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靶材

镀膜靶材是通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系统在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。简单说的话,靶材就是高速荷能粒子轰击的目标材料,用于高能激光武器中,不同功率密度、不同输出波形、不同波长的激光与不同的靶材相互作用时,会产生不同的杀伤破坏效应。例如:蒸发磁控溅射镀膜是加热蒸发镀膜、铝膜等。更换不同的靶材(如铝、铜、不锈钢、钛、镍靶等),即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)。

材质分类

金属靶材

镍靶Ni、钛靶Ti、锌靶Zn、铬靶Cr、镁靶Mg、铌靶Nb、锡靶Sn、铝靶Al、铟靶In、铁靶Fe、锆铝靶ZrAl、钛铝靶TiAl、锆靶Zr、铝硅靶AlSi、硅靶Si、铜靶Cu、钽靶Ta、锗靶Ge、银靶Ag、钴靶Co、金靶Au、钆靶Gd、镧靶La、钇靶Y、铈靶Ce、不锈钢靶、镍铬靶NiCr、铪靶Hf、钼靶Mo、铁镍靶FeNi、钨靶、W等。

陶瓷靶材

ITO靶、氧化镁靶、氧化铁靶、氮化硅靶、碳化硅靶、氮化钛靶、氧化铬靶、氧化锌靶、硫化锌靶、二氧化硅靶、一氧化硅靶、氧化铈靶、二氧化锆靶、五氧化二铌靶、二氧化钛靶、二氧化锆靶,、二氧化铪靶,二硼化钛靶,二硼化锆靶,三氧化钨靶,三氧化二铝靶五氧化二钽,五氧化二铌靶、氟化镁靶、氟化钇靶、硒化锌靶、氮化铝靶,氮化硅靶,氮化硼靶,氮化钛靶,碳化硅靶,铌酸锂靶、钛酸镨靶、钛酸钡靶、钛酸镧靶、氧化镍靶、溅射靶材等。

合金靶材

铁钴靶FeCo、铝硅靶AlSi、钛硅靶TiSi、铬硅靶CrSi、锌铝靶ZnAl、钛锌靶材TiZn、钛铝靶TiAl、钛锆靶TiZr、钛硅靶TiSi、钛镍靶TiNi、镍铬靶NiCr、镍铝靶NiAl、镍钒靶NiV、镍铁靶NiFe等。

各种类型的溅射薄膜材料在半导体集成电路(VLSI)、光碟、平面显示器以及工件的表面涂层等方面都得到了广泛的应用。20世纪90年代以来,溅射靶材及溅射技术的同步发展,极大地满足了各种新型电子元器件发展的需求。例如,在半导体集成电路制造过程中,以电阻率较低的铜导体薄膜代替铝膜布线:在平面显示器产业中,各种显示技术(如LCD、PDP、OLED及FED等)的同步发展,有的已经用于电脑及计算机的显示器制造;在信息存储产业中,磁性存储器的存储容量不断增加,新的磁光记录材料不断推陈出新这些都对所需溅射靶材的质量提出了越来越高的要求,需求数量也逐年增加。

市场概况

日本。就美国而言.约有50家中小规模的靶材制造商及经销商,其中最大的公司员工大约有几百人。不过为了能更接近使用者,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。近段时间,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或产品的工厂,如IC、液晶显示器及光碟制造厂。

对靶材厂商而言,这是相当重要的新兴市场。中国靶材产业发展也是与日俱增,不断的扩大自己的规模和生产技术,国内一线生产制造靶材的品牌已经达到国外最顶尖的技术水平。2010年,日本三菱公司就在中国台湾地区建立了光碟埘靶材的生产基地,可以满足台湾50%的靶材需要。

