本文選自中國工程院院刊【中國工程科學】2023年第1期
作者：何金江 ，呂保國 ，賈倩，丁照崇 ，劉書芹 ，羅俊鋒 ，王興權
來源：積體電路用高純金屬濺射靶材發展研究[J].中國工程科學,2023,25(1):79-87.
編者按
高純金屬濺射靶材是積體電路用關鍵基礎材料，對實作積體電路用靶材的全面自主可控，推動積體電路產業高品質發展具有基礎性價值。在中國，積體電路用高純金屬濺射靶材行業起步較晚、基礎薄弱，近年來受益於國家支持及自身成長，突破關鍵制備技術並形成高純金屬原料和濺射靶材研發制造體系，在產品效能方面逐步縮小與世界水平的差距，但在電子資訊領域的高純金屬新材料開發方面仍滯後於下遊產業的發展需求，有關材料亟待突破並實作自主可控。
中國工程院院刊【中國工程科學】2023年年第1期刊發有研億金新材料有限公司何金江正高級工程師研究團隊的【積體電路用高純金屬濺射靶材發展研究】一文。文章分析了積體電路用高純金屬濺射靶材的套用需求，梳理了相應高純金屬濺射靶材的研制現狀，涵蓋高純鋁及鋁合金、高純銅及銅合金、高純鈦、高純鉭、高純鈷和鎳鉑、高純鎢及鎢合金等細分類別。在凝練中國高端靶材制備關鍵技術及工程化方面存在問題的基礎上，著眼領域2030年發展目標，提出了積體電路用高純金屬濺射靶材產業的重點發展方向：提升材料制備技術水平，攻克高效能靶材制備關鍵技術，把握前沿需求開發高端新材料，提升材料分析檢測和套用評價能力。文章建議，開展「產學研用」體系建設，解決關鍵裝置國產化問題，加強人才隊伍建設力度，掌握自主智慧財產權體系，拓展國際合作交流，以此提升高純金屬濺射靶材的發展品質和水平。
一、前言
積體電路產業是資訊科技領域的核心產業，是事關經濟社會發展和國家安全的戰略性、基礎性、先導性產業。隨著第五代行動通訊、物聯網、人工智慧等資訊科技的迅速發展，積體電路的重要性更加凸顯，相關產業持續高增長。材料是積體電路產業鏈的上遊環節，對積體電路制造業發展與創新起著至關重要的支撐作用；一代技術依賴一代工藝，一代工藝依賴一代材料。在後莫耳時代，無論是延續莫耳定律，還是擴充套件莫耳定律，積體電路效能提升主要依賴新材料、新工藝、新器件、新整合技術。為了制造具有更高運轉速度、增強效能特征、更低功耗的新器件，需要開發高效能新材料。
高純金屬濺射靶材是積體電路金屬化工藝中采用物理氣相沈積方法制備薄膜的關鍵材料。 早期的積體電路主要使用鋁及鋁合金、鈦及部份貴金屬等作為靶材；隨著積體電路先進邏輯、先進儲存、先進封裝以及其他新器件技術的發展，使用靶材拓展至銅、鉭、鈷、鎳、鎢、鉬、釩、金、銀、鉑、釕、鈧、鑭等有色金屬及合金材料。與平面顯示、太陽能等領域相比，積體電路對靶材的技術要求最高，積體電路用靶材的制備技術突破難度最大。為了提升靶材的綜合效能，在高純金屬冶金提純、熔鑄成型、粉末燒結、微觀組織調控、異質焊接，靶材結構最佳化設計、分析檢測、套用評價等方面開展了系統研發。隨著積體電路7 nm及以下先進邏輯裝置、新型記憶體件、三維整合等先進器件及技術的創新突破，靶材技術效能提升方面的需求更顯迫切，同時下遊套用驗證的難度進一步增大。
客觀來看，目前全球積體電路用高純金屬濺射靶材市場由美國、日本企業占據主導地位；雖然中國有色金屬行業具有規模優勢，但在電子資訊領域的高純金屬新材料開發方面滯後於下遊產業的發展需求，有關材料亟待突破並實作自主可控。當前，國家級發展規劃已將高純金屬和濺射靶材列為新一代資訊科技產業發展的重要材料型別。在此背景下，本文針對積體電路用高純金屬濺射靶材，分析需求、梳理現狀、剖析問題，進而明確重點方向、提出保障建議，以為高純金屬濺射靶材的科技進步、行業升級以及相應材料基礎研究提供參考。
