一、定义与核心作用
集成电路（IC）用钛靶材是通过物理气相沉积（PVD）工艺（如磁控溅射、离子镀）在硅基芯片表面沉积钛薄膜的高纯度材料，主要用于导电粘附层、扩散阻挡层及接触孔填充。其核心作用包括：
粘附增强：钛层（5-50nm）提升铜/铝金属线与介电层（如SiO₂）的结合强度（附着力＞50MPa）。
阻挡铜扩散：TiN/Ti双层结构（厚度＜3nm）抑制铜原子向介电层迁移，漏电流降低至10⁻¹⁰ A/cm²以下（台积电5nm工艺数据）。
降低接触电阻：钛与硅反应生成TiSi₂（C54相），接触电阻＜1Ω·μm（英特尔10nm FinFET技术）。
二、材质与牌号
| 牌号标准 | 典型牌号 | 成分要求 | 应用场景 |
| ASTM B265 (电子级) | Gr1 ELI | Ti≥99.99%, O≤50ppm, Fe≤30ppm | 7nm以下先进制程阻挡层 |
| SEMI F47-0308 | 6N级钛 | Ti≥99.9999%, 总杂质≤1ppm | EUV光刻掩模版镀膜 |
| JIS H4751 | TKS-270 | Ti≥99.995%, C≤10ppm, N≤15ppm | 3D NAND存储芯片通孔填充 |
关键特性：
纯度：逻辑芯片要求≥5N（99.999%），DRAM/NAND需≥4N5（99.995%）。
晶粒取向：优先（002）取向（XRD峰强度比＞90%），确保溅射膜均匀性。
微观缺陷：晶界处氧含量＜20ppm，防止溅射过程中微电弧放电（Arcing）。
三、性能参数与特点
| 性能指标 | 典型值 | 技术意义 |
| 电阻率（薄膜） | 40-50μΩ·cm | 影响互连线电阻和信号延迟 |
| 热膨胀系数 | 8.6×10⁻⁶/K（25-400℃） | 匹配硅基板（2.6×10⁻⁶/K），减少热应力 |
| 溅射产额 | 0.8 atoms/ion（Ar⁺, 500eV） | 决定沉积速率和靶材利用率 |
| 薄膜粗糙度（RMS） | ≤0.3nm（AFM测试） | 确保EUV光刻图形分辨率（CD≤10nm） |
核心特点：
超高纯控制：通过区域熔炼（Zone Refining）和电子束悬浮熔炼（EBM）将U、Th放射性元素降至ppt级。
纳米结构调控：采用HIPIMS技术制备纳米晶钛膜（晶粒尺寸2-5nm），提升阻挡层致密性。
低应力特性：膜层残余应力＜100MPa（压应力），避免晶圆翘曲（Wafer Bow＜30μm）。
四、制造工艺流程
1、原料提纯：
电子束熔炼（EBM）：去除高蒸气压杂质（如Mg、Ca），纯度提升至5N级。
等离子体熔炼：去除低蒸气压杂质（如Fe、Cr），实现6N级超高纯度。
2、热机械加工：
多向锻造（温度900-950℃）：细化晶粒至ASTM 10-12级（平均晶粒尺寸≤20μm）。
热等静压（HIP，1100℃/150MPa）：消除内部孔隙，密度≥99.9%理论值。
3、精密加工：
超精密车削：靶材直径公差±0.01mm，表面粗糙度Ra≤0.1μm。
背板焊接：使用In-Ag合金焊料（熔点150℃），热导率＞300W/m·K。
4、检测与包装：
SIMS分析：检测B、Na等轻元素杂质（＜0.1ppb）。
真空封装：充入高纯氩气（露点＜-70℃），防止氧化。
五、应用领域
1、逻辑芯片：
台积电3nm工艺中，Ti/TiN双层阻挡层（总厚1.5nm）使铜互连电阻降低15%。
英特尔RibbonFET技术采用原子层沉积（ALD）钛膜，覆盖深宽比＞10:1的通孔。
2、存储芯片：
三星V-NAND 256层堆叠中，钛靶溅射用于字线（Word Line）粘附层，提升阶梯覆盖性。
美光1β DRAM采用钛掺杂Co合金靶材，接触电阻降低20%。
3、先进封装：
硅通孔（TSV）侧壁钛阻挡层（厚度50nm），耐电迁移寿命＞1×10⁶小时。
2.5D封装中钛基RDL（再分布层），线宽/线距降至1μm/1μm。
六、执行标准
| 标准类型 | 标准号 | 核心要求 |
| 材料纯度 | SEMI F47-0706 | 金属杂质总量＜1ppm，U/Th＜0.01ppb |
| 晶粒结构 | ASTM E112 | 晶粒度评级≥10级（晶粒尺寸≤23μm） |
| 溅射性能 | SEMI M52-0318 | 靶材利用率≥90%，膜厚不均匀性≤2% |
| 洁净度 | IEST-STD-CC1246D | 颗粒污染（＞0.1μm）＜10个/cm² |
七、与半导体其他金属靶材对比
| 靶材类型 | 优势 | 劣势 | 典型应用场景 |
| 钛靶 | 粘附性强、阻挡性能优 | 电阻率较高 | 铜互连阻挡层、接触孔 |
| 铜靶 | 导电性最佳（1.7μΩ·cm） | 易扩散、需阻挡层 | 互连金属线 |
| 钽靶 | 抗扩散能力极强 | 成本高（￥5000/kg） | 高端逻辑芯片阻挡层 |
| 钴靶 | 接触电阻低、填充性好 | 易氧化 | 先进节点接触孔填充 |
技术差异：
工艺温度：钛靶溅射需低温（＜150℃），而钽靶需高温（＞300℃）以提升致密性。
靶材寿命：钛靶因溅射速率高（比钽快3倍），单靶寿命可达8000kWh。
八、选购方法与注意事项
1、选购决策树：
纯度验证：要求供应商提供GDMS/SIMS报告，确认U、Th、K等关键杂质达标。
晶粒检测：EBSD分析晶粒取向分布，（002）取向占比＞85%。
溅射测试：在客户设备上试镀，评估膜层电阻率、阶梯覆盖性（＞80%）。
供应链审核：确认原材料来源（需原生钛矿，禁用回收料），通过SEMI SEMI S2认证。
2、关键注意事项：
放射性控制：要求铀（U）、钍（Th）含量＜0.01ppb，防止α粒子诱发软错误。
微缺陷检测：采用激光散射仪（Laser Scattering）检测表面微裂纹（尺寸＜1μm）。
设备兼容性：靶材尺寸需匹配机台（如Applied Materials Endura® 靶座公差±0.05mm）。
污染防控：拆包需在Class 1洁净室进行，避免颗粒污染导致晶圆缺陷。
九、前沿趋势
原子级镀膜：开发单原子层钛靶（厚度＜0.5nm），用于GAA晶体管界面工程。
复合靶材：Ti-Al-O合金靶（Al 5at%）提升阻挡层抗电迁移能力（＞10⁷ A/cm²）。
再生循环：采用等离子体刻蚀回收废靶材，钛回收率＞98%，成本降低50%。
据Yole预测，2025年全球半导体钛靶市场规模将达12亿美元，技术突破点在于开发超低粗糙度（RMS＜0.2nm）靶材，满足2nm及以下制程的原子级镀膜需求。
