1、应用背景
半导体芯片行业是金属溅射靶材的主要应用领域之一，也是对靶材的成分、组织和性能要求最高的领域。具体地，半导体芯片的制作过程可分为硅片制造、晶圆制造和芯片封装等三大环节，其中，在晶圆制造和芯片封装这两个环节中都需要用到金属溅射靶材[1]。
(1)硅片制造:单晶硅片的制造过程，首先是将电子级高纯多晶硅通过重熔拉成单晶硅棒，切割成厚度为0.5~1.5mm的薄圆片，常见的晶圆直径包括:150mm、200mm、300mm和450mm等(分别对应6寸、8寸、12寸以及18寸等规格)。
(2)晶圆制造:每个晶圆片上一般包含成百上甚至千个芯片，而每个芯片的内部又包含着数以亿计的微型晶体管。晶圆的制造可分为前、后端两大工序。其中，前端工序，就是按照设计要求在每个芯片上制作出大量微型晶体管的过程。后端工序，是将芯片内部的晶体管用金属线连接成电路的过程。
(3)芯片封装:是将芯片上的电路管脚接到芯片封装外壳的引脚上，从而起到联接芯片内部与外部电路并且保护芯片的作用。
2、溅射原理
半导体芯片用金属溅射靶材的作用，就是给芯片上制作传递信息的金属导线。
具体的溅射过程，如图1所示，首先利用高速离子流，在高真空条件下分别去轰击不同种类的金属溅射靶材的表面，使各种靶材表面的原子一层一层地沉积在半导体芯片的表面上，然后再通过的特殊加工工艺，将沉积在芯片表面的金属薄膜刻蚀成纳米级别的金属线，将芯片内部数以亿计的微型晶体管相互连接起来，从而起到传递信号的作用。
3、靶材分类
半导体芯片行业用的金属溅射靶材，主要种类包括:铜、钽、铝、钛、钴和钨等高纯溅射靶材，以及镍铂、钨钛等合金类的溅射靶材[2]。具体图2和表1所示:
表1半导体芯片行业用主要金属溅射靶材简介
| 序号 | 材料 | 应用说明 | 备注 |
| 1 | 铜靶 | 导电层 | 高纯铜材料因其电阻很低,对芯片集成度的提 高非常有效,因此在110nm以下技术节中被大量 用作布线材料3。 | 铜靶和钽靶通常配合起来使用。 晶圆的制造技术,目前正在朝着更小的制程方 向发展,铜导线工艺的应用量在逐步增大,因 此,铜和钽靶材的需求将有望持续增长。 |
| 2 | 钽靶 | 阻挡层 | 高纯钽靶主要用在12英寸晶圆片90nm以下的 高端半导体芯片上。 |
| 3 | 铝靶 | 导电层 | 高纯铝靶在制作半导体芯片导电层方面应用甚 广,但因其响应速度方面的原因,而在110nm以 下技术节点中很少应用。 | 铝靶和钛靶通常配合起来使用。 目前,在汽车电子芯片等需要110nm以上技术 节点来保证其稳定性和抗干扰性的领域,仍需 大量使用铝、钛靶材。 |
| 4 | 钛靶 | 阻挡层 | 高纯钛靶主要用在8英寸晶圆片130和180nm技 术节点上。 |
| 5 | 镍铂 合金靶 | 接触层 | 可与芯片表面的硅层生成一层薄膜,起到接触 作用4。 |
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| 6 | 钴靶 | 接触层 | 可与芯片表面的硅层生成一层薄膜,起到接触 作用。 |
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| 7 | 钨钛 合金靶 | 接触层 | 钨钛合金,由于其电子迁移率低等优点,可作为 接触层材料用在芯片的门电路中。 |
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| 8 | 钨靶 |
| 主要用于半导体芯片存储器领域[5]。 |
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4、供应格局
当前国际上，日本的日矿金属、东曹公司以及美国的霍尼韦尔、普莱克斯公司，这四家靶材制造国际巨头，占居了全球半导体芯片用靶材市场约90%的份额。同时，近年来,以江丰电子、有研新材以及贵研铂业等为代表的国内靶材制造企业也在快速崛起,并已经在全球靶材市场上占有了一席之地。具体如表2所示。
表2国内外半导体芯片用靶材的主要供应商介绍
| 序号 | 公司名称 | 国家 | 半导体行业用主要靶材产品介绍 |
| 1 | 日矿金属 | 日本 | 日矿金属的靶材加工综合实力居国际第一,其在全球范围内,占据了半导体芯片领域约30%的靶材 市场份额。 |
| 其生产的半导体芯片用钽靶和铜靶以及半导体芯片存储器用钨靶等的市场占有率居全球第一。另 外,其生产的半导体芯片用铝靶和钛靶也占有较大的全球市场份额。 |
| 2 | 东曹 | 日本 | 东曹是一家国际领先的靶材加工企业,在我国和美、日、韩等国家均具有生产基地。 |
| 其在半导体芯片用铝靶方面,基本与美国的普莱克斯公司共同平分了全球市场。另外,其存储器芯 片用的钨靶的市场占有率居全球第二,而且,在半导体芯片用铜靶和钽靶方面,也占有全球较大的 市场份额。 |
| 3 | 霍尼韦尔 | 美国 | 霍尼韦尔是一家国际领先的靶材加工企业。 |
| 其高纯钛原料的制备能力在全球遥遥领先,其高纯钛靶材的加工能力和市场占有率居全球第一,其 半导体芯片用的铜靶的市场占有率居全球第二,此外,其铝靶的全球市场份额也较大。 |