二、積體電路用高純金屬濺射靶材套用需求分析
（一）材料功能需求
高純金屬濺射靶材在積體電路前道晶圓制造、後道封裝的金屬化工藝中有著廣泛套用，主要用於制作互連線、阻擋層、通孔、接觸層、金屬柵以及潤濕層、黏結層、抗氧化層等薄膜。
在晶圓制造中，對於邏輯裝置，互連、接觸、柵極等所需關鍵薄膜材料，隨著技術節點的縮小而在不斷演變。
① 早期的鋁互連工藝，鋁及鋁合金用作互連線材料，鈦用作對應的阻擋層材料；在90 nm節點後，銅互連工藝成為主流，銅及銅合金用作互連線材料，鉭用作對應的阻擋層材料；對於7 nm及以下節點，晶體管結構的變革使得鈷、釕、鉬、鎢等金屬及合金等成為更具潛力的互連線或阻擋層材料。
② 關於晶體管源、漏和柵極與金屬連線之間的接觸層材料，隨著技術節點的縮小也從早期鈦、鈷的矽化物逐漸發展為以鎳（摻鉑）為主的矽化物。
③ 在晶體管縮小的過程中，自45 nm節點引入高介電金屬柵極後，采用鈦、鉭等金屬及氮化物材料取代多晶矽制作金屬柵極，獲得了合適的有效功函式和高的熱穩定性。
記憶體件包括動態隨機存取記憶體、快閃記憶體等主流儲存芯片，磁性隨機記憶體、相變隨機記憶體等新型儲存芯片；除了技術節點縮小帶來的互連、接觸等材料演變外，在儲存功能方面對材料提出了新的更高要求， 因而鎢及鎢合金、鑭、鈷鐵硼、鍺銻碲等金屬及合金材料在柵極層、磁性層、相變層等功能薄膜構建方面將發揮重要作用。
對於後道封裝，隨著積體電路先進封裝技術的發展，在凸點下金屬層、重布線層、矽通孔等工藝中，鋁、鈦、銅、鉭、鎢鈦、金、銀、鎳釩等材料廣泛用於薄膜制備，實作芯片與芯片、芯片與基板之間的高密度可靠互連。
高純金屬是制備靶材的原材料，化學純度是影響薄膜材料效能的關鍵因素之一。 積體電路用高純金屬靶材純度通常在4N5以上，對堿金屬、堿土金屬、放射性金屬元素、瓦斯雜質等都有嚴格控制要求。隨著技術節點的縮小，金屬靶材的純度對薄膜材料效能及品質的影響突顯，如14 nm用銅靶材純度要求超過6N5。高純金屬材料提純制備技術主要分為物理提純法、化學提純法，通常采用多種物理、化學方法聯合提純來制備積體電路用高純材料。
積體電路用高純金屬濺射靶材在密度、晶粒尺寸、織構、焊接結合率、尺寸精度、表面品質等方面有一整套嚴格的標準。 積體電路工藝越先進，對金屬靶材品質的要求也越高。隨著晶圓尺寸的增加，金屬靶材尺寸隨之增大，材料的組織均勻性控制、高精度成型加工等技術難度也在提升。為了進一步提高金屬靶材的使用效能，還需對靶材外型結構進行最佳化設計。因此，從微觀品質、宏觀規格來看，高純金屬濺射靶材面臨著越來越高的技術要求。
（二）產業發展需求
「核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟體產品」「極大規模積體電路制造裝備及成套工藝」國家科技重大專項的實施，確立了積體電路產業的技術基礎，在關鍵裝備、材料產業方面實作了重要突破。2014年設立了國家積體電路產業投資基金，保持了對積體電路產業的扶持力度。中國積體電路市場規模達到10 458億元（2021年），年均復合增長率為19.3%。2021年，中國積體電路產量為3594億塊（同比增長33.3%），進口量為6355億塊（同比增長16.9%）。 中國積體電路產業發展較快，但因制造技術滯後於國際先進水平，高端芯片、重大裝備、關鍵材料的進口依存度居高不下，亟待自主創新發展。
