溅射靶材作为制备薄膜材料的核心原材料，在电子信息、新能源、航空航天等战略性产业中发挥着不可替代的作用。其质量直接决定了溅射薄膜的性能，如电阻率、透光率、致密度等关键指标，因此被视为高技术领域的“基石”材料。随着全球数字化进程加速，平板显示、半导体集成电路、太阳能电池等产业的快速扩张，溅射靶材的市场需求持续攀升。据统计，20世纪90年代以来，全球靶材市场规模以年均10%以上的速度增长，其中日本、美国企业占据主导地位，垄断了80%以上的高端市场份额。
我国溅射靶材产业起步较晚，但近年来在政策扶持与市场拉动下取得显著进展。国内企业已实现部分中低端靶材的国产化，如平面显示用钼靶、装饰镀膜用铬靶等，但高端产品如半导体用钽靶、铟锡氧化物（ITO）靶仍高度依赖进口。这种“大而不强”的局面凸显了我国在材料提纯、制备工艺、设备自主化等方面的短板。凯泽金属系统整合最新研究成果，从种类划分、应用场景、制备技术、产业现状及发展趋势五个维度展开分析，为推动靶材产业自主可控提供参考。
一、溅射靶材的种类与应用领域
（一）多维度分类体系
溅射靶材的分类需结合材料特性与应用需求，形成多维度体系：
按化学成分可分为金属靶材、合金靶材、陶瓷化合物靶材三大类。金属靶材包括Al、Cu、Ti、Mo等纯金属，广泛用于电极与互连层；合金靶材如AlSi、NiCr、CoCr等，通过成分调控实现特定功能，如AlSi靶可抑制半导体中的电迁移；陶瓷化合物靶材涵盖氧化物（ITO、SiO₂）、氮化物（Si₃N₄）、氟化物（MgF₂）等，其中ITO靶因透明导电特性成为显示领域的核心材料。
按几何形状分为平面靶（长方体/正方体）、旋转靶（圆柱体）及异形靶。平面靶利用率仅20%-30%，而旋转靶通过360°均匀刻蚀，利用率可达80%，已成为高端生产线的主流选择。例如，8.5代液晶面板生产线采用的钼管靶，单套重量达3600kg，利用率较平面靶提升2倍以上。
按应用领域可分为半导体靶材、显示靶材、磁记录靶材等。半导体靶材对纯度要求最高（通常≥99.999%），如钽靶纯度需控制铀、钍等放射性元素含量低于0.001×10⁻⁶；显示靶材以ITO、Mo靶为主，要求致密度≥95%以避免微粒飞溅；磁记录靶材如CoCrTa，需精确控制晶粒取向以保证磁性能。
（二）核心应用场景解析
半导体集成电路领域是靶材技术含量最高的应用场景。铝及铝合金靶用于90nm以上节点的互连层，通过添加Cu、Si抑制电迁移；90nm以下节点则采用铜靶搭配钽阻挡层，铜靶纯度需达6N5（99.9995%）以上，以降低电阻损耗。有研亿金开发的7N纯度铜靶，已通过中芯国际14nm工艺验证。此外，钴靶在7nm节点开始替代铜，其透磁率需控制在1.05以内，确保薄膜均匀性。
平面显示领域以ITO靶和金属靶为主。ITO靶用于制备透明导电膜，其In₂O₃与SnO₂的分子比需严格控制在93:7，致密度≥95%，否则会导致显示面板出现亮斑缺陷。阿石创生产的ITO靶在京东方8.5代线的替代率已达30%；钼靶作为薄膜晶体管（TFT）的栅极材料，要求晶粒尺寸≤50μm，洛阳四丰电子的钼条靶市场占有率达60%，打破了奥地利攀时的垄断。
磁记录领域依赖Co基合金靶材。CoCrTa靶用于硬盘磁层，通过添加Ta细化晶粒至10-20nm，提升存储密度；TbFeCo靶则用于磁光盘，需通过梯度成分设计实现垂直磁各向异性。西南交通大学采用放电等离子烧结（SPS）技术制备的TbFeCo靶，磁光克尔旋转角达0.3°，满足高清存储需求。
新能源与装饰领域需求呈现多元化。太阳能电池用Mo靶作为背电极，需具备高导电性（电阻率≤5μΩ・cm）和耐候性；装饰镀膜用Ti、Cr靶则要求镀膜外观均匀，耐磨性达500次摩擦无脱落。新疆众和生产的太阳能用铝靶，在PERC电池生产线的应用率已超50%。
二、溅射靶材的制备工艺与技术特点
（一）熔融铸造法：高纯度与致密化优势
