科辉钛业谈钛靶材的发展及主要应用

最后更新 :2021.07.20

目前,我国已发展成世界钛工业大国,钛产能与产量均位居世界首位,然而国内钛材的整体技术含量较低、产品附加值低、产能严重过剩,钛工业面临“大而不强” 的处境,加大钛材深加工及开发高附加值产品是行业摆脱困境的关键。高纯钛作为电子信息领域重要的功能薄膜材料,近年来随着我国集成电路、平面显示、太阳能等产业的快速发展需求量快速上升。磁控溅射技术(PVD)技术是制备薄膜材料的关键技术之一,高纯钛溅射靶材是磁控溅射工艺中的关键耗材,具有广阔的市场应用前景。钛靶材作为高附加值的镀膜材料,在化学纯度、组织性能等方面具有严格的要求,技术含量高、加工难度大,我国靶材制造企业在高端靶材制造领域起步相对较晚,在基础原材料纯度方面相对落后,靶材制备技术如组织控制、工艺成型等核心工艺技术方面与国外也存在一定的差距。针对下游高端应用,开发高性能钛溅射靶材,是实现电子信息制造业关键材料的自主研制和推动钛工业向高端转型升级的重要举措。

4df3e999b76df6f46a215a7dc7ec9150.jpg

1、钛靶材的应用及性能要求

磁控溅射钛靶材主要应用于电子及信息产业,如集成电路、平面显示屏和家装汽车行业装饰镀膜领域,如玻璃装饰镀膜和轮毂装饰镀膜等。不同行业钛靶材要求也有很大差别,主要包括:纯度、微观组织、焊接性能、尺寸精度几个方面,如表1所示。

a1.jpg

1.1 集成电路用钛靶材

集成电路钛靶材纯度主要大于99.995%以上,目前主要依赖进口。2013年,我国集成电路产业实现销售收入2508亿元,进口额高达2313亿美元,首次成为我国第一大进口商品。2014年,集成电路产业销售收入为2672亿元,进口额仍达到2176亿美元。集成电路用靶材在全球靶材市场中占较大份额。钛靶材原材料方面:高纯钛生产主要集中在美国、日本等国家,如美国Honeywell,日本东邦、日本大阪钛业;国内起步较晚,2010年后北京有色金属研究院、遵义钛业、宁波创润等陆续推出国产的高纯钛产品,但是产品稳定性还待提高。

钛靶材的结构发展方面:早期芯片代工厂利润空间大,主要使用100~150mm磁控溅射机台,而且功率小,溅射薄膜较厚,芯片的尺寸较大,单体靶材的性能能够满足当时机台的使用要求,当时集成电路用钛靶材主要100~150mm单体和组合型靶材,如典型3180型,3290型靶材等。第二阶段,按照摩尔定律发展,芯片线宽变窄,芯片代工厂主要使用150~200mm溅射机台,为提高利润空间,机台的溅射功率提高,这就要求靶材尺寸加大,同时保持高导热、低价格和一定的强度,本时期钛靶材以铝合金背板扩散焊接和铜合金背板钎焊焊接两种结构为主,如典型TN、TTN型,Endura5500型等靶材。第三阶段,随集成电路发展,芯片线宽进一步变窄,此时芯片代工厂主要使用200~300mm溅射机台,为进一步提高利润空间,机台的溅射功率提高,这就要求靶材尺寸加大,同时保持高导热和足够的强度。本时期钛靶材以铜合金背板扩散焊接为主,如主流SIP型靶材如图1所示。

a2.jpg

钛靶材加工制造方面:早期国内外市场基本被美国、日本等大的靶材制造商垄断,2000年后国内的制造业逐步进入靶材市场,开始进口高纯钛原材料加工低端的靶材,最近几年国内钛靶材制造企业发展较快,市场份额逐步扩大到台湾、欧美等市场,如有研亿金和江峰电子两企业专注靶材制造多年。国内的靶材制造企业也正在和国内的磁控溅射机台制造商联合开发靶材,推动国内集成电路磁控溅射产业的发展。

1.2 平面显示器用钛靶材

平面显示器包括:液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、场致发光显示器(E-L)、场发射显示器(FED)。目前,在平面显示器市场中以液晶显示器LCD市场最大,份额高达90%以上。LCD被认为是目前最有应用前景的平板显示器件,它的出现大大扩展了显示器的应用范围,从笔记本电脑显示器、台式电脑监视器、高清晰液晶电视以及移动通信,各种新型LCD产品正在冲击着人们的生活习惯,并推动着世界信息产业的飞速发展。TFT-LCD6技术是微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的一种技术,目前已经成为平面显示主流技术,其中又分A1-Mo、A1-Ti、Cu-Mo等工艺。平面显示器的薄膜多采用溅射成形。A1、Cu、Ti、Mo等靶材是目前平面显示器主要金属靶材,平面显示器用钛靶材纯度大于99.9%,此原材料能够国产。TFT-LCD6代线用平面钛靶材尺寸比较大,结构采用铜合金水冷背板靶材,如图2所示,应用有中电熊猫等。目前中国自主建设的全球最高世代线-合肥10.5代线主要生产大尺寸超高清液晶显示屏,设计产能为每月9万片玻璃基板,玻璃基板尺寸为3370×2940mm,总投资400亿元,预计2018年二季度投产,采用溅射机台及相应的技术和靶材还不确定。

