磁控濺射鈦靶材的發展概述

高純鈦作為電子信息領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、太陽能等產業的快速發展需求量快速上升。磁控濺射技術(PVD)技術是制備薄膜材料的關鍵技術之一，高純鈦濺射靶材是磁控濺射工藝中的關鍵耗材，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，技術含量高、加工難度大，我國靶材制造企業在優異靶材制造領域起步相對較晚，在基礎原材料純度方面相對落后，靶材制備技術如組織控制、工藝成型等核心工藝技術方面與國外也存在一定的差距。針對下游優異應用，開發高性能鈦濺射靶材，是實現電子信息制造業關鍵材料的自主研制和推動鈦工業向優異轉型升級的重要舉措。

鈦靶材的應用及性能要求

磁控濺射Ti靶材主要應用于電子及信息產業，如集成電路、平面顯示屏和家裝汽車行業裝飾鍍膜領域，如玻璃裝飾鍍膜和輪轂裝飾鍍膜等。不同行業Ti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，具體指標要求如下：

1）純度 ：非集成電路用：99.9％; 集成電路用：99.995％、99.99％。

2）微觀組織： 非集成電路用：平均晶粒小于100μｍ ;集成電路用：平均晶粒小于30μｍ、 超細晶平均晶粒小于10μｍ 。

3) 焊接性能： 非集成電路用：釬焊、單體； 集成電路用：單體、釬焊、擴散焊 。

4) 尺寸精度： 非集成電路用：0.1ｍｍ; 非集成電路用：0.01ｍｍ。

1.1集成電路用 Ti靶材

集成電路 Ti 靶材純度主要大于99.995％ 以 上，目前主要依賴進口。2013年，我國集成電路產業實現銷售收入2508億元，進口額高達2313億美元，**成為我國**大進口商品。2014年，集成電路產業銷售收入為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。

Ti靶材原材料方面：高純Ti生產主要集中在 美 國、日 本 等 國 家，如美國Honeywell， 日本東邦、日本大阪鈦業；國內起步較晚，2010年后北京有色金屬研究院、遵義鈦業、寧波創潤等陸續推出國產的高純 Ti產品，但是產品穩定性還待提高。

Ti靶材的結構發展方面：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  Ti靶材主要100～150ｍｍ 單體和組合型靶材， 如典型3180型，3290型靶材等。**階段，按照摩爾定律發展，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Ｔi 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構為主，如典型TN、TTN 型，Endura5500型等靶材。第 三階段，隨集成電路發展，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 Ti 靶材以銅合金背板擴散焊 接 為 主，如主流SIP型靶材。

Ti靶材加工制造方面：早期國內外市場基本被美國、日本等大的靶材制造商壟斷，2000年后國內的制造業逐步進入靶材市場，開始進口高純  Ti原材料加工低 端的靶材，近幾年國內 Ti靶材制造企業發展較快，市場份額逐步擴大到臺灣、歐美等市場。國內的靶材制造企業也正在和國內的磁控濺射機臺制造商聯合開發靶材，推動國內集成電路磁控濺射產業的發展。

1.2 平面顯示器用 Ti靶材

平面顯示器包括：液晶顯示器（LCD）、等離子體顯示器（PDP）、場致發光顯示器(E-L)、場發射顯示器（FED）。

目前，在平面顯示器市場中以液晶顯示器LCD市場*大，份額高達90％以上。LCD被認為是目前*有應用前景的平板顯示器件，它的出現大大擴展了顯示器的應用范圍，從筆記本電腦顯示器、臺式電腦監視器、高清晰液晶電視以及移動通信，各種新型LCD產品正在沖擊著人們的生活習慣，并推動著世界信息產業的飛速發展。TFT－LCD技術是微電子技術與液晶技術巧妙結合的一 種技術，目前已經成為平面顯示主流技術，其中又分 Al－Mo、Al－Ti、Cu－Mo等工藝。

平面顯示器的薄膜 多采用濺射成形 。Al、Cu、Ti、Mo等靶材是目前平面顯示器主要金屬靶材，平面顯示器用 Ti 靶材純度大于99.9％，此原材料能夠國產。TFT－LCD6代線用平面 Ti 靶材尺寸比較大，結構采用銅合金水冷背板靶材，應用有中電熊貓等。

2 磁控濺射 Ti靶材制備技術

 Ti靶材的原材料制備技術方法按生產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、晶粒度以及結晶取向之外，對熱處理工藝條件、后續成型加工過程亦需加以嚴格控制，以保證靶材的質量。

