集成電路用鈦靶材需達4N5（99.995%）以上純度，先進制程甚至要求5N級，嚴控雜質(zhì)與氧含量以保障器件性能。其晶體結(jié)構(gòu)需控制晶粒尺寸在30μm以下，通過(002)或(110)擇優(yōu)取向?qū)崿F(xiàn)濺射均勻性。制造工藝涵蓋電子束熔煉、熱等靜壓等多道精密工序，經(jīng)納米級磨削與超凈處理，確保平面度≤0.01mm/200mm，表面粗糙度Ra≤0.02μm。在邏輯芯片中，鈦靶材用于銅互連阻擋層與電極界面層；存儲芯片內(nèi)，Ti-W合金靶實現(xiàn)高深寬比臺階覆蓋；功率器件依賴其作為歐姆接觸層；顯示面板與傳感器則利用其制備透明導(dǎo)電層和電極層。不同場景對鈦靶材的導(dǎo)電性、結(jié)合力、耐溫性等性能提出差異化需求。
未來鈦靶材朝著超高純度（7N級）、納米晶結(jié)構(gòu)發(fā)展，適配2nm以下芯片制程。制造工藝向大尺寸化、綠色化升級，同時復(fù)合二維材料提升散熱等功能，并借助AI實現(xiàn)晶粒取向智能調(diào)控。低溫濺射技術(shù)的進步也將推動其在柔性基板領(lǐng)域的應(yīng)用。國際上，日本JX金屬、美國霍尼韋爾等企業(yè)憑借技術(shù)優(yōu)勢主導(dǎo)高端市場。國內(nèi)江豐電子、有研新材已實現(xiàn)7nm節(jié)點鈦靶量產(chǎn)，國產(chǎn)化率提升至65%，但高端產(chǎn)品仍依賴進口。國家大基金與政策支持下，國內(nèi)企業(yè)正加速技術(shù)攻關(guān)，以應(yīng)對國際競爭與供應(yīng)鏈風(fēng)險。
集成電路用鈦靶材是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略材料，其技術(shù)體系圍繞“超純、超均勻、超穩(wěn)定”展開。國際巨頭憑借技術(shù)積累與規(guī)模優(yōu)勢主導(dǎo)市場，而國內(nèi)企業(yè)通過政策支持與技術(shù)創(chuàng)新逐步縮小差距，在5N級靶材領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。未來需聚焦7N級高純靶材、大尺寸制造、復(fù)合功能化等方向，同時應(yīng)對國際競爭與供應(yīng)鏈風(fēng)險，構(gòu)建自主可控的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。以下是凱澤金屬針對集成電路用鈦靶材的技術(shù)體系分析，將其材質(zhì)特性、制造工藝、應(yīng)用場景及發(fā)展趨勢等，整理如下：
一、材質(zhì)牌號與化學(xué)成分
1.常用材質(zhì)分類
高純鈦（5N級）：純度≥99.999%，氧含量≤50ppm，用于90nm以下先進制程的導(dǎo)電層和阻擋層。
鈦合金靶材：
鈦鎢合金（Ti-W）：含鎢10%-30%，提升薄膜的阻隔性和熱穩(wěn)定性。
鈦氮化合物（TiN）：陶瓷靶材，用于硬質(zhì)掩膜和擴散阻擋層。
2.名義成分與國際牌號對應(yīng)
| 國內(nèi)牌號 | 國際對應(yīng)牌號 | 主要成分 | 應(yīng)用場景 |
| 5N-Ti | UHP Ti (美國) | Ti≥99.999%，O≤50ppm | 邏輯芯片銅互連阻擋層 |
| Ti-W70/30 | W-Ti (日本) | W: 70wt%，Ti: 30wt% | DRAM存儲電極 |
| TiN | TiN (德國) | N: 33-35at%，余量Ti | 蝕刻停止層 |
注：5N級鈦靶需控制Al、Fe、Cr等雜質(zhì)總量＜0.5ppm。
二、物理與機械性能
| 性能指標(biāo) | 參數(shù)值 | 技術(shù)要求 |
| 密度 | 4.51 g/cm3 | 影響濺射膜層均勻性 |
| 熱膨脹系數(shù) | 8.6×10??/℃ (20-100℃) | 需匹配硅基片（2.6×10??/℃） |
| 顯微硬度 | 80-120 HV | 過高導(dǎo)致濺射裂紋，過低易變形 |
| 晶粒尺寸 | ≤100μm | 晶粒粗大引發(fā)濺射飛濺（缺陷率↑30%） |
| 導(dǎo)電率 | 2.38×10? S/m | 影響薄膜電阻均勻性 |
特殊要求：靶材織構(gòu)需滿足{0001}取向占比＞80%，以提升濺射速率20%。
三、制造工藝與流程創(chuàng)新
1.核心工藝流程
熔煉技術(shù)：三次EB熔煉（純度＞99.999%），真空度≤10?3 Pa。
塑性加工：
鍛伸預(yù)熱460-480℃，拔長與墩粗交替4次，晶粒細化至50μm以下。
軋制溫度控制：β相區(qū)（880℃）大變形→α+β相區(qū)（750℃）精軋。
表面處理：拋光后粗糙度Ra≤0.8μm，平面度≤0.2mm/300mm。
2.先進工藝突破
納米晶調(diào)控：
江豐電子開發(fā)“低溫大變形+階梯退火”工藝（390℃退火60min），晶粒尺寸降至20μm，濺射膜均勻性提升15%。
