7nm以下半导体靶材选择：5个关键工艺与材料策略

在芯片制造的庞大产业链中，靶材虽是一个细分领域，却承载着至关重要的使命。它犹如芯片的"基因载体"，通过溅射工艺将自身原子逐层沉积在硅片上，形成芯片内部的导电层或绝缘层。

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若没有高纯度的靶材，先进制程芯片的诞生就无从谈起。

01 为何纯度决定芯片命运

半导体芯片行业是金属溅射靶材的核心应用场景，同时也是对靶材成分纯度、微观组织均匀性及综合性能要求最为严苛的领域。从半导体芯片的完整制造流程来看，可分为硅片制造、晶圆制造与芯片封装三大核心环节，而金属溅射靶材的应用主要集中在晶圆制造和芯片封装这两个关键阶段。

在半导体芯片的生产中，金属溅射靶材的核心作用是为芯片构建用于传递信息的金属导线，其具体溅射过程需在高真空环境下完成：首先通过高速离子流对不同类型的金属溅射靶材表面进行轰击，使靶材表面的原子以层状形式沉积在半导体芯片表面，形成金属薄膜；随后借助特殊的精密加工工艺，将芯片表面的金属薄膜蚀刻成纳米级别的金属导线，最终实现芯片内部数以亿计微型晶体管的相互连接，从而达到信号传递的功能。

从材质分类来看，半导体芯片行业常用的金属溅射靶材主要分为两大类：一是高纯溅射靶材，如铜、钽、铝、钛、钴、钨等；二是合金类溅射靶材，典型代表为镍铂合金、钴钛合金等。

在芯片生产的导电层工艺中，铝和铜是当前主流的导线材质，且不同技术节点对应不同的工艺选择：通常情况下，110nm 及以上晶圆技术节点的芯片采用铝导线工艺，此时会以钛材料作为阻挡层薄膜；而110nm 以下晶圆技术节点的芯片则采用铜导线工艺，阻挡层薄膜一般选用钽材料。在实际芯片应用场景中，两种工艺需结合使用 —— 通过铜、钽等材料对应的先进工艺，可实现芯片功耗降低、运算速度提升的效果；同时依托铝、钛材料对应的 110nm 以上节点工艺，能够保障芯片的可靠性与抗干扰性能，二者共同支撑芯片的稳定运行。

当芯片制造进入7纳米以下工艺时，对靶材纯度的要求达到了近乎苛刻的程度：金属杂质需控制在十亿分之一（ppb）级别，相当于在一个标准奥运游泳池中只能存在几粒盐的杂质。

来源：江丰电子招股说明书

这种极致的技术要求源于半导体工艺的物理极限。在先进制程中，靶材原子通过溅射过程沉积在硅片上，形成纳米级别的薄膜电路。任何微小的杂质都会导致电路短路或性能衰减。例如，在铜互连工艺中，即使微量的氧元素也会显著增加电阻，直接影响芯片的运算速度与功耗。

国内靶材企业通过原创性技术突破，正在逐步攻克这些技术壁垒。江丰电子开发的超高纯钛（5N钛）靶材纯度达到99.999%，创造了行业新纪录；有研新材则通过真空熔炼技术，将铝靶材的晶粒尺寸控制在20微米以下，显著提高了薄膜均匀性。这些突破不仅体现了技术层面的进步，更意味着中国企业在材料科学基础研究上的持续投入开始收获成果。

从全球技术格局看，靶材技术正朝着多元化方向发展。随着三维芯片、异质集成等新兴技术的崛起，对特种靶材的需求日益增长 —— 硅通孔技术需要高深宽比的钽阻挡层靶材，而晶圆级封装则对低温焊接用铟靶材提出了新要求。

02 应用在哪里？

靶材的形态与材质需适配不同应用场景，按形状可分为长（正）方体形、圆柱体形、无规则形及实心、空心靶材；按材料可分为纯金属（铝、钛、铜、钽等）、合金（镍铂、镍钴合金等）、无机非金属（氧化物、硅化物、碳化物等陶瓷化合物）及复合材料靶材，广泛应用于集成电路、平板显示、太阳能电池等多个领域，其中高纯靶材主打对材料纯度、稳定性要求高的场景，而半导体领域对靶材技术要求最高、价格最昂贵。

半导体靶材用于晶圆导电阻挡层及芯片封装金属布线层制作，虽在晶圆制造、封装环节成本占比仅约3%（SEMI数据），但品质直接影响导电层、阻挡层均匀性与性能，进而决定芯片传输速度及稳定性。

光伏靶材核心用途是形成太阳能电池薄膜背电极，晶体硅太阳能电池中仅PVD工艺高转化率硅片电池可能用到，硅片涂覆型电池则无需使用，且对靶材纯度要求低于半导体领域（99.999%（5N）以上即可），形态以方形板状为主。

薄膜电池背电极兼具三大功能：作为单体电池负极、串联导电通道、提升光反射率，所用靶材包括铝靶、铜靶（导电层）、钽靶、钛靶（阻挡层）及ITO靶、AZO靶（氧化铝锌，透明导电层）。目前晶体硅太阳能电池因转化效率高、性能稳定、产业链成熟，占据市场主导地位，薄膜电池靶材应用场景相对聚焦。

