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磁控溅射钛靶材的发展概述

日期:2020-09-20 19:03
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摘要: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。

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优异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。针对下游优异应用,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优异转型升级的重要举措。

钛靶材的应用及性能要求

磁控溅射Ti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Ti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,具体指标要求如下:

1)纯度 :非集成电路用:99.9; 集成电路用:99.995%、99.99%。

2)微观组织: 非集成电路用:平均晶粒小于100μm ;集成电路用:平均晶粒小于30μm、 超细晶平均晶粒小于10μm 。

3) 焊接性能: 非集成电路用:钎焊、单体; 集成电路用:单体、钎焊、扩散焊 。

4) 尺寸精度: 非集成电路用:0.1mm; 非集成电路用:0.01mm。

1.1集成电路用 Ti靶材

集成电路 Ti 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,**成为我国**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。

Ti靶材原材料方面:高纯Ti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 Ti产品,但是产品稳定性还待提高。

Ti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100150mm 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  Ti靶材主要100150mm 单体和组合型靶材, 如典型3180型,3290型靶材等。**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150200mm 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Ti 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200300mm 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 Ti 靶材以铜合金背板扩散焊 接 为 主,如主流SIP型靶材。

Ti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  Ti原材料加工低 端的靶材,近几年国内 Ti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。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 Ti靶材

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*大,份额高达90%以上。LCD被认为是目前*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-LCD技术是微电子技术与液晶技术巧妙结合的一 种技术,目前已经成为平面显示主流技术,其中又分 Al-Mo、AlTi、Cu-Mo等工艺。

平面显示器的薄膜 多采用溅射成形 。AlCuTiMo等靶材是目前平面显示器主要金属靶材,平面显示器用 Ti 靶材纯度大于99.9%,此原材料能够国产。TFT-LCD6代线用平面 Ti 靶材尺寸比较大,结构采用铜合金水冷背板靶材,应用有中电熊猫等。

2 磁控溅射 Ti靶材制备技术

 Ti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 Ti的原材料通常先采用熔融电解的方法去除 Ti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 Ti基体中的杂质元素。因此,当在高真空环境下(1.0E-4以 上)电子束熔炼99.99%电解  Ti时,原料中 饱和蒸气压高于 Ti元素本身饱和蒸气压的杂质元素(Fe、 Co、Cu)将优先挥 发,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 Ti。

对于纯度在 99.9%Ti原材料多采用0级海绵  Ti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  Ti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Ti靶材,对于300mm机台要求特别高的 Ti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-ingtime)。

集成电路 Ti 靶材制备方法制备的靶材工艺复杂,成本相对较高。

3.Ti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  Ti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

Ti 靶材的纯度对溅射薄膜的性能影响很大。

 Ti靶材的纯度越高,溅射 Ti 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  Ti靶材对纯度要求不一样。例如,一般装饰镀膜用  Ti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 Ti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**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, Ti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 Ti靶材制 造公司的要求,2013年后颁布标准《YS/T8932013 电子薄膜用高纯钛溅射靶材》, 规定3个纯度 Ti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 Ti靶材市场纯度需求。 

3.2平均晶粒尺寸

通常 Ti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。集成电路用 Ti靶材 平 均晶粒尺寸 一般要求在30μm 以内,超细晶 Ti靶材平均晶粒尺寸在10μm 以下。

3.3 结晶取向

金属Ti是密排六方结构,由于在溅射时 Ti靶材原子容易沿着原子六方*紧密排列方向优先溅射出来,因此,为达到*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Ti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, Ti靶材的结晶方向对溅射膜层的厚度均匀性影响也较大 。平面显示和装饰镀膜的薄膜尺寸偏厚,所以对应 Ti靶材对晶粒取向要求比较低。

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 Ti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 Ti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 Ti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**,在**效应的作用下,这些凸起**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/Al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。

4、Ti靶材展望

Ti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  Ti的冶金提纯技术、EB真空熔炼技术、 Ti锭无损探伤技术、 高纯 Ti的杂质分析技术、 Ti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Ti靶材本身没有任何意义。 Ti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 Ti 靶材镀膜芯片应用的 整个产业链。 Ti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。

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