難熔金屬，一般包括鎢、鉭、鉬、鈮、鉿、鋯和鈦，其熔點(diǎn)都在1 600 ℃以上。鎢、鉬等合金材料高溫強(qiáng)度和蠕變性能好，被廣泛用于微電子，照明光源、武器系統(tǒng)、原子能等行業(yè)。鉭鈮極其合金具有較低蒸氣壓、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)秀的抗腐蝕性能，被廣泛用于航空航天、化工裝備、集成電路、核能部門[5]。將難熔金屬制作成靶材可將其優(yōu)秀性能以薄膜的形式利用。

表1 給出了幾種難熔金屬靶材的應(yīng)用領(lǐng)域。

難熔金屬靶材的類型及應(yīng)用

濺射用靶材有如下幾種分類方法：如按材質(zhì)分靶材可分為金屬靶、高分子陶瓷非金屬靶和復(fù)合材料靶等。如按外形尺寸可分為圓柱形、長方形、正方形板靶和管靶，見圖1。

因為一般常見的方靶圓靶都為實心，在鍍膜作業(yè)中，圓環(huán)形的永磁體在靶的表面產(chǎn)生的磁場為環(huán)形，會發(fā)生不均勻沖蝕現(xiàn)象，濺射的薄膜厚度均勻性不佳，靶材的使用效率大約只有20 %～30 %。而目前被推廣的空心管靶可繞固定的條狀磁鐵組件一定周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，360°靶面可被均勻刻蝕，優(yōu)勢明顯，將利用率提高到80 %[6]。

1.1 W 靶

W 是難熔金屬熔點(diǎn)最高的一種，具有穩(wěn)定的高溫特性、抗電子遷移能力和較高的電子發(fā)射系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。鎢及鎢合金靶在微電子、集成電路等行業(yè)中被大量使用。Al、Cu，Ag 目前是集成電路制造用得最多的互連線材料，一般來說介質(zhì)層是Si 或SiO₂，Al、Cu，Ag 會向介質(zhì)中擴(kuò)散而形成硅化物，從而使金屬連線的電流強(qiáng)度急劇變?nèi)酰麄€布線系統(tǒng)功能可能會因此而崩潰。最好的解決方案是在布線與介質(zhì)之間再進(jìn)行屏蔽來阻擋擴(kuò)散層，阻擋層金屬是WTi。

大量試驗證明，WTi 合金（Ti 占10 %～30 %）作為阻擋層已被成功地應(yīng)用于Al、Cu 和Ag 布線技術(shù)。由于金屬W 在其他金屬中原子的擴(kuò)散率較低，可阻擋擴(kuò)散，Ti 可有效地阻止晶界擴(kuò)散，另一方面也提高了阻擋層的黏結(jié)力和抗腐蝕性能[7-8]。

鎢靶還被應(yīng)用于裝飾鍍膜行業(yè)，如手表、眼鏡、衛(wèi)生潔具、五金零件等產(chǎn)品，不僅能美化外觀，同時也具有抗磨損、腐蝕等功能。近些年來裝飾鍍膜用靶材的需求量日益擴(kuò)大[9]。國內(nèi)研發(fā)W 靶材的主要單位有上海鋼鐵研究所、北京安泰科技、西北有色金屬研究院、株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)等。

1.2 Mo 靶

Mo 具有高熔點(diǎn)、較低的比阻抗、高電導(dǎo)率、較好的耐腐蝕性而被廣泛用于LCD 顯示屏、光伏電池中的配線、電極。還有集成電路的阻擋層材料。

金屬Cr 曾是LCD 顯示屏配線的首選材料，如今超大型、高精度LCD 顯示屏發(fā)展迅速，這對材料的比阻抗提出了更高的要求。此外，環(huán)境保護(hù)也必須兼顧。金屬M(fèi)o 的膜應(yīng)力的比阻抗只有鉻的一半，且不會污染環(huán)境，諸多優(yōu)勢使金屬M(fèi)o 成為LCD 顯示屏濺射靶材的最佳材料之一[10]。