 對于高純 Ti的原材料通常先采用熔融電解的方法去除 Ti基體中高熔點的雜質元素，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先揮發，蒸氣壓小的元素存留于熔體中，雜質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，其優點在于不引入其他雜質的前提下去除 Ti基體中的雜質元素。因此，當在高真空環境下（1.0E-4以 上）電子束熔煉99.99％電解  Ti時，原料中 飽和蒸氣壓高于 Ti元素本身飽和蒸氣壓的雜質元素（Fe、 Co、Cu）將優先揮 發，使基體中雜質含量減少，達到提純之目的。兩種方法結合使用可以 得到純度99.995以上的高純金屬 Ti。

對于純度在 99.9％Ｔｉ原材料多采用０級海綿  Ti經真空自耗電弧爐熔煉，再經過熱鍛造開坯形成小尺寸的坯料。 這兩種方法制備的金屬  Ti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Ｔｉ靶材，對于300ｍｍ機臺要求特別高的 Ti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 Ti 靶材制備方法制備的靶材工藝復雜，成本相對較高。

3.Ti靶材的技術要求

為確保沉積薄膜的質量，靶材的質量必須嚴格控制，經大量實踐，影響  Ti靶材質量的主要因素包括純度、平均晶粒尺寸、結晶取向與結構均勻性、幾何形狀與尺寸等。

3.1 純度

Ti 靶材的純度對濺射薄膜的性能影響很大。

 Ti靶材的純度越高，濺射 Ti 薄膜的中的雜質元素粒子越少，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  Ti靶材對純度要求不一樣。例如，一般裝飾鍍膜用  Ti靶材對純度的要求并不苛求，而集成電路、顯示器體等領域用 Ti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 過程中會產生**放電現象（Arcing），進而影響薄膜的質量；而雜質元素含量只能在全元素分析測試結果中體現，雜質總含量越低， Ti靶材純度就越高。早期國內沒有高純鈦濺射靶材的標準，都是參照國內外的 Ti靶材制 造公司的要求，2013年后頒布標準《YS／T893－2013 電子薄膜用高純鈦濺射靶材》， 規定3個純度 Ti靶材單個雜質含量及總雜質含量 不同的要求，此標準正在逐步規范繁亂 Ti靶材市場純度需求。 

3.2平均晶粒尺寸

通常 Ti靶材為多晶結構，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。研究發現，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，其濺射所得薄膜的質量可得到大幅度改善。集成電路用 Ｔｉ靶材 平 均晶粒尺寸 一般要求在30μｍ 以內，超細晶 Ti靶材平均晶粒尺寸在10μｍ 以下。

3.3 結晶取向

金屬Ti是密排六方結構，由于在濺射時 Ti靶材原子容易沿著原子六方*緊密排列方向優先濺射出來，因此，為達到*高濺射速率，可通過改變靶材結晶結構的方法來增加濺射速率。目前大多數集成電路Ti靶材濺射面｛1013｝晶面族為60%以上，不同廠家生產的靶材晶粒取向略有不同， Ti靶材的結晶方向對濺射膜層的厚度均勻性影響也較大 。平面顯示和裝飾鍍膜的薄膜尺寸偏厚，所以對應 Ti靶材對晶粒取向要求比較低。

3.4 結構均勻性

結構均勻性也是考察靶材質量的重要指標之一。對于 Ti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 Ti靶材在使用壽命內，在同一時 間內能夠得到厚度均勻、質量可靠的、晶粒大小一致的 Ti薄膜。

3.5 幾何形狀與尺寸

主要體現在加工精度和加工質量方面，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**，在**效應的作用下，這些凸起**的電勢將大大提高， 從而擊穿介質放電，但是過大的凸起對于濺射的質量和穩定性是不利的。

3.6焊接結合

目前關于 Ti／Al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進行研究或采用熱等靜壓技術實現鈦、鋁 金屬材料的高壓中低溫直接擴散連接。 Ti／Cu及Cu合金焊接國內廠商應用很多，但是研究論文較少。

4、Ti靶材展望

Ti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  Ti的冶金提純技術、EB真空熔煉技術、 Ti錠無損探傷技術、 高純 Ti的雜質分析技術、 Ti靶材的制備技術、濺射機臺制備技術、濺射工藝和薄膜性能測試技術單純地研究Ｔｉ靶材本身沒有任何意義。 Ti靶材的研發生產及后續的應用改進涉及一個從上游原材料到產業中游設備制造商和靶材制造商共同研發、下游 Ti 靶材鍍膜芯片應用的 整個產業鏈。 Ti靶材性能與濺射薄膜性能之間的關系，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，充分發揮其作用，促進靶材產業發展。