溅射靶材作为沉积电子薄膜的核心原材料，在平板显示、半导体、太阳能电池和记录媒体等战略性新兴产业中不可或缺。其质量直接决定薄膜性能，对下游产业的技术升级和成本控制具有关键影响。全球市场长期被日美企业垄断，我国通过政策引导、技术攻关和资本支持，逐步实现了溅射靶材的国产化突破，但在高端领域仍存在差距。
凯泽金属基于5篇相关研究文献，系统梳理溅射靶材的行业现状、分类及应用、制备技术、质量影响因素及发展挑战。通过整合核心数据与技术细节，分析不同类型靶材的制备工艺特点，探讨质量控制要点及产业发展瓶颈，为行业技术创新和产业化应用提供全面参考。
本文将从行业发展概况出发，依次阐述靶材分类及应用场景、主流制备技术（含新兴工艺）、质量对镀膜生产的影响，最后总结发展挑战与对策建议，旨在为溅射靶材领域的研究与生产实践提供系统性指导。
一、溅射靶材行业发展概况
（一）全球市场格局与技术垄断
溅射靶材作为高技术壁垒领域，全球市场长期由日美企业主导。2021年全球靶材市场规模约213亿美元，美国普莱克斯、霍尼韦尔，日本JX金属、东曹等巨头占据约80%的市场份额[1]。这些企业通过垂直整合产业链、控制核心技术和专利，形成对高端市场的绝对话语权，尤其在半导体和平板显示用靶材领域，对我国实施严格的技术封锁和供应限制。
我国靶材市场规模增长迅速，从2016年的177亿元增至2020年的337亿元，年均增长率17%，全球市场份额从2014年的10%提升至2019年的19%[1]。但市场结构呈现“低端饱和、高端依赖”特征：太阳能电池领域靶材已实现国产化自主可控，平板显示领域国产化率超50%，而半导体领域尤其是28nm以下制程用靶材仍高度依赖进口[1]。
（二）我国国产化突破路径
政策与科技协同支持
国家通过多项政策推动靶材产业发展：2013年将高纯靶材列为鼓励类项目，2015年调整进口免税政策倒逼国产化，2016年《新材料发展指南》明确高纯溅射靶材研发重点[1]。地方政府如广东、安徽、河北等同步出台产业规划，形成“材料-面板-整机”产业链布局[1]。科技专项方面，“863计划”“02专项”等持续支持关键技术攻关，加速成果转化。
企业技术突破与市场准入
我国已培育江丰电子、有研新材、阿石创、隆华科技、凯泽金属等创新引领者，产品进入台积电、中芯国际、京东方等国内外知名厂商供应链[1]。其中，江丰电子突破5nm技术节点靶材样品验证，有研新材构建从高纯原料到靶材的垂直一体化平台，阿石创实现ITO靶材工程化应用[1]。
产业链协同创新
企业通过产学研合作攻克技术瓶颈：江丰电子联合高校开发高纯铝钛原料，阿石创与院士团队合作研发平板显示用靶材，隆华科技布局无铟靶材和钙钛矿电池用靶材[1]。同时，国内设备厂商如北方华创、沈阳拓荆与靶材企业联合开发生产设备，逐步摆脱对进口设备的依赖[1]。
二、溅射靶材分类及应用场景
（一）按材质分类及典型应用
金属及合金靶材
难熔金属靶材：钨（W）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）等，具有高熔点、抗腐蚀和高温稳定性，主要应用于集成电路阻挡层、太阳能电池背电极等。例如，Mo靶作为CIGS薄膜太阳能电池背电极，需具备低电阻率（<8.9×10⁻⁴Ω・cm）和高致密度（>98%）[4]；Ta靶作为Cu互连阻挡层，纯度需达99.95%以上[4]。
常规金属靶材：铝（Al）、铜（Cu）、钛（Ti）等，用于半导体布线和显示面板电极。Al靶纯度要求99.999%以上，Cu靶需控制氧含量<50ppm以避免薄膜氧化[5]。
氧化物靶材
以ITO（铟锡氧化物）、AZO（铝掺杂氧化锌）、IGZO（铟镓锌氧化物）为主，广泛应用于显示面板透明电极、半导体沟道层。例如，IGZO靶材溅射薄膜的可见光透射率需>85%，电阻率<1×10⁻³Ω・cm[3]；ITO靶材致密度需>99%以减少溅射异常放电[3]。
复合靶材
包括金属-陶瓷复合、多元合金靶材，用于功能性薄膜制备。如W-Ti合金靶（Ti占10%-30%）作为集成电路阻挡层，可有效阻止Cu扩散[4]；Si-Al靶用于光伏薄膜掺杂，需控制Al分布均匀性以避免膜层缺陷[5]。
（二）按形状分类及使用特性
平面靶：分为矩形和圆形，适用于中小面积镀膜，如半导体芯片。但溅射过程中形成环形“跑道”，利用率仅35%左右[5]。通过加厚跑道区域或拼接设计可提高利用率，拼接缝隙需控制在0.5mm左右以防漏气[5]。
旋转靶：呈管状或“狗骨状”，适用于大面积镀膜（如建筑玻璃、显示面板）。旋转靶通过360°均匀刻蚀，利用率可达80%以上[5]。例如，锌铝旋转靶用于Low-E玻璃镀膜，长度可达3-4m，直径>1m[2]。
三、溅射靶材制备技术及创新进展
（一）传统制备技术及特点
粉末冶金法
适用于高熔点材料（如W、Mo）和陶瓷靶材，流程为：粉末混合→压制成型→烧结→加工。
