1、應用背景
半導體芯片行業是金屬濺射靶材的主要應用領域之一，也是對靶材的成分、組織和性能要求最高的領域。具體地，半導體芯片的制作過程可分為硅片制造、晶圓制造和芯片封裝等三大環節，其中，在晶圓制造和芯片封裝這兩個環節中都需要用到金屬濺射靶材[1]。
(1)硅片制造:單晶硅片的制造過程，首先是將電子級高純多晶硅通過重熔拉成單晶硅棒，切割成厚度為0.5~1.5mm的薄圓片，常見的晶圓直徑包括:150mm、200mm、300mm和450mm等(分別對應6寸、8寸、12寸以及18寸等規格)。
(2)晶圓制造:每個晶圓片上一般包含成百上甚至千個芯片，而每個芯片的內部又包含著數以億計的微型晶體管。晶圓的制造可分為前、后端兩大工序。其中，前端工序，就是按照設計要求在每個芯片上制作出大量微型晶體管的過程。后端工序，是將芯片內部的晶體管用金屬線連接成電路的過程。
(3)芯片封裝:是將芯片上的電路管腳接到芯片封裝外殼的引腳上，從而起到聯接芯片內部與外部電路并且保護芯片的作用。
2、濺射原理
半導體芯片用金屬濺射靶材的作用，就是給芯片上制作傳遞信息的金屬導線。
具體的濺射過程，如圖1所示，首先利用高速離子流，在高真空條件下分別去轟擊不同種類的金屬濺射靶材的表面，使各種靶材表面的原子一層一層地沉積在半導體芯片的表面上，然后再通過的特殊加工工藝，將沉積在芯片表面的金屬薄膜刻蝕成納米級別的金屬線，將芯片內部數以億計的微型晶體管相互連接起來，從而起到傳遞信號的作用。
3、靶材分類
半導體芯片行業用的金屬濺射靶材，主要種類包括:銅、鉭、鋁、鈦、鈷和鎢等高純濺射靶材，以及鎳鉑、鎢鈦等合金類的濺射靶材[2]。具體圖2和表1所示:
表1半導體芯片行業用主要金屬濺射靶材簡介
| 序號 | 材料 | 應用說明 | 備注 |
| 1 | 銅靶 | 導電層 | 高純銅材料因其電阻很低,對芯片集成度的提 高非常有效,因此在110nm以下技術節中被大量 用作布線材料3。 | 銅靶和鉭靶通常配合起來使用。 晶圓的制造技術,目前正在朝著更小的制程方 向發展,銅導線工藝的應用量在逐步增大,因 此,銅和鉭靶材的需求將有望持續增長。 |
| 2 | 鉭靶 | 阻擋層 | 高純鉭靶主要用在12英寸晶圓片90nm以下的 高端半導體芯片上。 |
| 3 | 鋁靶 | 導電層 | 高純鋁靶在制作半導體芯片導電層方面應用甚 廣,但因其響應速度方面的原因,而在110nm以 下技術節點中很少應用。 | 鋁靶和鈦靶通常配合起來使用。 目前,在汽車電子芯片等需要110nm以上技術 節點來保證其穩定性和抗干擾性的領域,仍需 大量使用鋁、鈦靶材。 |
| 4 | 鈦靶 | 阻擋層 | 高純鈦靶主要用在8英寸晶圓片130和180nm技 術節點上。 |
| 5 | 鎳鉑 合金靶 | 接觸層 | 可與芯片表面的硅層生成一層薄膜,起到接觸 作用4。 |
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| 6 | 鈷靶 | 接觸層 | 可與芯片表面的硅層生成一層薄膜,起到接觸 作用。 |
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| 7 | 鎢鈦 合金靶 | 接觸層 | 鎢鈦合金,由于其電子遷移率低等優點,可作為 接觸層材料用在芯片的門電路中。 |
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| 8 | 鎢靶 |