積體電路市場的旺盛需求、產業自主可控發展需求等，推動了高純金屬濺射靶材行業發展，相應市場規模從8.4億元（2015年）增長到18.2億元（2022年）。在數位經濟驅動下，半導體行業的長期高景氣度，國產化替代行程加速，使得積體電路產業對各種高純金屬材料及濺射靶材的需求量將持續增長，從而為高端有色金屬材料行業發展提供寶貴機遇和廣闊空間。
三、積體電路用高純金屬濺射靶材的發展現狀
（一）積體電路用高純金屬濺射靶材行業的整體情況
1. 國際情況
工業已開發國家在積體電路用高純金屬濺射靶材方向的開發與套用，時間久、基礎好、系統性強、積累深厚，相關的產業技術水平很高。尤其是美國、日本，較早開展高純金屬濺射靶材的研發工作，積極布局核心專利，具有完備的技術垂直整合能力（從金屬材料的高純化制備到靶材制造生產），在高端靶材市場占據優勢地位。
日本在半導體材料方向全球領先，從事高純金屬研制的企業有日立金屬株式會社、住友化學株式會社、三菱綜合材料株式會社、日礦金屬株式會社等，可工業化生產鋁、鈦、銅、鎳、鈷、鉭、鎢等高純產品（最高純度在6N以上）。美國作為半導體大國，大量生產和消耗高純金屬材料，如霍尼韋爾國際公司可提供除鋁之外的積體電路用高純金屬材料。海德魯公司（挪威）、普萊克斯有限公司（法國）在高純鋁市場具有優勢，世泰科公司（德國）、攀時公司（奧地利）在高純鎢、鉬、鉭等難熔金屬市場具有優勢，優美科公司（比利時）在高純稀貴金屬生產與回收方面具有優勢。積體電路用高端濺射靶材的主要研制和生產企業有日礦金屬株式會社、霍尼韋爾國際公司、普萊克斯有限公司等。例如，日礦金屬株式會社作為世界最大的積體電路靶材供應商，在銅、鉭、鈷、鎳鉑、鎢等高純靶材方向占據著較高的市場份額，與積體電路制造企業合作廣泛。
2. 國內情況
在中國，積體電路用高純金屬濺射靶材行業起步較晚、基礎薄弱，近年來受益於國家支持及自身成長，突破關鍵制備技術並形成高純金屬原料和濺射靶材研發制造體系，在產品效能方面逐步縮小與世界水平的差距。
在高純金屬方面， 國內企業圍繞積體電路用靶材需求，共同推動高純金屬材料行業發展；代表性的企業有新疆眾和股份有限公司、有研億金新材料有限公司、寧夏東方鉭業股份有限公司、金川集團股份有限公司、寧波創潤新材料有限公司、廈門鎢業股份有限公司等。整體來看，國內企業掌握了多種高純金屬制備技術並實作產業化：嚴格控制有害雜質元素含量，實作金屬純度從工業級向電子級提升；完成高純鋁、銅、鈦、鉭、鎳、鈷、貴金屬等材料的國產化（鋁純度>5N5，銅純度>6N，鉭純度>4N5，鈦、鎳、鈷、金、銀、鉑、鎢等金屬純度>5N），制備了大尺寸、低缺陷、高純度的金屬坯料用於濺射靶材生產。
在濺射靶材方面， 國內企業以有研億金新材料有限公司、寧波江豐電子材料股份有限公司為代表，已在國際市場占有一席之地。針對不同種類高純金屬的加工特性，相關企業制定了專有的微觀組織控制策略並不斷最佳化工藝，突破了晶粒細化與取向可控、高品質焊接、精密加工與檢測等關鍵制備技術；聯合產業鏈的上下遊企業，在涵蓋靶材設計及制備、薄膜效能測試評價在內的全技術鏈條上開展合作，驅動技術叠代創新。目前，高純鋁及鋁合金、鈦、銅及銅合金、鈷、鎳鉑及貴金屬等靶材技術取得突破，產品效能達到國外同類水平，透過了國內外積體電路企業驗證，實作批次生產和穩定供應。
（二）積體電路用高純金屬濺射靶材的細分方向研制情況
1. 高純鋁及鋁合金靶材
鋁具有易於沈積、刻蝕效能與加工效能好、電導率高、導熱效能好、與襯底之間的附著性及結合效能好、成本低廉等特點，在90 nm技術節點以上是主要的互連線材料，在先進封裝方面也有廣泛套用。純鋁用作互連金屬材料會產生「鋁
