高純鈦作為電子信息領(lǐng)域重要的功能薄膜材料，近年來(lái)隨著(zhù)我國集成電路、平面顯示、太陽(yáng)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(chǎng)應用前景。鈦靶材 作為高附加值的鍍膜材料，在化學(xué)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(kāi)發(fā)高性能鈦濺射靶材，是實(shí)現電子信息制造業(yè)關(guān)鍵材料的自主研制和推動(dòng)鈦工業(yè)向高端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(chǎn)業(yè)，如集成電路、平面顯示屏和家裝汽車(chē)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) Ti靶材要求也有很大差別，主要包括：純度、微觀(guān)組織、焊接性能、尺寸精度幾個(gè)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(guān)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：?jiǎn)误w、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(lài)進(jìn)口。2013年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)實(shí)現銷(xiāo)售收入2508億元，進(jìn)口額高達2313億美元，首次成為我國第一大進(jìn)口商品。2014年，集成電路產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售收入為2672億元，進(jìn)口額仍達到2176億美元。集成電路用靶材在全球靶材市場(chǎng)中占較大份額。

Ti靶材原材料方面：高純Ｔｉ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 )潤等陸續推出國產(chǎn)的高純 Ti產(chǎn)品，但是產(chǎn)品穩定性還待提高。

Ti靶材的結構發(fā)展方面：早期芯片代工廠(chǎng)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(mǎn)足當時(shí)機臺的使用要求，當時(shí)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。第二階段，按照摩爾定律發(fā)展，芯片線(xiàn)寬變窄，芯片代工廠(chǎng)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(shí)保持高導熱、低價(jià)格和一定的強度，本時(shí)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(fā)展，芯片線(xiàn)寬進(jìn)一步變窄，此 時(shí)芯片代工廠(chǎng)主要使用200～300ｍｍ 濺射機臺，為進(jìn)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(shí)保持高導熱和足夠的強 度。本時(shí)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(chǎng)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(yè)逐步進(jìn)入靶材市場(chǎng)，開(kāi)始進(jìn)口高純 Ti原材料加工低 端的靶材，最近幾年國內 Ti靶材制造企業(yè)發(fā)展較快，市場(chǎng)份額逐步擴大到臺灣、歐美等市場(chǎng)，如有研億金和 江峰電子兩企業(yè)專(zhuān)注靶材制造多年。國內的靶材制造 企業(yè)也正在和國內的磁控濺射機臺制造商聯(lián)合開(kāi)發(fā)靶材，推動(dòng)國內集成電路磁控濺射產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(chǎng)致發(fā)光顯示器（Ｅ－Ｌ）、場(chǎng)發(fā)射顯示器（ＦＥＤ）。

目前，在平面顯示器市場(chǎng)中以液晶顯示器 ＬＣＤ 市場(chǎng)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(dòng)通信，各種新型 ＬＣＤ 產(chǎn)品正在沖擊著(zhù)人們的生活習慣，并推動(dòng)著(zhù)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)與液晶技術(shù)巧妙結合的一 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－ 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(chǎn)。ＴＦＴ－ＬＣＤ６代線(xiàn)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。

目前中國自主建設的全球最高世代線(xiàn)－合肥10.5代線(xiàn)主要生 產(chǎn)大尺寸超高清液晶顯示屏，設計產(chǎn)能為每月9萬(wàn) 片玻璃基板，玻璃基板尺寸為3370×2940ｍm,總投資400億元，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 Ti靶材制備技術(shù)