熔融铸造法是金属及合金靶材的主流制备工艺，流程为：真空熔炼→铸造→热加工→热处理→精密加工。其核心优势在于：
纯度控制：通过电子束熔炼可实现99.999%以上纯度，如霍尼韦尔的铝靶经三次电子束精炼，氧含量降至50×10⁻⁶以下。
致密度：铸锭致密度可达99.5%以上，避免溅射时的气体释放，如江丰电子的钛靶经真空电弧熔炼，孔隙率≤0.1%。
大型化生产：可制备300mm以上的大尺寸靶材，满足300mm晶圆生产线需求。
典型实例包括NiCrSi高阻靶材的制备：采用真空感应熔炼（真空度2×10⁻²torr），在1500℃下保温1小时，添加0.1%-0.3%稀土元素细化晶粒，经800℃热处理后，靶材电阻率稳定性提升20%。但该工艺对熔点差异大的合金易产生偏析，如Cu-Mo合金因密度差大，难以形成均匀组织。
（二）粉末冶金法：复杂成分与细晶组织的解决方案
粉末冶金法适用于难熔金属、陶瓷及复合靶材，流程为：高纯粉末制备→成形→烧结→加工。其技术突破点在于：
成分均匀性：可制备MoSi₂、ITO等难熔化合物，如株洲冶炼集团的ITO靶通过共沉淀法制备粉末，SnO₂分布偏差≤1%。
晶粒细化：经冷等静压（200-280MPa）和热等静压（100-120MPa）处理，晶粒尺寸可控制在10μm以下，如西北有色金属研究院的钨靶晶粒达5-8μm，溅射速率提升30%。
复杂形状制备：可生产旋转靶、异形靶，如广东凯盛采用注浆成形技术制备的大尺寸ITO旋转靶，长度达3米。
放电等离子烧结（SPS）是近年发展的先进技术，通过脉冲电流产生瞬时高温（1000-1700℃），实现快速致密化。西南交通大学用SPS制备的TbFeCo-Ti复合靶，烧结时间从传统工艺的5小时缩短至30分钟，且界面结合强度达200MPa以上。
（三）两种工艺的对比与选择
| 性能指标 | 熔融铸造法 | 粉末冶金法 |
| 纯度 | 可达99.999%以上 | 通常99.95%-99.99% |
| 致密度 | ≥99.5% | 95%-99.5% |
| 晶粒尺寸 | 50-100μm | 1-50μm |
| 成分均匀性 | 易偏析（尤其高熔点差异合金） | 均匀性好 |
| 适用材料 | 纯金属、低熔点合金 | 难熔金属、陶瓷、复合材料 |
| 生产成本 | 较高（设备投资大） | 中低（粉末制备成本高） |
实际生产中需根据材料特性选择工艺：铝、铜等纯金属优先采用熔融铸造；ITO、MoSi₂等陶瓷材料则必须采用粉末冶金；而CoCrTa等合金靶可通过“铸造+粉末冶金”复合工艺平衡性能与成本。
三、国内外产业现状与技术差距
（一）国际产业格局：日美欧垄断高端市场
日本在靶材领域占据绝对优势，1990-1998年美国申请的靶材专利中，日本企业占比58%，美国占27%，德国占11%。主要企业包括：
日本JX金属：全球最大的半导体靶材供应商，铜靶、钽靶市场份额分别达40%、35%，其5nm节点钴靶已批量供应台积电。
美国霍尼韦尔：在高纯铝靶领域领先，纯度达6N，用于英特尔先进逻辑芯片生产线。
德国世泰科：难熔金属靶材龙头，钨靶、钼靶占据全球高端市场70%份额，尤其在宽幅钼靶（1800mm×1500mm）领域垄断。
这些企业通过垂直整合形成技术壁垒，如JX金属从高纯钽粉提纯到靶材成型全链条自主可控，研发投入占比达15%以上，远高于行业平均的5%-8%。
（二）国内发展现状：中低端突破与高端滞后
我国靶材产业呈现“分散化、低端化”特点，企业数量超200家，但年销售额超10亿元的仅5家。主要进展包括：
平面显示靶材：洛阳四丰的钼条靶在8.5代线替代率达60%，江丰电子的铝靶进入华星光电供应链，市场份额15%。
太阳能靶材：新疆众和的铝靶、隆华科技的无铟靶材实现国产化，自给率超80%。
半导体靶材：有研亿金的钛靶、江丰电子的钴靶通过中芯国际验证，但28nm以下节点靶材仍依赖进口。
技术差距主要体现在：
