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（sputtering deposition） 是一种物理气相沉积 （physical vapor deposition，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（solder bonding）、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]。
2.2.1 日本 JX 金属
JX 金属株式会社 （JX Nippon Mining & Metals Corporation）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。
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作者简介
侯洁娜，中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所咨询顾问。
陈颖，中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所咨询顾问。
赵聪鹏，中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所设备材料研究室副主任。
刘超，中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所产教融合研究室主任。
黄润坤，中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所咨询顾问。
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