磁控濺射鈦靶材的性能要求與制備技術(shù)

目前，我國已發(fā)展成世界鈦工業(yè)大國，鈦產(chǎn)能與產(chǎn)量均位居世界首位，然而國內(nèi)鈦材的整體技術(shù)含量較低、產(chǎn)品附加值低、產(chǎn)能嚴重過剩，鈦工業(yè)面臨"大而不強"的處境，加大鈦材深加工及開發(fā)高附加值產(chǎn)品是行業(yè)擺脫困境的關(guān)鍵。高純鈦作為電子信息領(lǐng)域重要的功能薄膜材料，近年來隨著我國集成電路、平面顯示、太陽能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展需求量快速上升 。磁控濺射技術(shù)（PVD）技術(shù)是制備薄膜材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，高純鈦濺射靶材是磁控濺射工藝中的關(guān)鍵耗材，具有廣闊的市場應用前景。鈦靶材作為高附加值的鍍膜材料，在化學純度、組織性能等方面具有嚴格的要求，技術(shù)含量高、加工難度大，我國靶材制造企業(yè)在高端靶材制造領(lǐng)域起步相對較晚，在 基礎(chǔ)原材料純度方面相對落后，靶材制備技術(shù)如組織控制、工藝成型等核心工藝技術(shù)方面與國外也存在一定的差距。針對下游高端應用，開發(fā)高性能鈦濺射靶材，是實現(xiàn)電子信息制造業(yè)關(guān)鍵材料的自主研制和推動鈦工業(yè)向高端轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。

1、鈦靶材的應用及性能要求

磁控濺射鈦靶材主要應用于電子及信息產(chǎn)業(yè)，如集成電路、平面顯示屏和家裝汽車行業(yè)裝飾鍍膜領(lǐng)域，如玻璃裝飾鍍膜和輪轂裝飾鍍膜等。不同行業(yè)鈦靶材要求也有很大差別，主要包括：純度、微觀組織、焊接性能、尺寸精度幾個方面，如表１所示。

1.1　集成電路用鈦靶材

集成電路鈦靶材純度主要大于99.995％以上，目前主要依賴進口。2013年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)銷售收入2508億元，進口額高達2313億美元，首次成為我國第一大進口商品。2014年，集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入為2672億元，進口額仍達到2176億美元。集成電路用靶材在全球靶材市場中 占較大份額。鈦靶材原材料方面：高純鈦生產(chǎn)主要集中在美國、日本等國家，如美國Honeywell，日本東邦、日本大阪鈦業(yè)；國內(nèi)起步較晚，2010年后北京有色金屬研究院、遵義鈦業(yè)、寧波創(chuàng)潤等陸續(xù)推出國產(chǎn)的高純鈦產(chǎn)品，但是產(chǎn)品穩(wěn)定性還待提高。

鈦靶材的結(jié)構(gòu)發(fā)展方面：早期芯片代工廠利潤空間大，主要使用100～150mm磁控濺射機臺，而且功率小，濺射薄膜較厚，芯片的尺寸較大，單體靶材的性能能夠滿足當時機臺的使用要求，當時集成電路用鈦靶材主要100～150mm單體和組合型靶材，如典型3180型，3290型靶材等。第二階段，按照摩爾定律發(fā)展，芯片線寬變窄，芯片代工廠主要使用150～200mm濺射機臺，為提高利潤空間，機臺的濺射功率提高，這就要求靶材尺寸加大，同時保持高導熱、低價格和一定的強度，本時期鈦靶材以鋁合金背板擴散焊接和銅合金背板釬焊焊接兩種結(jié)構(gòu)為主，如典型ＴN、TTN型，Endura5500型等靶材。第三階段，隨集成電路發(fā)展，芯片線寬進一步變窄，此時芯片代工廠主要使用200～300mm濺射機臺，為進一步提高利潤空間，機臺的濺射功率提高，這就要求靶材尺寸加大，同時保持高導熱和足夠的強度 。本時期鈦靶材以銅合金背板擴散焊接為主，如主流SIP型靶材如圖1所示。

Ti靶材加工制造方面：早期國內(nèi)外市場基本被美國、日本等大的靶材制造商壟斷，2000年后國內(nèi)的制造業(yè)逐步進入靶材市場，開始進口高純鈦原材料加工低端的靶材，最近幾年國內(nèi)鈦靶材制造企業(yè)發(fā)展較快，市場份額逐步擴大到臺灣、歐美等市場，如有研億金和江峰電子兩企業(yè)專注靶材制造多年。國內(nèi)的靶材制造企業(yè)也正在和國內(nèi)的磁控濺射機臺制造商聯(lián)合開發(fā)靶材，推動國內(nèi)集成電路磁控濺射產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2　平面顯示器用鈦靶材