| 4 | 普莱克斯 | 美国 | 普莱克斯是一家国际领先的靶材加工企业。 |
| 其在半导体芯片用铝靶方面,基本与日本的东曹公司共同平分了全球市场。另外,其半导体芯片用 的钛靶的市场占有率居全球第二,同时,其钽靶和铜靶的全球市场份额也较大。 |
| 5 | 世泰科 | 德国 | 全球领先的钨、钼钽、铌、铼及陶瓷粉提供商。 |
| 其几乎垄断着全球半导体芯片用钽靶材的钽粉原料和钽靶坯的供应。 |
| 6 | 江丰电子 | 中国 | 江丰电子是国内高端溅射靶材行业的最有影响力的代表企业。 |
| 其靶材的下游应用行业,以半导体芯片为主,以平面显示和光伏为辅,其销售区域则以出口为主 (2017年营收的70.5%来自出口市场)。 |
| 具体的靶材产品包括高纯钽靶、高纯钛靶、高纯铝靶以及钨钛靶等等。另外其高纯铜原料及靶材生 产工艺已经日趋成熟,正等待逐步量产。而且该公司已经从瑞典购置了国际领先的热等静压设备, 主要用来生产半导体芯片存储器的用高端钨靶材。 |
| 7 | 有研新材 | 中国 | 有研新材旗下的全资子公司有研亿金,没有平面显示行业用条靶生产线,只生产半导体芯片行业用 高端溅射靶材,也是是国内研发最早、实力最强、销售规模最大的靶材制造企业之一。 |
| 有研亿金是我国唯一具备超高纯金属原料和半导体芯片用溅射靶材整套研发制造体系的企业,其高 纯铜、镍、钴以及金、银等贵金属材料提纯技术处于国际领先水平,并在去年成为了全球最大的晶 圆代工厂台积电的第二家高纯钻溅射靶材合格供应商。 |
5、供应商认证
(1)认证周期较长:
半导体芯片制造企业对靶材合格供应商的认证过程非常漫长和苛刻，一般至少需要2-3年以上。对绝大多数靶材生产企业来说，都难以承受在此期间所要付出的巨大资金、人力以及时间成本，而对芯片制造企业来说，开发新的合格供应商的时间成本和风险也很高,在现有靶材供应商能够满足其生产需求的情况下，对引入新的供应商几乎没有兴趣。这些也是造成该行业高技术壁垒的原因之一。
(2)认证模式各异:
半导体芯片制造企业对靶材合格供应商的认证模式各不相同。其中，要进入日、韩等国家芯片制造企业的靶材供应商,则必须通过日、韩本国的中间商或者商社来间接供应;要进入英特尔的靶材供应商,则必须通过应用材料(AM)的推荐;要进入全世界最大的晶圆代工企业台积电的靶材供应商,则需要通过其最终客户(苹果和华为等)的认可。
(3)供应商的份额:
半导体芯片制造企业对其所需要的每一种溅射靶材，一般都会选择三家左右的稳定供应商。并且，从排名第一的供应商处的采购量最大,从排名第二的供应商处的采购量较小，而排名第三的供应商则基本相当于备胎。
6、结论
(1)半导体芯片的制作过程可大致分为硅片制造、晶圆制造和芯片封装等三个环节,其中,在晶圆制造和芯片封装两个环节中都需要用到金属溅射靶材。
(2)半导体芯片行业用的金属溅射靶材，主要种类包括:铜、钽、铝、钛、钴和钨等高纯溅射靶材，以及镍铂、钨钛等合金类的溅射靶材。
(3)铜靶和钽靶通常配合起来使用。目前晶圆的制造正朝着更小的制程方向发展，铜导线工艺的应用量在逐步增大，因此，铜和钽靶材的需求将有望持续增长。
(4)铝靶和钛靶通常配合起来使用。目前，在汽车电子芯片等需要110nm以上技术节点来保证其稳定性和抗干扰性的领域，仍需大量使用铝、钛靶材。
(5)国外方面,日本的日矿金属、东曹公司以及美国的霍尼韦尔、普莱克斯公司，这四家靶材制造国际巨头，占居了全球半导体芯片用靶材市场约90%的份额。而德国世泰科公司是全球领先的钨、钼钽、铌、铼及陶瓷粉提供商，并几乎垄断着全球半导体芯片用钽靶材的钽粉原料和钽靶坯的供应。
(6)国内方面，以江丰电子、有研新材以及贵研铂业等为代表的国内靶材制造企业近年来正在快速崛起，其铝、钛、铜、钽、钴等高纯靶材以及钨钛、镍铂等合金靶材，已在全球市场占有了一席之地。
(7)半导体芯片制造企业对其靶材合格供应商的认证过程十分苛刻，且各家认证模式也各不相同，绝大多数供应商都难以承受认证过程中的巨大资金和时间成本，而芯片制造企业也对引入新的供应商兴趣不大。
(8)半导体芯片制造企业对其所需要的每一种溅射靶材,一般都会选择三家左右的稳定供应商。但主要从排名第一的供应商处的大量采购,从排名第二的供应商处的采购份额较小，排名第三及以后的供应商则基本相当于备胎。
参考文献
[1]何金江，贺昕，熊晓东等.集成电路用高纯金属材料及高性能溅射靶材制备研究进展[J].新材料产业，2015(09):47-52.
[2]卢建栋.TS公司竞争战略研究[D].华东理工大学2016
[3]高岩，王欣平，何金江等.集成电路互连线用高纯铜靶材及相关问题研究[J].半导体技术，2011(09):826-830.
[4]王一晴，郭俊梅，管伟明，闻明等.镍铂合金溅射靶材在半导体制造中的应用及发展趋势[J].贵金属，2016(08):87-92.
[5]魏修宇.半导体用高纯钨靶材的制备技术与应用[J].硬质合金，2017(05):353-359.
（注，原文标题：半导体芯片行业用金属溅射靶材市场分析）
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