Ti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(jiǎn)稱(chēng) ＥＢ坯）和真空自耗電弧爐熔煉坯（簡(jiǎn)稱(chēng)（ＶＡＲ）坯）兩大類(lèi)，在靶材制備過(guò)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(guò)程亦需加以嚴格控制，以保證靶材的質(zhì)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(diǎn)的雜質(zhì)元素，再采用真空電子束熔煉進(jìn)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(diǎn)在于不引入其他雜質(zhì)的前提下去除 Ti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 Ti時(shí)，原料中 飽和蒸氣壓高于 Ti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)，使基體中雜質(zhì)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(jīng)真空自耗電弧爐熔煉，再經(jīng)過(guò)熱鍛造開(kāi)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(guò)熱機械變形控制其整個(gè)濺射表面微觀(guān)組織一致，然后經(jīng)過(guò)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(shí)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(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(shí)踐，影響 Ti靶材質(zhì)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(zhì)元素粒子越少，導致薄膜性能越好，包括耐蝕性及電學(xué)、 光學(xué)性能越好。不過(guò)在實(shí)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(lǐng)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(zhì)元素和氣孔夾雜是沉積薄膜的主要污染源。氣孔夾雜會(huì )在鑄錠無(wú)損探傷的過(guò)程中基本去除，沒(méi)有去除的氣孔夾雜在濺射的 過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生尖端放電現象（Ａｒｃｉｎｇ），進(jìn)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果中體現，雜質(zhì)總含量越低， Ti靶材純度就越高。早期國內沒(méi)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(gè)純度 Ti靶材單個(gè)雜質(zhì)含量及總雜質(zhì)含量 不同的要求，此標準正在逐步規范繁亂 Ti靶材市場(chǎng)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(fā)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?xún)?，其濺射所得薄膜的質(zhì)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?xún)?，超細?strong> 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(shí) Ti靶材原子容易沿著(zhù)原子六方最緊密排列方向優(yōu)先濺射出來(lái)，因此，為達到最高濺射速率，可通過(guò)改變靶材結晶結構的方法來(lái)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(chǎng)家生產(chǎn)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(zhì)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(shí) 間內能夠得到厚度均勻、質(zhì)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(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(guò)大，無(wú)法正確安裝；厚度尺寸偏小會(huì )影響靶材的使用 壽命；密封面和密封槽尺寸過(guò)于粗糙會(huì )導致靶材安裝后真空出現問(wèn)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(mǎn)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(guò)大的凸起對于濺射的質(zhì)量和穩定性是不利的。

3.6焊接結合

目前關(guān)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(diǎn)鈦與低熔點(diǎn)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(jìn)行研究或采用熱等靜壓技術(shù)實(shí)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(chǎng)商應用很多，但是研究論文較少。

4、 Ti靶材展望

全球靶材制造基地正在快速向亞洲地區聚集。 隨著(zhù)國內半導體集成電路、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(chǎng)日益擴大， 已逐漸成為世界薄膜靶材的最大需求地區之一，這為中國靶材制造業(yè)的發(fā)展提供了機遇和挑戰。

近幾年，在集成電路產(chǎn)業(yè)基金、國家科技重大專(zhuān)項（01、 02、03）及地方基金等國家隊的帶動(dòng)下，集成電路產(chǎn)業(yè)投資可謂大熱，據統計，僅2015—2016兩年間，國內已經(jīng)宣布在建或計劃開(kāi)工的晶圓生產(chǎn)線(xiàn)就多達 44條，其中300ｍｍ１８條，200ｍｍ20條，150ｍｍ ６條。在此巨大市場(chǎng)需求的拉動(dòng)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)。

Ti靶材作為靶材領(lǐng)域的獨特一個(gè)分支無(wú)論在半導體 Ａｌ工藝或 Ｃｕ工藝下都有應用，同時(shí) 在液晶顯示器行業(yè)和裝飾鍍膜行業(yè)有著(zhù)廣泛的應用。目前 Ti靶材研發(fā)生產(chǎn)的基地主要集中在北京、 廣東地區、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 Ti靶材制造業(yè)還處于初創(chuàng )期 ，國內 Ti靶材生產(chǎn)企業(yè)基本屬于質(zhì)量和技術(shù)門(mén)檻較低、采用傳統加工方法、依靠?jì)r(jià)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(chǎng)。生 產(chǎn)規模小，品種單一，技術(shù)還不穩定，迄今為止，中國 （包括中國臺灣）僅有幾家生產(chǎn)靶材的專(zhuān)業(yè)公司，如有研億金、江峰電子等企業(yè)，生產(chǎn)的Ｔｉ靶材 遠 遠不能滿(mǎn)足市場(chǎng)發(fā)展的需要，大量 Ti靶材還需從國外進(jìn)口，高純度金屬 Ti靶材的原材料已經(jīng)獲得突破，但是大部分還不得不依賴(lài)進(jìn)口。

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(shù)、ＥＢ真空熔煉技術(shù)、 Ti錠無(wú)損探傷技術(shù)、 高純 Ti的雜質(zhì)分析技術(shù)、 Ti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Ｔｉ靶材本身沒(méi)有任何意義。 Ti靶材的研發(fā)生產(chǎn)及后續的應用改進(jìn)涉及一個(gè)從上游原材料到產(chǎn)業(yè)中游設備制造商和靶材制造商共同研發(fā)、下游 Ti 靶材鍍膜芯片應用的 整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。 Ti靶材性能與濺射薄膜性能之間的關(guān)系，既有利于獲得滿(mǎn)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(jìn)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，機遇和挑戰并存，如果不能抓住機遇把靶材制造、薄膜制造和檢測 設備國產(chǎn)化，我國與國際水平的差距必將越來(lái)越大， 不僅不能奪回由外商占領(lǐng)的國內市場(chǎng)，更無(wú)法參與 國際市場(chǎng)的競爭。