光学器件靶材透过溅射镀膜形成介质薄膜与金属膜，组成膜系改变光波透射、反射、吸收、偏振等传导特性，核心材料为硅、铜、二氧化硅、钽等。

其应用覆盖消费电子（智能手机、车载镜头、安防监控、数码相机等）、高端装备（航空航天监测镜头、生物识别设备、DNA测序仪、医疗检查镜头、半导体检测设备、IMAX投影镜头、3D打印机）等领域，是光学元器件与镜头实现特定光学功能的关键基础材料。

03 国产力量，正抢滩

在移动智能终端、平板电脑、消费电子以及汽车电子产品等下游市场需求的持续拉动下，高纯溅射靶材行业整体呈现高速增长态势，全球市场规模已逼近百亿美元。根据QYR的统计及预测，2024年全球半导体溅射靶材市场销售额达到了19.51亿美元，预计2030年将达到32.58亿美元，年复合增长率（CAGR）为6.8%（2024-2030）。从增长速度来看，过去5 年间，半导体用靶材市场基本保持着 10% 以上的年均增速，展现出稳定的增长潜力。

当前，中国集成电路靶材市场正处于高速发展与国产替代的关键时期。尽管国际市场长期由少数几家巨头垄断，但国内企业正奋力追赶。

国际市场看，全球半导体用超高纯度金属靶材市场高度集中于少数几家国外企业，如日矿金属（JX Nippon Mining & Metals）、霍尼韦尔（Honeywell）、普莱克斯（Praxair）、优美科（Umicore）等。这些企业凭借长期的技术积累、严格的品控和与国际主流芯片制造商的深度绑定，在高端靶材市场占据主导地位，尤其是在铜、钽、钴、镍铂、钨等高纯靶材方面具有较高市场份额。

来源：方正证券半导体产业纵横制表

在我国，集成电路用高纯度金属溅射靶材行业起步相对较晚，早期产业基础较为薄弱。不过近年来，得益于国家政策的大力支持以及行业自身的持续成长，该行业不仅成功突破了多项关键制备技术，还构建起完整的高纯金属原材料与溅射靶材研发制造体系，产品性能与世界先进水平的差距正逐步缩小。

在高纯金属领域，国内企业紧密围绕集成电路用靶材的需求，协同推动高纯度金属材料行业发展，其中新疆众和股份有限公司、有研亿金新材料有限公司、宁夏东方钽业股份有限公司、金川集团股份有限公司、宁波创润新材料有限公司、厦门钨业股份有限公司等企业是行业内的代表性力量。从整体发展情况来看，国内企业已熟练掌握多种高纯金属的制备技术，并实现了产业化应用：一方面，通过五格控制有害杂质元素的含量，成功将金属纯度从工业级提升至电子级；另一方面，完成了高纯铝、铜、钛、钽、镍、钴及贵金属等材料的国产化替代，具体纯度指标如下 —— 铝纯度超过 5N5、铜纯度超过 6N、钽纯度超过 4N5，钛、镍、钴、金、银、钼、钨等金属纯度均超过 5N，同时还制备出大尺寸、低缺陷、高纯度的金属溅射用坯料，为靶材的生产提供了优质原料。

在溅射靶材领域，以有研亿金新材料有限公司、宁波江丰电子材料股份有限公司等为代表的国内企业，已在国际市场占据了一定的份额。2024年，江丰电子靶材出货量时隔四年以26.8%的占比达到世界第一。

来源：ICWORLD 江丰电子半导体靶材事业部总经理蒋剑勇发表演讲《半导体先进工艺与靶材升级的协同路径》

针对不同种类高纯金属的加工特性，相关企业制定了专属的微观组织控制策略，并不断优化生产工艺，成功突破了晶粒细化与取向可控、高质量焊接、精密加工与检测等关键制备技术。同时，这些企业还积极联合产业链上下游企业，在靶材设计及制备、薄膜性能测试评价等全技术链条上开展深度合作，有效驱动了技术的迭代创新。目前，国内在高纯铝及铝合金、钛、铜及铜合金、钴、镍铂及贵金属等靶材的研发上均取得重大突破，产品性能已达到国外同类产品水平，且通过了国内外集成电路企业的严格认证，实现了批量化生产与稳定供应。

04 结语

在芯片制造这一宏大的产业链中，靶材作为关键材料，扮演着不可或缺的角色。随着半导体技术日益向更小的工艺节点发展，对靶材的要求已经超越了传统标准，进入了一个精细化、高纯度的新阶段。正如我们所见，靶材的纯度和质量直接决定了芯片的性能和稳定性，甚至成为整个行业竞争力的关键。

国内企业在这一领域的不懈突破，标志着中国在全球高端材料技术中的崛起。通过技术创新与产业化应用的推进，国内靶材制造商不仅填补了多项技术空白，也为全球半导体产业提供了有力的支撑。尤其是在高纯金属靶材的国产化替代上，国内企业的进展让我们看到更多的希望和潜力。

未来，随着3D芯片、异质集成等新兴技术的不断发展，靶材需求将更加多样化、细分化。这对生产厂家提出了更高要求，同时也带来了更大的市场机遇。