a3.jpg

2、磁控溅射钛靶材制备技术

磁控溅射钛靶材的原材料制备技术方法按生产工艺可分为电子束熔炼坯(简称EB坯)和真空自耗电弧炉熔炼坯(简称(VAR)坯)两大类,在靶材制备过程中,除严格控制材料纯度、致密度、晶粒度以及结晶取向之外,对热处理工艺条件、后续成型加工过程亦需加以严格控制,以保证靶材的质量。

对于高纯钛的原材料通常先采用熔融电解的方法去除钛基体中高熔点的杂质元素,再采用真空电子束熔炼进一步提纯。真空电子束熔炼就是采用高能量电子束流轰击金属表面后,随后温度逐渐升高直至金属熔化,蒸气压大的元素将优先挥发,蒸气压小的元素存留于熔体中,杂质元素与基体的蒸气压相差越大,提纯的效果越好。而熔化后的真空精炼,其优点在于不引入其他杂质的前提下去除钛基体中的杂质元素。因此,当在高真空环境下(10-4以上)电子束熔炼99.99%电解钛时,原料中饱和蒸气压高于钛元素本身饱和蒸气压的杂质元素(Fe、Co、Cu)将优先挥发,如图3所示,使基体中杂质含量减少,达到提纯之目的。两种方法结合使用可以得到纯度99.995以上的高纯金属钛。对于纯度在99.9%钛原材料多采用0级海绵钛经真空自耗电弧炉熔炼,再经过热锻造开坯形成小尺寸的坯料。这两种方法制备的金属钛原材料通过热机械变形控制其整个溅射表面微观组织一致,然后经过机加工、绑定、清洗和包装等工序加工成制备集成电路用磁控溅射钛靶材。

a4.jpg

如图4所示。对于300mm机台要求特别高的钛靶材,在包装前靶材的溅射面还要预溅射减少靶材安装在溅射机台上烧靶时间(Burn-ing time)。集成电路钛靶材制备方法制备的靶材工艺复杂,成本相对较高。

a5.jpg

3、钛靶材的技术要求

为确保沉积薄膜的质量,靶材的质量必须严格控制,经大量实践,影响钛靶材质量的主要因素包括纯度、平均晶粒尺寸、结晶取向与结构均匀性、几何形状与尺寸等。

3.1 纯度

钛靶材的纯度对溅射薄膜的性能影响很大。钛靶材的纯度越高,溅射钛薄膜的中的杂质元素粒子越少,导致薄膜性能越好,包括耐蚀性及电学、光学性能越好。不过在实际应用中,不同用途钛靶材对纯度要求不一样。例如,一般装饰镀膜用钛靶材对纯度的要求并不苛求,而集成电路、显示器体等领域用钛靶材对纯度的要求高很多。靶材作为溅射中的阴极源,材料中的杂质元素和气孔夹杂是沉积薄膜的主要污染源。气孔夹杂会在铸锭无损探伤的过程中基本去除,没有去除的气孔夹杂在溅射的过程中会产生尖端放电现象(Arcing),进而影响薄膜的质量;而杂质元素含量只能在全元素分析测试结果中体现,杂质总含量越低,钛靶材纯度就越高。早期国内没有高纯钛溅射靶材的标准,都是参照国内外的钛靶材制造公司的要求,2013年后颁布标准《YS/T 893-2013电子薄膜用高纯钛溅射靶材》,规定3个纯度钛靶材单个杂质含量及总杂质含量不同的要求,此标准正在逐步规范繁乱钛靶材市场纯度需求。

3.2 平均晶粒尺寸

通常钛靶材为多晶结构,晶粒大小可由微米到毫米量级,细小尺寸晶粒靶的溅射速率要比粗晶粒靶快,在溅射面晶粒尺寸相差较小的靶,溅射沉积薄膜的厚度分布也较均匀。研究发现,若将钛靶的晶粒尺寸控制在100μm以下,且晶粒大小的变化保持在20%以内,其溅射所得薄膜的质量可得到大幅度改善(图5)。集成电路用钛靶材平均晶粒尺寸一般要求在330μm以内,超细晶钛靶材平均晶粒尺寸在10μm以下。

a6.jpg

3.3 结晶取向

金属钛是密排六方结构,由于在溅射时钛靶材原子容易沿着原子六方最紧密排列方向优先溅射出来,因此,为达到最高溅射速率,可通过改变靶材结晶结构的方法来增加溅射速率。目前大多数集成电路钛靶材溅射面{1013}晶面族为60%以上,不同厂家生产的靶材晶粒取向略有不同,钛靶材的结晶方向对溅射膜层的厚度均匀性影响也较大(图6)。平面显示和装饰镀膜的薄膜尺寸偏厚,所以对应钛靶材对晶粒取向要求比较低。

a7.jpg

3.4 结构均匀性

结构均匀性也是考察靶材质量的重要指标之一。对于钛靶材不仅要求在靶材的溅射平面,而且在溅射面的法向方向成分、晶粒取向和平均晶粒度均匀性。只有这样钛靶材在使用寿命内,在同一时间内能够得到厚度均匀、质量可靠的、晶粒大小一致的钛薄膜。