平面顯示器包括：液晶顯示器（LCD）、等離子體顯示器（PDP）、場致發(fā)光顯示器（E－L）、場發(fā)射顯示器（FED）。目前，在平面顯示器市場中以液晶顯示器LCD市場最大，份額高達90％以上。LCD被認為是目前最有應用前景的平板顯示器件，它的出現(xiàn)大大擴展了顯示器的應用范圍，從筆記本電腦顯示器、臺式電腦監(jiān)視器、高清晰液晶電視以及移動通信，各種新型LCD產(chǎn)品正在沖擊著人們的生活習慣，并推動著世界信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。TFT－LCD技術(shù)是微電子技術(shù)與液晶顯示器技術(shù)巧妙結(jié)合的一種技術(shù)，目前已經(jīng)成為平面顯示主流技術(shù)，其中又分Ａl－Mo、Ａl－鈦、Ｃｕ－Mo等工藝。平面顯示器的薄膜多采用濺射成形。A1、Cu、鈦、Mo等靶材是目前平面顯示器主要金屬靶材，平面顯示器用鈦靶材純度大于99.9％，此原材料能夠國產(chǎn)。TFT－LCD6代線用平面鈦靶材尺寸比較大，結(jié)構(gòu)采用銅合金水冷背板靶材，如圖2所示，應用有中電熊貓等。目前中國自主建設(shè)的全球最高世代線－合肥10.5代線主要生 產(chǎn)大尺寸超高清液晶顯示屏，設(shè)計產(chǎn)能為每月9萬片玻璃基板，玻璃基板尺寸為3370×2940mm，總投資400億元，預計2018年二季度投產(chǎn)，采用濺射機臺及相應的技術(shù)和靶材還不確定。

2、磁控濺射鈦靶材制備技術(shù)

磁控濺射鈦靶材的原材料制備技術(shù)方法按生產(chǎn)工藝可分為電子束熔煉坯（簡稱EB坯）和真空自耗電弧爐熔煉坯（簡稱（VAR）坯）兩大類，在靶材制備過程中，除嚴格控制材料純度、致密度、晶粒度以及結(jié)晶取向之外，對熱處理工藝條件、后續(xù)成型加工過程亦需加以嚴格控制，以保證靶材的質(zhì)量。

對于高純鈦的原材料通常先采用熔融電解的方法去除鈦基體中高熔點的雜質(zhì)元素，再采用真空電子束熔煉進一步提純。真空電子束熔煉就是采用高能量電子束流轟擊金屬表面后，隨后溫度逐漸升高直至金屬熔化，蒸氣壓大的元素將優(yōu)先揮發(fā)，蒸氣壓小的元素存留于熔體中，雜質(zhì)元素與基體的蒸氣壓相差越大，提純的效果越好。而熔化后的真空精煉，其優(yōu)點在于不引入其他雜質(zhì)的前提下去除鈦基體中的雜質(zhì)元素。因此，當在高真空環(huán)境下（10－4以上）電子束熔煉99.99％電解鈦時，原料中飽和蒸氣壓高于鈦元素本身飽和蒸氣壓的雜質(zhì)元素（Fe、Ｃo、Ｃｕ）將優(yōu)先揮發(fā)，如圖3所示，使基體中雜質(zhì)含量減少，達到提純之目的。兩種方法結(jié)合使用可以得到純度99.995以上的高純金屬鈦。對于純度在99.9％鈦原材料多采用0級海綿鈦經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉，再經(jīng)過熱鍛造開坯形成小尺寸的坯料。

這兩種方法制備的金屬鈦原材料通過熱機械變形控制其整個濺射表面微觀組織一致，然后經(jīng)過機加工、綁定、清洗和包裝等工序加工成制備集成電路用磁控濺射鈦靶材，如圖4所示。對于300mm機臺要求特別高的鈦靶材，在包裝前靶材的濺射面還要預濺射減少靶材安裝在濺射機臺上燒靶時間（Burn－ ingtime）。集成電路鈦靶材制備方法制備的靶材工藝復雜，成本相對較高。

3、鈦靶材的技術(shù)要求

為確保沉積薄膜的質(zhì)量，靶材的質(zhì)量必須嚴格控制，經(jīng)大量實踐，影響鈦靶材質(zhì)量的主要因素包括純度、平均晶粒尺寸、結(jié)晶取向與結(jié)構(gòu)均勻性、幾何形狀與尺寸等。