| 主要用于半導體芯片存儲器領域[5]。 |
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4、供應格局
當前國際上，日本的日礦金屬、東曹公司以及美國的霍尼韋爾、普萊克斯公司，這四家靶材制造國際巨頭，占居了全球半導體芯片用靶材市場約90%的份額。同時，近年來,以江豐電子、有研新材以及貴研鉑業等為代表的國內靶材制造企業也在快速崛起,并已經在全球靶材市場上占有了一席之地。具體如表2所示。
表2國內外半導體芯片用靶材的主要供應商介紹
| 序號 | 公司名稱 | 國家 | 半導體行業用主要靶材產品介紹 |
| 1 | 日礦金屬 | 日本 | 日礦金屬的靶材加工綜合實力居國際第一,其在全球范圍內,占據了半導體芯片領域約30%的靶材 市場份額。 |
| 其生產的半導體芯片用鉭靶和銅靶以及半導體芯片存儲器用鎢靶等的市場占有率居全球第一。另 外,其生產的半導體芯片用鋁靶和鈦靶也占有較大的全球市場份額。 |
| 2 | 東曹 | 日本 | 東曹是一家國際領先的靶材加工企業,在我國和美、日、韓等國家均具有生產基地。 |
| 其在半導體芯片用鋁靶方面,基本與美國的普萊克斯公司共同平分了全球市場。另外,其存儲器芯 片用的鎢靶的市場占有率居全球第二,而且,在半導體芯片用銅靶和鉭靶方面,也占有全球較大的 市場份額。 |
| 3 | 霍尼韋爾 | 美國 | 霍尼韋爾是一家國際領先的靶材加工企業。 |
| 其高純鈦原料的制備能力在全球遙遙領先,其高純鈦靶材的加工能力和市場占有率居全球第一,其 半導體芯片用的銅靶的市場占有率居全球第二,此外,其鋁靶的全球市場份額也較大。 |
| 4 | 普萊克斯 | 美國 | 普萊克斯是一家國際領先的靶材加工企業。 |
| 其在半導體芯片用鋁靶方面,基本與日本的東曹公司共同平分了全球市場。另外,其半導體芯片用 的鈦靶的市場占有率居全球第二,同時,其鉭靶和銅靶的全球市場份額也較大。 |
| 5 | 世泰科 | 德國 | 全球領先的鎢、鉬鉭、鈮、錸及陶瓷粉提供商。 |
| 其幾乎壟斷著全球半導體芯片用鉭靶材的鉭粉原料和鉭靶坯的供應。 |
| 6 | 江豐電子 | 中國 | 江豐電子是國內高端濺射靶材行業的最有影響力的代表企業。 |
| 其靶材的下游應用行業,以半導體芯片為主,以平面顯示和光伏為輔,其銷售區域則以出口為主 (2017年營收的70.5%來自出口市場)。 |
| 具體的靶材產品包括高純鉭靶、高純鈦靶、高純鋁靶以及鎢鈦靶等等。另外其高純銅原料及靶材生 產工藝已經日趨成熟,正等待逐步量產。而且該公司已經從瑞典購置了國際領先的熱等靜壓設備, 主要用來生產半導體芯片存儲器的用高端鎢靶材。 |
| 7 | 有研新材 | 中國 | 有研新材旗下的全資子公司有研億金,沒有平面顯示行業用條靶生產線,只生產半導體芯片行業用 高端濺射靶材,也是是國內研發最早、實力最強、銷售規模最大的靶材制造企業之一。 |
| 有研億金是我國唯一具備超高純金屬原料和半導體芯片用濺射靶材整套研發制造體系的企業,其高 純銅、鎳、鈷以及金、銀等貴金屬材料提純技術處于國際領先水平,并在去年成為了全球最大的晶 圓代工廠臺積電的第二家高純鉆濺射靶材合格供應商。 |
5、供應商認證
(1)認證周期較長:
半導體芯片制造企業對靶材合格供應商的認證過程非常漫長和苛刻，一般至少需要2-3年以上。對絕大多數靶材生產企業來說，都難以承受在此期間所要付出的巨大資金、人力以及時間成本，而對芯片制造企業來說，開發新的合格供應商的時間成本和風險也很高,在現有靶材供應商能夠滿足其生產需求的情況下，對引入新的供應商幾乎沒有興趣。這些也是造成該行業高技術壁壘的原因之一。
(2)認證模式各異:
半導體芯片制造企業對靶材合格供應商的認證模式各不相同。其中，要進入日、韓等國家芯片制造企業的靶材供應商,則必須通過日、韓本國的中間商或者商社來間接供應;要進入英特爾的靶材供應商,則必須通過應用材料(AM)的推薦;要進入全世界最大的晶圓代工企業臺積電的靶材供應商,則需要通過其最終客戶(蘋果和華為等)的認可。
(3)供應商的份額:
半導體芯片制造企業對其所需要的每一種濺射靶材，一般都會選擇三家左右的穩定供應商。并且，從排名第一的供應商處的采購量最大,從排名第二的供應商處的采購量較小，而排名第三的供應商則基本相當于備胎。
6、結論
(1)半導體芯片的制作過程可大致分為硅片制造、晶圓制造和芯片封裝等三個環節,其中,在晶圓制造和芯片封裝兩個環節中都需要用到金屬濺射靶材。
(2)半導體芯片行業用的金屬濺射靶材，主要種類包括:銅、鉭、鋁、鈦、鈷和鎢等高純濺射靶材，以及鎳鉑、鎢鈦等合金類的濺射靶材。
(3)銅靶和鉭靶通常配合起來使用。目前晶圓的制造正朝著更小的制程方向發展，銅導線工藝的應用量在逐步增大，因此，銅和鉭靶材的需求將有望持續增長。
(4)鋁靶和鈦靶通常配合起來使用。目前，在汽車電子芯片等需要110nm以上技術節點來保證其穩定性和抗干擾性的領域，仍需大量使用鋁、鈦靶材。
(5)國外方面,日本的日礦金屬、東曹公司以及美國的霍尼韋爾、普萊克斯公司，這四家靶材制造國際巨頭，占居了全球半導體芯片用靶材市場約90%的份額。而德國世泰科公司是全球領先的鎢、鉬鉭、鈮、錸及陶瓷粉提供商，并幾乎壟斷著全球半導體芯片用鉭靶材的鉭粉原料和鉭靶坯的供應。
(6)國內方面，以江豐電子、有研新材以及貴研鉑業等為代表的國內靶材制造企業近年來正在快速崛起，其鋁、鈦、銅、鉭、鈷等高純靶材以及鎢鈦、鎳鉑等合金靶材，已在全球市場占有了一席之地。
(7)半導體芯片制造企業對其靶材合格供應商的認證過程十分苛刻，且各家認證模式也各不相同，絕大多數供應商都難以承受認證過程中的巨大資金和時間成本，而芯片制造企業也對引入新的供應商興趣不大。
(8)半導體芯片制造企業對其所需要的每一種濺射靶材,一般都會選擇三家左右的穩定供應商。但主要從排名第一的供應商處的大量采購,從排名第二的供應商處的采購份額較小，排名第三及以后的供應商則基本相當于備胎。
參考文獻
[1]何金江，賀昕，熊曉東等.集成電路用高純金屬材料及高性能濺射靶材制備研究進展[J].新材料產業，2015(09):47-52.
[2]盧建棟.TS公司競爭戰略研究[D].華東理工大學2016
[3]高巖，王欣平，何金江等.集成電路互連線用高純銅靶材及相關問題研究[J].半導體技術，2011(09):826-830.
[4]王一晴，郭俊梅，管偉明，聞明等.鎳鉑合金濺射靶材在半導體制造中的應用及發展趨勢[J].貴金屬，2016(08):87-92.
[5]魏修宇.半導體用高純鎢靶材的制備技術與應用[J].硬質合金，2017(05):353-359.
（注，原文標題：半導體芯片行業用金屬濺射靶材市場分析）
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