钨钼钽铌难熔金属靶材的类型及应用

难熔金属，一般包括钨、钽、钼、铌、铪、锆和钛，其熔点都在1 600 ℃以上。钨、钼等合金材料高温强度和蠕变性能好，被广泛用于微电子，照明光源、武器系统、原子能等行业。钽铌极其合金具有较低蒸气压、低热膨胀系数、优秀的抗腐蚀性能，被广泛用于航空航天、化工装备、集成电路、核能部门[5]。将难熔金属制作成靶材可将其优秀性能以薄膜的形式利用。

表1 给出了几种难熔金属靶材的应用领域。

难熔金属靶材的类型及应用

溅射用靶材有如下几种分类方法：如按材质分靶材可分为金属靶、高分子陶瓷非金属靶和复合材料靶等。如按外形尺寸可分为圆柱形、长方形、正方形板靶和管靶，见图1。

因为一般常见的方靶圆靶都为实心，在镀膜作业中，圆环形的永磁体在靶的表面产生的磁场为环形，会发生不均匀冲蚀现象，溅射的薄膜厚度均匀性不佳，靶材的使用效率大约只有20 %～30 %。而目前被推广的空心管靶可绕固定的条状磁铁组件一定周期旋转运动，360°靶面可被均匀刻蚀，优势明显，将利用率提高到80 %[6]。

1.1 W 靶

W 是难熔金属熔点最高的一种，具有稳定的高温特性、抗电子迁移能力和较高的电子发射系数等诸多优点。钨及钨合金靶在微电子、集成电路等行业中被大量使用。Al、Cu，Ag 目前是集成电路制造用得最多的互连线材料，一般来说介质层是Si 或SiO₂，Al、Cu，Ag 会向介质中扩散而形成硅化物，从而使金属连线的电流强度急剧变弱，整个布线系统功能可能会因此而崩溃。最好的解决方案是在布线与介质之间再进行屏蔽来阻挡扩散层，阻挡层金属是WTi。

大量试验证明，WTi 合金（Ti 占10 %～30 %）作为阻挡层已被成功地应用于Al、Cu 和Ag 布线技术。由于金属W 在其他金属中原子的扩散率较低，可阻挡扩散，Ti 可有效地阻止晶界扩散，另一方面也提高了阻挡层的黏结力和抗腐蚀性能[7-8]。

钨靶还被应用于装饰镀膜行业，如手表、眼镜、卫生洁具、五金零件等产品，不仅能美化外观，同时也具有抗磨损、腐蚀等功能。近些年来装饰镀膜用靶材的需求量日益扩大[9]。国内研发W 靶材的主要单位有上海钢铁研究所、北京安泰科技、西北有色金属研究院、株洲硬质合金集团等。

1.2 Mo 靶

Mo 具有高熔点、较低的比阻抗、高电导率、较好的耐腐蚀性而被广泛用于LCD 显示屏、光伏电池中的配线、电极。还有集成电路的阻挡层材料。

金属Cr 曾是LCD 显示屏配线的首选材料，如今超大型、高精度LCD 显示屏发展迅速，这对材料的比阻抗提出了更高的要求。此外，环境保护也必须兼顾。金属Mo 的膜应力的比阻抗只有铬的一半，且不会污染环境，诸多优势使金属Mo 成为LCD 显示屏溅射靶材的最佳材料之一[10]。

铜铟镓硒（简称“CIGS”）薄膜太阳电池是一种最具有发展前景的薄膜太阳能电池，具有光电转换效率高、无衰退、性能稳定、成本低廉等诸多优点。在光伏领域，国内外学者们对CIGS 产生了极大的关注。CIGS 薄膜太阳能电池的第五层就是背电极，电池的性能受背电极材料直接影响。Mo 溅射的薄膜热稳定性良好、电阻率较低、还能与CIGS 层结合形成良好的欧姆接触。同时金属Mo 薄膜还具有与上下玻璃层和CIGS 近似的热膨胀系数等特点，已成为薄膜太阳电池背电极的必选材料[11]。图2 是Mo 在薄膜太阳能电池中的位置[5]。近些年来，全球的太阳能电池需求量激增，每年递增40 %以上。据报道，目前世界薄膜太阳能电池年发电总量约为660 MW[10]。国内研发Mo 靶的主要单位有金堆城钼业、北京安泰科技、洛阳高新四丰等。安泰科技公司采用压制-烧结-热等静压法制备的了大量钼及其合金靶材，相对密度≥99 %[12]。

1.3 Ta 靶

当大规模集成电路进入到深亚微米时代时，Al线对应力迁移和电迁移的抵抗能力相对较弱，这将造成布线空洞，导致电路系统完全失效。因此，金属Cu 布线将成为主流。Cu 比Al 具有更高的抗电迁移能力和更低的电阻率，这意味着更小、更密集的连线可以承载更强的电流。低电阻提高了芯片速度。目前全球130 nm、90 nm 及以下的器件生产商已经采用 Cu 互连工艺，Ta 成为Cu 互连的阻挡层。目前，超大规模集成电路已逐渐发展为Cu/Ta 系[13-14]。因为Cu和Si 的化学活性高，扩散速度快，易形成铜硅合金（Cu-Si），铜在硅中形成深的空穴，设备的性能被严重影响，最终导致系统失效。Ta 及Ta 的化合物具有高热稳定性、高导电性和对外来原子的阻挡作用。

Cu 和Ta 以及Cu 和N 之间不反应，不扩散形成化合物，因此Ta 和Ta 基膜成为阻挡层可有效防止铜的扩散[15]。

我国Ta 储量资源丰富，但在过去对半导体溅射靶材缺乏最基本的认识，从而限制了高纯Ta 靶材的技术发展。在很长一段时间内，我国生产溅射靶材用的高纯Ta 原料主要依赖进口。宁夏东方钽业通过多年研发，掌握了高纯Ta 溅射靶材原料生产工艺方法，填补了国内空白。宁波江丰电子材料股份有限公司也生产出了300 mm 高纯Ta 溅射靶材[14]。西安诺博尔稀贵金属公司也掌握高纯Ta 靶的生产工艺[16]。

1.4 Nb 靶

近些年，光电技术的发展迅速，Nb 薄膜材料已广泛应用于与人们现代生活密切相关的LCD、TFT等离子显示屏、相机镜头镀膜、光学镜头镀膜、汽车和建筑工业用玻璃的制造中[17]。铌靶材还用于表面工程材料，如化工耐腐蚀、船舶、耐热、电子成像、信息储存、高导电等镀膜行业[18]。由于高的利用率，旋转空心圆管磁控溅射靶目前在业内得到广泛推广，铌管靶主要应用于平面显示器、先进触控屏和节能玻璃的表面镀膜等行业，对玻璃屏幕起抗反射作用[19]。

我国研发Nb 靶的主要单位有宁夏东方钽业、西北有色金属研究院等。据笔者了解，宝鸡佳军公司通过熔炼挤压方式生产出了外径152mm，内径125 mm，长度为3900mm 的大型铌管靶，平均晶粒尺寸达到了75.5 μm 。

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