3.1　純度

鈦靶材的純度對濺射薄膜的性能影響很大。

鈦靶材的純度越高，濺射鈦薄膜的中的雜質(zhì)元素粒子越少，導致薄膜性能越好，包括耐蝕性及電學、光學性能越好。不過在實際應用中，不同用途鈦靶材對純度要求不一樣。例如，一般裝飾鍍膜用鈦靶材對純度的要求并不苛求，而集成電路、顯示器體等領(lǐng)域用鈦靶材對純度的要求高很多。靶材作為濺射中的陰極源，材料中的雜質(zhì)元素和氣孔夾雜是沉積薄膜的主要污染源。氣孔夾雜會在鑄錠無損探傷的過程中基本去除，沒有去除的氣孔夾雜在濺射的過程中會產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象（Ａrcinｇ），進而影響薄膜的質(zhì)量；而雜質(zhì)元素含量只能在全元素分析測試結(jié)果中體現(xiàn)，雜質(zhì)總含量越低，鈦靶材純度就越高。

早期國內(nèi)沒有高純鈦濺射靶材的標準，都是參照國內(nèi)外的鈦靶材制造公司的要求，2013年后頒布標準《YS/T　893－2013電子薄膜用高純鈦濺射靶材》，規(guī)定3個純度鈦靶材單個雜質(zhì)含量及總雜質(zhì)含量不同的要求，此標準正在逐步規(guī)范繁亂鈦靶材市場純度需求。

3.2　平均晶粒尺寸

通常鈦靶材為多晶結(jié)構(gòu)，晶粒大小可由微米到毫米量級，細小尺寸晶粒靶的濺射速率要比粗晶粒靶快，在濺射面晶粒尺寸相差較小的靶，濺射沉積薄膜的厚度分布也較均勻。研究發(fā)現(xiàn)，若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100μm以下，且晶粒大小的變化保持在20％以內(nèi)，其濺射所得薄膜的質(zhì)量可得到大幅度改善（圖5）。集成電路用鈦靶材平均晶粒尺寸一般要求在30μm以內(nèi)，超細晶鈦靶材平均晶粒尺寸在10μm以下。

3.3　結(jié)晶取向

金屬鈦是密排六方結(jié)構(gòu)，由于在濺射時鈦靶材原子容易沿著原子六方最緊密排列方向優(yōu)先濺射出來，因此，為達到最高濺射速率，可通過改變靶材結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方法來增加濺射速率。目前大多數(shù)集成電路鈦靶材濺射面｛1013｝晶面族為60％以上，不同廠家生產(chǎn)的靶材晶粒取向略有不同，鈦靶材的結(jié)晶方向?qū)R射膜層的厚度均勻性影響也較大（圖 6 ）。平面顯示和裝飾鍍膜的薄膜尺寸偏厚，所以對 應鈦靶材對晶粒取向要求比較低。

3.4　結(jié)構(gòu)均勻性

結(jié)構(gòu)均勻性也是考察靶材質(zhì)量的重要指標之一。對于鈦靶材不僅要求在靶材的濺射平面，而且在濺射面的法向方向成分、晶粒取向和平均晶粒度均勻性。只有這樣鈦靶材在使用壽命內(nèi)，在同一時間內(nèi)能夠得到厚度均勻、質(zhì)量可靠的、晶粒大小一致的鈦薄膜。

3.5　幾何形狀與尺寸

主要體現(xiàn)在加工精度和加工質(zhì)量方面，如加工尺寸、表面平整度、粗糙度等。如安裝孔角度偏差過大，無法正確安裝；厚度尺寸偏小會影響靶材的使用壽命；密封面和密封槽尺寸過于粗糙會導致靶材安裝后真空出現(xiàn)問題，嚴重的導致漏水；靶材濺射面粗糙化處理可使靶材表面布滿豐富的凸起尖端，在尖端效應的作用下，這些凸起尖端的電勢將大大提高，從而擊穿介質(zhì)放電，但是過大的凸起對于濺射的質(zhì)量和穩(wěn)定性是不利的。

3.6　焊接結(jié)合

目前關(guān)于鈦/A1異種金屬擴散焊接研究的論文較多，通常對于高熔點鈦與低熔點鋁材料的擴散焊接，主要是基于單向或者雙向加壓的真空擴散連接技術(shù)進行研究或采用熱等靜壓技術(shù)實現(xiàn)鈦、鋁金屬材料的高壓中低溫直接擴散連接。鈦/Cu及Cu合金焊接國內(nèi)廠商應用很多，但是研究論文較少。鈦靶材不同焊接類別的焊接性能及應用如表2所示。