焊接技術(shù)：
異種金屬大面積焊接（鈦-銅背板），熱膨脹失配率＜5%，用于300mm靶材7。
四、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品規(guī)格
1.國內(nèi)外核心標(biāo)準(zhǔn)
| 標(biāo)準(zhǔn)號 | 名稱 | 關(guān)鍵技術(shù)要求 |
| T/ZZB 0093-2016 | 集成電路用高純鈦濺射靶材 | 純度≥99.995%，氧≤150ppm |
| ASTM F660-83 | 濺射靶材潔凈度規(guī)范 | 表面顆粒≤0.1μm/㎡ |
| SEMI F72-1108 | 12寸靶材尺寸公差 | 直徑公差±0.05mm |
2.常見產(chǎn)品規(guī)格
圓靶：直徑200mm（8寸）、300mm（12寸），厚度6-15mm。
矩形靶：最大尺寸1500×300mm（OLED用），平面度≤0.3mm。
五、與其他電子工業(yè)靶材的差異
| 靶材類型 | 核心優(yōu)勢 | 集成電路應(yīng)用局限 | 成本對比 |
| 鈦靶 | 高附著力、優(yōu)異阻擋性能 | 電阻率較高（43μΩ·cm） | 中高（$300/kg） |
| 銅靶 | 低電阻率（1.7μΩ·cm） | 易擴散至硅層，需加阻擋層 | 高（$450/kg） |
| 鉭靶 | 極佳擴散阻擋性 | 加工難度大，成品率低 | 極高（$800/kg） |
| 鋁靶 | 低成本，易加工 | 耐熱性差（≤450℃） | 低（$100/kg） |
功能互補性：
28nm以下節(jié)點采用“鈦+鉭”雙層靶，鈦層提升附著力，鉭層阻隔銅擴散。
六、核心應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化突破
1.應(yīng)用領(lǐng)域
邏輯芯片：5nm制程中鈦靶用于鈷互連層的黏附層，降低接觸電阻15%。
存儲芯片：Ti-W靶沉積于DRAM電容電極，耐熱性提升至600℃。
封裝領(lǐng)域：鈦靶鍍于TSV通孔側(cè)壁，防止銅離子遷移。
2.國產(chǎn)化突破案例
江豐電子：
14nm鈦靶通過中芯國際驗證，純度達99.9995%，替代日本東曹進口。
有研新材：
鈦鈷復(fù)合靶用于臺積電3nm GAA晶體管，薄膜均勻性±1.5%（國際領(lǐng)先）。
七、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化對比與技術(shù)挑戰(zhàn)
| 維度 | 國際先進（美/日） | 國內(nèi)水平 | 差距分析 |
| 純度控制 | 6N級（99.9999%） | 5N5級（99.9995%） | 雜質(zhì)檢測精度低0.5個數(shù)量級 |
| 大尺寸靶材 | 12寸靶良率＞95% | 12寸靶良率約85% | 熱等靜壓均勻性不足 |
| 設(shè)備依賴 | 自主開發(fā)超高純?nèi)蹮挔t | 進口設(shè)備占比70% | 核心裝備卡脖子 |
| 市場份額 | 全球80%（霍尼韋爾、日礦） | 全球15% | 高端市場滲透率不足 |
技術(shù)挑戰(zhàn)：
濺射飛濺控制：晶界雜質(zhì)引發(fā)顆粒污染（＞0.1μm缺陷導(dǎo)致芯片良率↓5%）。
焊接可靠性：鈦-銅背板熱循環(huán)后開裂（溫差＞200℃時失效風(fēng)險↑30%）。
成本瓶頸：5N鈦靶材制備能耗為銅靶的3倍，制約普及。
八、前沿趨勢展望
材料創(chuàng)新
高熵合金靶材：Ti-Zr-Hf-Nb系，耐熱性提升至800℃，用于2nm以下節(jié)點。
納米復(fù)合靶：TiN-SiC陶瓷靶，硬度提升至2500HV，壽命延長2倍。
工藝智能化
數(shù)字孿生工藝控制：實時監(jiān)測熔煉溫度波動（±5℃），晶粒均勻性提升20%。
AI缺陷預(yù)測：基于機器視覺的靶材表面缺陷檢出率＞99.9%5。
綠色制造
廢靶再生技術(shù)：等離子弧重熔回收鈦屑，利用率達80%（較傳統(tǒng)工藝+40%）。
集成化應(yīng)用
原子層沉積（ALD）復(fù)合靶：鈦-有機前驅(qū)體一體化設(shè)計，實現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)保形鍍膜。
總結(jié)
集成電路用鈦靶材正向“超高純化”（6N級）、“大尺寸化”（450mm）、“復(fù)合功能化”（高熵合金）演進。短期需突破晶界控制與焊接可靠性瓶頸，中期依托智能化制造降本增效，長期通過材料-設(shè)備-工藝協(xié)同實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈自主化。隨著中國晶圓產(chǎn)能擴張（2025年自給率70%），國產(chǎn)鈦靶市場占比有望從15%提升至40%，成為高端芯片制造的“核心材料擔(dān)當(dāng)”。
相關(guān)鏈接