原材料纯度：5N以上超纯铝、钽粉依赖进口，国内产品杂质含量是日本住友的5-10倍。
设备依赖：电子束熔炼炉、热等静压机等核心设备80%来自德国ALD、美国PVATePla。
认证壁垒：进入台积电、三星供应链需2-3年认证，国内企业平均认证周期比国外长6-12个月。
（三）国内主要研究单位与成果
高校与科研院所是技术突破的重要力量：
中南工业大学：开发的ITO靶材热等静压工艺，致密度达99.3%，已在彩虹光电应用。
西南交通大学：采用磁悬浮熔炼技术制备的TbFeCo靶，磁光性能达到国际先进水平。
北京有色金属研究总院：NiCrSi靶材添加稀土元素后，电阻温度系数降至±50ppm/℃，用于高精度电阻器。
企业研发方面，宁夏东方钽业的高纯钽粉纯度达5N5，洛阳高新四丰的宽幅钼靶通过京东方验证，正逐步打破国外垄断。
四、技术挑战与发展趋势
（一）当前面临的核心技术难题
靶材利用率提升：平面靶利用率仅30%左右，旋转靶虽提升至80%，但需攻克动态密封技术，避免溅射过程中气体泄漏。美国AKT公司的旋转靶密封寿命达1000小时，国内产品仅为其60%。
微粒飞溅控制：粉末冶金靶材因孔隙率高（1%-3%），易产生微粒飞溅，导致薄膜缺陷密度增加。如半导体用靶材要求每平方厘米微粒数≤10个，国内产品普遍超50个。
结晶取向调控：靶材晶粒取向影响薄膜均匀性，如ITO靶需（400）晶面取向占比≥70%，国内产品偏差较大，导致显示面板亮度不均。
大型化与一致性：8.5代线用靶材尺寸达2650mm×210mm×18mm，国内产品的厚度偏差±0.1mm，而日本住友可控制在±0.05mm。
（二）未来发展方向
材料体系创新是核心突破口：
稀土掺杂改性：在Ag靶中添加Sm、Dy等稀土元素，可将薄膜耐腐蚀性提升3倍，日立金属的稀土Ag靶已用于有机EL显示器。
无铟替代材料：铟资源稀缺推动ZnO-Al（ZAO）靶研发，西南交通大学的ZAO靶透光率达85%，电阻率≤5×10⁻⁴Ω・cm，有望替代ITO。
梯度功能靶材：采用SPS技术制备的TbFeCo-Ti梯度靶，实现磁性能与力学性能的协同优化，存储密度提升至2Tb/in²。
工艺与设备升级是关键支撑：
智能化制备：引入机器学习优化烧结参数，如阿石创的ITO靶生产线通过工艺参数建模，合格率从70%提升至90%。
设备自主化：开发国产热等静压机（压力精度±0.5%）、辉光放电质谱仪（检测限≤1ppb），降低对进口设备的依赖。
回收利用技术：钼靶回收率可达95%，洛阳钼业建立的回收体系年减少钼精矿进口1000吨。
产业生态构建需多方协同：
联合认证平台：参考京东方与江丰电子的合作模式，建立国产靶材验证中心，缩短认证周期至12个月。
专利布局：针对稀土掺杂、梯度靶材等方向加强专利保护，突破日美专利壁垒。
标准体系建设：制定靶材纯度、致密度等关键指标的国家标准，如半导体用钽靶的氧含量≤300×10⁻⁶。
全文总结
溅射靶材作为高技术产业的关键材料，其发展水平直接关系我国产业链安全。当前，我国已在平面显示、太阳能等中低端靶材领域实现突破，但半导体用高端靶材仍受限于日美企业的技术垄断。通过对种类、应用、制备工艺的系统分析可见，我国与国际先进水平的差距主要体现在原材料纯度、设备自主化、认证体系等方面。
未来发展需聚焦三大方向：一是材料创新，重点研发稀土改性、无铟替代等新型靶材，突破资源约束；二是工艺升级，推广粉末冶金、放电等离子烧结等先进技术，提升靶材致密度与均匀性；三是生态构建，通过联合认证、专利布局、标准制定，形成“研发-生产-应用”的完整链条。
随着国内企业研发投入的持续加大（预计2025年行业研发占比达10%）和政策扶持的深化，我国溅射靶材产业有望在“十四五”期间实现高端突破，半导体靶材国产化率提升至50%以上，为电子信息产业高质量发展提供坚实支撑。
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