BCC(BusinessCommunicationsCompany,商业咨询公司)最新的统计报告指出,全球靶材市场将以8.8%的年平均增长率(AAGR)在今后的5年内持续增长,估计销售额将从1999年的7.2亿美元增加到2004年的11亿美元。靶材是一种具有高附加价值的特种电子材料,主要使用在微电子,显示器,存储器以及光学镀膜等产业上,用以溅射用于尖端技术的各种薄膜材料。BCC的报告显示:全球的上述产业在1999年使用了2.88百万公斤靶材。换算为面积,则溅射了363百万平方米的薄膜。而若以单位靶材来计算,全球在1999年则大约使用了37400单位的靶材。这里所要指出的是,随着应用产业的不同,靶材的形状与大小也有所差异,其直径从15Gm到3m都有,而上述的统计资料,则是平均化后的结果。

磁控溅射靶材

1)磁控溅射原理:

在被溅射的靶极(阴极)与阳极之间加一个正交磁场和电场,在高真空室中充入所需要的惰性气体(通常为Ar气),永久磁铁在靶材料表面形成250~350高斯的磁场,同高压电场组成正交电磁场。在电场的作用下,Ar气电离成正离子和电子,靶上加有一定的负高压,从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离几率增大,在阴极附近形成高密度的等离子体,Ar离子在洛仑兹力的作用下加速飞向靶面,以很高的速度轰击靶面,使靶上被溅射出来的原子遵循动量转换原理以较高的动能脱离靶面飞向基片淀积成膜。磁控溅射一般分为二种:直流溅射和射频溅射,其中直流溅射设备原理简单,在溅射金属时,其速率也快。而射频溅射的使用范围更为广泛,除可溅射导电材料外,也可溅射非导电的材料,同时还可进行反应溅射制备氧化物、氮化物和碳化物等化合物材料。若射频的频率提高后就成为微波等离子体溅射,如今,常用的有电子回旋共振(ECR)型微波等离子体溅射。

2)磁控溅射靶材种类:

金属溅射镀膜靶材,合金溅射镀膜靶材,陶瓷溅射镀膜靶材,硼化物陶瓷溅射靶材,碳化物陶瓷溅射靶材,氟化物陶瓷溅射靶材,氮化物陶瓷溅射靶材,氧化物陶瓷靶材,硒化物陶瓷溅射靶材,硅化物陶瓷溅射靶材,硫化物陶瓷溅射靶材,碲化物陶瓷溅射靶材,其他陶瓷靶材,掺铬一氧化硅陶瓷靶材(Cr-SiO),磷化铟靶材(InP),砷化铅靶材(PbAs),砷化铟靶材(InAs)。

众所周知,靶材材料的技术发展趋势与下游应用产业的薄膜技术发展趋势息息相关,随着应用产业在薄膜产品或元件上的技术改进,靶材技术也应随之变化。如Ic制造商.近段时间致力于低电阻率铜布线的开发,预计未来几年将大幅度取代原来的铝膜,这样铜靶及其所需阻挡层靶材的开发将刻不容缓。另外,近年来平面显示器(FPD)大幅度取代原以阴极射线管(CRT)为主的电脑显示器及电视机市场.亦将大幅增加ITO靶材的技术与市场需求。此外在存储技术方面。高密度、大容量硬盘,高密度的可擦写光盘的需求持续增加.这些均导致应用产业对靶材的需求发生变化。下面我们将分别介绍靶材的主要应用领域,以及这些领域靶材发展的趋势。