4、鈦靶材展望

為了更能接近磁控濺射靶材的使用者，以便提供更完善的售后服務(wù)，全球主要靶材制造商通常會在客戶所在地設(shè)立分公司。目前，亞洲的一些國家和地區(qū)，如臺灣、韓國和新加坡就建立了越來越多制造薄膜元件等產(chǎn)品的工廠，如IC、液晶顯示器制造廠，對靶材廠商而言，這是相當重要的新興市場。

因此，全球靶材制造基地正在快速向亞洲地區(qū)聚集。隨著國內(nèi)半導體集成電路、平面顯示及裝飾鍍膜等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，中國的靶材市場日益擴大，已逐漸成為世界薄膜靶材的最大需求地區(qū)之一，這為中國靶材制造業(yè)的發(fā)展提供了機遇和挑戰(zhàn)。近幾年，在集成電路產(chǎn)業(yè)基金、國家科技重大專項（01、02、03）及地方基金等國家隊的帶動下，集成電路產(chǎn)業(yè)投資可謂大熱，據(jù)統(tǒng)計，僅2015—2016兩年間，國內(nèi)已經(jīng)宣布在建或計劃開工的晶圓生產(chǎn)線就多達44條，其中300mm　18條，200mm　20條，150mm6條。在此巨大市場需求的拉動下，靶材產(chǎn)業(yè)必將引起了我國有關(guān)科研院所和企業(yè)的重視和關(guān)注，紛紛投入人力、物力、財力從事磁控濺靶材的研發(fā)和生產(chǎn)。鈦靶材作為靶材領(lǐng)域的獨特一個分支無論在半導體Ａl工藝或Ｃｕ工藝下都有應用，同時在液晶顯示器行業(yè)和裝飾鍍膜行業(yè)有著廣泛的應用。目前鈦靶材研發(fā)生產(chǎn)的基地主要集中在北京、廣東地區(qū)、江浙、甘肅等地。由于靶材原料純度、生產(chǎn)裝備和工藝研發(fā)技術(shù)的限制，我國鈦靶材制造業(yè)還處于初創(chuàng)期，國內(nèi)鈦靶材生產(chǎn)企業(yè)基本屬于質(zhì)量和技術(shù)門檻較低、采用傳統(tǒng)加工方法、依靠價格取勝的低檔次濺射靶材生產(chǎn)者，或獲利有限的代 工型加工廠。生產(chǎn)規(guī)模小，品種單一，技術(shù)還不穩(wěn)定，迄今為止，中國（包括中國臺灣）僅有幾家生產(chǎn)靶材的專業(yè)公司，如有研億金、江峰電子等企業(yè)，生產(chǎn)的鈦靶材遠遠不能滿足市場發(fā)展的需要，大量鈦靶材還需從國外進口，高純度金屬鈦靶材的原材料已經(jīng)獲得突破，但是大部分還不得不依賴進口。

鈦靶材作為一種具有特殊用途的材料，具有很強的應用目的和明確的應用背景。脫離金屬鈦的冶金提純技術(shù)、EB真空熔煉技術(shù)、鈦錠無損探傷技術(shù)、高純鈦的雜質(zhì)分析技術(shù)、鈦靶材的制備技術(shù)、濺射機臺制備技術(shù)、濺射工藝和薄膜性能測試技術(shù)單純地研究鈦靶材本身沒有任何意義。鈦靶材的研發(fā)生產(chǎn)及后續(xù)的應用改進涉及一個從上游原材料到產(chǎn)業(yè)中游設(shè)備制造商和靶材制造商共同研發(fā)、下游鈦靶材鍍膜芯片應用的整個產(chǎn)業(yè)鏈。鈦靶材性能與濺射薄膜性能之間的關(guān)系，既有利于獲得滿足應用需要的薄膜性能，又有利于更好的使用靶材，充分發(fā)揮其作用，促進靶材產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前正處在集成電路產(chǎn)業(yè)在中國大陸蓬勃發(fā)展的階段，機遇和挑戰(zhàn)并 存，如果不能抓住機遇把靶材制造、薄膜制造和檢測設(shè)備國產(chǎn)化，我國與國際水平的差距必將越來越大，不僅不能奪回由外商占領(lǐng)的國內(nèi)市場，更無法參與國際市場的競爭。

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