銅銦鎵硒（簡稱“CIGS”）薄膜太陽電池是一種最具有發(fā)展前景的薄膜太陽能電池，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、無衰退、性能穩(wěn)定、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。在光伏領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者們對CIGS 產(chǎn)生了極大的關(guān)注。CIGS 薄膜太陽能電池的第五層就是背電極，電池的性能受背電極材料直接影響。Mo 濺射的薄膜熱穩(wěn)定性良好、電阻率較低、還能與CIGS 層結(jié)合形成良好的歐姆接觸。同時金屬M(fèi)o 薄膜還具有與上下玻璃層和CIGS 近似的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，已成為薄膜太陽電池背電極的必選材料[11]。圖2 是Mo 在薄膜太陽能電池中的位置[5]。近些年來，全球的太陽能電池需求量激增，每年遞增40 %以上。據(jù)報道，目前世界薄膜太陽能電池年發(fā)電總量約為660 MW[10]。國內(nèi)研發(fā)Mo 靶的主要單位有金堆城鉬業(yè)、北京安泰科技、洛陽高新四豐等。安泰科技公司采用壓制-燒結(jié)-熱等靜壓法制備的了大量鉬及其合金靶材，相對密度≥99 %[12]。

1.3 Ta 靶

當(dāng)大規(guī)模集成電路進(jìn)入到深亞微米時代時，Al線對應(yīng)力遷移和電遷移的抵抗能力相對較弱，這將造成布線空洞，導(dǎo)致電路系統(tǒng)完全失效。因此，金屬Cu 布線將成為主流。Cu 比Al 具有更高的抗電遷移能力和更低的電阻率，這意味著更小、更密集的連線可以承載更強(qiáng)的電流。低電阻提高了芯片速度。目前全球130 nm、90 nm 及以下的器件生產(chǎn)商已經(jīng)采用 Cu 互連工藝，Ta 成為Cu 互連的阻擋層。目前，超大規(guī)模集成電路已逐漸發(fā)展為Cu/Ta 系[13-14]。因為Cu和Si 的化學(xué)活性高，擴(kuò)散速度快，易形成銅硅合金（Cu-Si），銅在硅中形成深的空穴，設(shè)備的性能被嚴(yán)重影響，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。Ta 及Ta 的化合物具有高熱穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性和對外來原子的阻擋作用。

Cu 和Ta 以及Cu 和N 之間不反應(yīng)，不擴(kuò)散形成化合物，因此Ta 和Ta 基膜成為阻擋層可有效防止銅的擴(kuò)散[15]。

我國Ta 儲量資源豐富，但在過去對半導(dǎo)體濺射靶材缺乏最基本的認(rèn)識，從而限制了高純Ta 靶材的技術(shù)發(fā)展。在很長一段時間內(nèi)，我國生產(chǎn)濺射靶材用的高純Ta 原料主要依賴進(jìn)口。寧夏東方鉭業(yè)通過多年研發(fā)，掌握了高純Ta 濺射靶材原料生產(chǎn)工藝方法，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。寧波江豐電子材料股份有限公司也生產(chǎn)出了300 mm 高純Ta 濺射靶材[14]。西安諾博爾稀貴金屬公司也掌握高純Ta 靶的生產(chǎn)工藝[16]。

1.4 Nb 靶

近些年，光電技術(shù)的發(fā)展迅速，Nb 薄膜材料已廣泛應(yīng)用于與人們現(xiàn)代生活密切相關(guān)的LCD、TFT等離子顯示屏、相機(jī)鏡頭鍍膜、光學(xué)鏡頭鍍膜、汽車和建筑工業(yè)用玻璃的制造中[17]。鈮靶材還用于表面工程材料，如化工耐腐蝕、船舶、耐熱、電子成像、信息儲存、高導(dǎo)電等鍍膜行業(yè)[18]。由于高的利用率，旋轉(zhuǎn)空心圓管磁控濺射靶目前在業(yè)內(nèi)得到廣泛推廣，鈮管靶主要應(yīng)用于平面顯示器、先進(jìn)觸控屏和節(jié)能玻璃的表面鍍膜等行業(yè)，對玻璃屏幕起抗反射作用[19]。

我國研發(fā)Nb 靶的主要單位有寧夏東方鉭業(yè)、西北有色金屬研究院等。據(jù)筆者了解，寶雞佳軍公司通過熔煉擠壓方式生產(chǎn)出了外徑152mm，內(nèi)徑125 mm，長度為3900mm 的大型鈮管靶，平均晶粒尺寸達(dá)到了75.5 μm 。

相關(guān)鏈接