3.5 几何形状与尺寸

主要体现在加工精度和加工质量方面,如加工尺寸、表面平整度、粗糙度等。如安装孔角度偏差过大,无法正确安装;厚度尺寸偏小会影响靶材的使用寿命;密封面和密封槽尺寸过于粗糙会导致靶材安装后真空出现问题,严重的导致漏水;靶材溅射面粗糙化处理可使靶材表面布满丰富的凸起尖端,在尖端效应的作用下,这些凸起尖端的电势将大大提高,从而击穿介质放电,但是过大的凸起对于溅射的质量和稳定性是不利的。

3.6 焊接结合

目前关于Ti/A1异种金属扩散焊接研究的论文较多,通常对于高熔点钛与低熔点铝材料的扩散焊接,主要是基于单向或者双向加压的真空扩散连接技术进行研究或采用热等静压技术实现钛、铝金属材料的高压中低温直接扩散连接。Ti/Cu及Cu合金焊接国内厂商应用很多,但是研究论文较少。钛靶材不同焊接类别的焊接性能及应用如表2所示。

a8.jpg

4、钛靶材展望

为了更能接近磁控溅射靶材的使用者,以便提供更完善的售后服务,全球主要靶材制造商通常会在客户所在地设立分公司。目前,亚洲的一些国家和地区,如台湾、韩国和新加坡就建立了越来越多制造薄膜元件等产品的工厂,如IC、液晶显示器制造厂,对靶材厂商而言,这是相当重要的新兴市场。因此,全球靶材制造基地正在快速向亚洲地区聚集。随着国内半导体集成电路、平面显示及装饰镀膜等高技术产业的迅猛发展,中国的靶材市场日益扩大,已逐渐成为世界薄膜靶材的最大需求地区之一,这为中国靶材制造业的发展提供了机遇和挑战。近几年,在集成电路产业基金、国家科技重大专项(01、02、03)及地方基金等国家队的带动下,集成电路产业投资可谓大热,据统计,仅2015-2016两年间,国内已经宣布在建或计划开工的晶圆生产线就多达44条,其中300mm 18条,200mm 20条,150mm 6条。在此巨大市场需求的拉动下,靶材产业必将引起了我国有关科研院所和企业的重视和关注,纷纷投入人力、物力、财力从事磁控溅靶材的研发和生产。钛靶材作为靶材领域的独特一个分支无论在半导体A1工艺或Cu工艺下都有应用,同时在液晶显示器行业和装饰镀膜行业有着广泛的应用。目前钛靶材研发生产的基地主要集中在北京、广东地区、江浙、甘肃等地。由于靶材原料纯度、生产装备和工艺研发技术的限制,我国钛靶材制造业还处于初创期,国内钛靶材生产企业基本属于质量和技术门槛较低、采用传统加工方法、依靠价格取胜的低档次溅射靶材生产者,或获利有限的代工型加工厂。生产规模小,品种单一,技术还不稳定,迄今为止,中国(包括中国台湾)仅有几家生产靶材的专业公司,如有研亿金、江峰电子等企业,生产的钛靶材远远不能满足市场发展的需要,大量钛靶材还需从国外进口,高纯度金属钛靶材的原材料已经获得突破,但是大部分还不得不依赖进口。钛靶材作为一种具有特殊用途的材料,具有很强的应用目的和明确的应用背景。脱离金属钛的冶金提纯技术、EB真空熔炼技术、钛锭无损探伤技术、高纯钛的杂质分析技术、钛靶材的制备技术、溅射机台制备技术、溅射工艺和薄膜性能测试技术单纯地研究钛靶材本身没有任何意义。钛靶材的研发生产及后续的应用改进涉及一个从上游原材料到产业中游设备制造商和靶材制造商共同研发、下游钛靶材镀膜芯片应用的整个产业链。钛靶材性能与溅射薄膜性能之间的关系,既有利于获得满足应用需要的薄膜性能,又有利于更好的使用靶材,充分发挥其作用,促进靶材产业发展。目前正处在集成电路产业在中国大陆蓬勃发展的阶段,机遇和挑战并存,如果不能抓住机遇把靶材制造、薄膜制造和检测设备国产化,我国与国际水平的差距必将越来越大,不仅不能夺回由外商占领的国内市场,更无法参与国际市场的竞争。
科辉钛业 版权所有!
原文链接:https://www.kehuiti.com/html/news/20216191156.html

- END -