材生产企业在技术和市场方面都取得了长足的进步,改变了高纯溅射靶材长期依赖进口的不利局面.

四、溅射靶材市场容量和发展趋势

溅射技术作为薄膜材料制备的主流工艺,其应用领域广泛,如集成电路、平板显示器、太阳能电池、信息存储、工具改性、光学镀膜、电子器件、高档装饰用品等行业.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、记录媒体、智能玻璃等行业.

20 世纪90 年代以来,随着消费电子等终端应用市场的飞速发展,高纯溅射靶材的市场规模日益扩大,呈现高速增长的势头.

(1)半导体产业

高纯溅射靶材是伴随着半导体工业的发展而兴起的,集成电路产业成为目前高纯溅射靶材的主要应用领域之一.随着信息技术的飞速发展,要求集成电路的集成度越来越高,电路中单元器件尺寸不断缩小.每个单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成,其中,介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺,因此溅射靶材是制备集成电路的核心材料之一.集成电路领域的镀膜用靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等,要求靶材纯度很高,一般在5N(99.999%)以上.

随着智能手机、平板电脑、汽车电子等终端消费领域对半导体需求的持续增长,尤其是消费电子产品与互联网、移动互联网的紧密结合,导致手机、平板电脑、智能电视等网络接入终端产品的应用面持续扩大,从而进一步提升半导体市场容量,预计全球半导体市场在未来将保持持续增长的态势.芯片产业是大数据、云计算、互联网的基础产业.这些产业的迅猛发展为芯片带来了强劲的市场需求.由于半导体行业所需溅射靶材品种繁多,且每一种需求量都较大,稳定的下游市场增速将有力地促进溅射靶材销售规模的扩大.

国产溅射靶材的技术逐渐成熟,尤其是国产溅射靶材具备较高的性价比优势,并且符合溅射靶材国产化的政策导向,我国溅射靶材的市场规模将进一步扩大,在全球市场中有望获得更多客户的认可,市场份额进一步提高.

(2)平板显示产业(含触摸屏产业)

平板显示器主要包括液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、场致发光显示器(EL)、场发射显示器(FED)等.其中,市场应用以液晶显示器为主.近年来,液晶显示器逐渐取代阴极射线管显示器成为全球主流的显示技术,在平面显示市场中得到了广泛的应用,主要应用领域包括高清晰电视、笔记本电脑、台式电脑显示器等电子产品.平板显示器多由金属电极、透明导电极、绝缘层、发光层组成,为了保证大面积膜层的均匀性,提高生产率和降低成本,溅射技术越来越多地被用来制备这些膜层.平面显示镀膜用靶材主要品种有:铬靶、钼靶、铝靶、铝合金靶、铜靶、铜合金靶和掺锡氧化铟(ITO)靶材等.