在所有应用产业中,半导体产业对靶材溅射薄膜的品质要求是最苛刻的。如今12英寸(300衄口)的硅晶片已制造出来.而互连线的宽度却在减小。硅片制造商对靶材的要求是大尺寸、高纯度、低偏析和细晶粒,这就要求所制造的靶材具有更好的微观结构。靶材的结晶粒子直径和均匀性已被认为是影响薄膜沉积率的关键因素。另外,薄膜的纯度与靶材的纯度关系极大,过去99.995%(4N5)纯度的铜靶,或许能够满足半导体厂商0.35pm工艺的需求,但是却无法满足如今0.25um的工艺要求,而未米的0.18um}艺甚至0.13m工艺,所需要的靶材纯度将要求达到5甚至6N以上。铜与铝相比较,铜具有更高的抗电迁移能力及更低的电阻率,能够满足!导体工艺在0.25um以下的亚微米布线的需要但却带米了其他的问题:铜与有机介质材料的附着强度低.并且容易发生反应,导致在使用过程中芯片的铜互连线被腐蚀而断路。为了解决以上这些问题,需要在铜与介质层之间设置阻挡层。阻挡层材料一般采用高熔点、高电阻率的金属及其化合物,因此要求阻挡层厚度小于50nm,与铜及介质材料的附着性能良好。铜互连和铝互连的阻挡层材料是不同的.需要研制新的靶材材料。铜互连的阻挡层用靶材包括Ta、W、TaSi、WSi等.但是Ta、W都是难熔金属.制作相对困难,如今正在研究钼、铬等的台金作为替代材料。

平面显示器(FPD)这些年来大幅冲击以阴极射线管(CRT)为主的电脑显示器及电视机市场,亦将带动ITO靶材的技术与市场需求。如今的iTO靶材有两种.一种是采用纳米状态的氧化铟和氧化锡粉混合后烧结,一种是采用铟锡合金靶材。铟锡合金靶材可以采用直流反应溅射制造ITO薄膜,但是靶表面会氧化而影响溅射率,并且不易得到大尺寸的台金靶材。如今一般采取第一种方法生产ITO靶材,利用L}IRF反应溅射镀膜.它具有沉积速度快.且能精确控制膜厚,电导率高,薄膜的一致性好,与基板的附着力强等优点l。但是靶材制作困难,这是因为氧化铟和氧化锡不容易烧结在一起。一般采用ZrO2、Bi2O3、CeO等作为烧结添加剂,能够获得密度为理论值的93%~98%的靶材,这种方式形成的ITO薄膜的性能与添加剂的关系极大。日本的科学家采用Bizo作为添加剂,Bi2O3在820Cr熔化,在l500℃的烧结温度超出部分已经挥发,这样能够在液相烧结条件下得到比较纯的ITO靶材。而且所需要的氧化物原料也不一定是纳米颗粒,这样可以简化前期的工序。采川这样的靶材得到的ITO薄膜的屯阻率达到8.1×10n-cm,接近纯的ITO薄膜的电阻率。FPD和导电玻璃的尺寸都相当火,导电玻璃的宽度甚至可以达到3133_,为了提高靶材的利用率,开发了不同形状的ITO靶材,如圆柱形等。2000年,国家发展计划委员会、科学技术部在《当前优先发展的信息产业重点领域指南》中,ITO大型靶材也列入其中。

在储存技术方面,高密度、大容量硬盘的发展,需要大量的巨磁阻薄膜材料,CoF~Cu多层复合膜是如今应用广泛的巨磁阻薄膜结构。磁光盘需要的TbFeCo合金靶材还在进一步发展,用它制造的磁光盘具有存储容量大,寿命长,可反复无接触擦写的特点。如今开发出来的磁光盘,具有TbFeCo/Ta和TbFeCo/Al的层复合膜结构,TbFeCo/AI结构的Kerr旋转角达到58,而TbFeCofFa则可以接近0.8。经过研究发现,低磁导率的靶材高交流局部放电电压l抗电强度。

基于锗锑碲化物的相变存储器(PCM)显示出显著的商业化潜力,是NOR型闪存和部分DRAM市场的一项替代性存储器技术,不过,在实现更快速地按比例缩小的道路上存在的挑战之一,便是缺乏能够生产可进一步调低复位电流的完全密闭单元。降低复位电流可降低存储器的耗电量,延长电池寿命和提高数据带宽,这对于当前以数据为中心的、高度便携式的消费设备来说都是很重要的特征。


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