热压烧结：在高温（1000-1500℃）和单向压力（10-30MPa）下致密化，可制备致密度>95%的靶材，但易导致晶粒取向不均[3]。
热等静压（HIP）：在高温高压（100-200MPa）下均匀加压，致密度可达99.5%以上，如Ta靶经HIP处理后晶粒尺寸<100μm[4]。
常压烧结：成本低且适合大尺寸靶材，如东曹公司采用注浆成型+常压烧结制备2200mm×2500mmITO靶材，致密度>99.5%[3]。
熔炼铸造法
适用于低熔点合金靶材（如Al、Cu），通过真空感应熔炼或电子束熔炼实现高纯净化。优势是纯度高（可达99.999%）、致密度接近理论值，但易产生晶粒粗大（>100μm）和成分偏析[2]。例如，电子束熔炼的Nb靶纯度达99.99%，但需后续锻造细化晶粒至75.5μm[4]。
（二）新兴制备技术及优势
冷喷涂技术
基于高速固态粒子沉积原理，以N₂或He为加速气体（速度300-1200m/s），在低温（<600℃）下使粉末颗粒塑性变形结合[2]。
技术优势：致密度>98%、氧含量<500ppm，无晶粒长大和相变，适合制备大尺寸一体化靶材（如3m长Mo管靶）[2]。
应用案例：冷喷涂制备的FeCoNiCrMn高熵合金靶材，在700℃、He气氛下沉积效率达99%，涂层力学性能优于传统工艺[2]。
局限性：脆性材料（如陶瓷）难以沉积，氦气成本高，设备投资大[2]。
两步烧结技术
用于氧化物靶材致密化，先快速升温至1450℃，再降至1350℃保温12h，可获得致密度99.5%、晶粒尺寸5.81μm的IGZO靶材，溅射薄膜电阻率<9×10⁻³Ω・cm[3]。
四、靶材质量对镀膜生产的影响因素
（一）关键质量参数及控制标准
纯度
半导体靶材需控制40种以上杂质，总含量<50ppm（如Ta靶纯度99.95%）[4]；
氧化物靶材中杂质（如Fe、Ni）会导致薄膜光吸收增加，需<10ppm[3]。
影响：杂质会形成薄膜缺陷，如Cu靶中S含量>18ppm时，溅射放电次数增加30%[5]。
致密度
金属靶材致密度需>98%，陶瓷靶材>95%，否则易产生气孔放电和颗粒脱落[5]。
案例：致密度<90%的Si-Al靶在溅射时掉渣率增加50%，导致镀膜针孔缺陷超标[5]。
微观组织
晶粒尺寸：均匀细小（<50μm）可提高溅射速率，如Mo靶晶粒从100μm细化至50μm时，沉积速率提升20%[4]。
结晶取向：控制靶材{111}织构比例>70%，可使IGZO薄膜厚度偏差从10%降至5%[3]。
（二）靶材制备与镀膜匹配性
绑定质量
靶材与铜背板（或不锈钢衬管）的绑定需保证结合率>90%，否则会因散热不良导致局部过热开裂。例如，AZO靶绑定不良时，溅射功率下降30%，靶材寿命缩短50%[5]。
形状设计
平面靶拼接缝隙>0.5mm时，真空抽气时间增加2倍，易导致膜层均匀性变差[5]；
旋转靶采用“狗骨状”设计（中间直径小、两端大），可使利用率从60%提升至80%[5]。
腔室环境协同
靶材表面吸附杂质（如水汽、油污）会导致溅射放电，需在使用前经Ar气反溅射清洁；腔室漏气会使膜层氧含量增加，如真空度从1×10⁻⁴Pa降至1×10⁻³Pa时，ITO薄膜电阻率上升50%[5]。
五、溅射靶材产业发展挑战与对策
（一）主要瓶颈问题
基础研究薄弱
高纯金属提纯技术落后，如5N以上超纯铝中反偏析元素（如Fe、Si）控制困难，导致靶材性能与国际差距20%[1]；粉末冶金烧结机理研究不足，难以精准调控晶粒生长。
认证壁垒高
下游客户认证周期长达6个月至2年，且需通过严格的稳定性测试（如1000次冷热循环）。我国企业因缺乏反馈数据，工艺优化周期比日美企业长3倍[1]。
成本与融资压力
靶材生产设备投资大（如年产5.2万个靶材项目需10亿元，设备占比30%[1]），而行业毛利率仅20%-25%，低于国际巨头的30%[1]；中小企业融资难，专利质押融资案例仅30项[1]。
（二）发展对策建议
构建创新生态体系
鼓励龙头企业牵头成立创新联合体，如江丰电子联合中科院攻克高纯钨提纯技术；
建设国家级靶材检测平台，统一纯度、致密度等测试标准[1]。
完善市场激励机制
推广集成电路共保体模式，设立靶材应用风险补偿基金，覆盖下游企业使用国产靶材的损失[1]；
对认证通过的国产靶材给予采购补贴，降低终端用户试用成本。
强化人才与产业链协同
培养复合型人才（材料+设备+工艺），引进国际专家（如日籍技术团队）；
推动靶材与下游企业联合研发，如京东方与阿石创共建IGZO靶材应用实验室[1]。
六、总结
溅射靶材作为战略新材料，其国产化对我国半导体、显示面板等产业安全具有重要意义。目前我国已在中低端靶材领域实现突破，但高端市场仍受限于日美技术垄断。通过政策引导、技术创新和产业链协同，我国靶材产业逐步形成“基础研究-中试-产业化”的完整链条。
未来发展需聚焦三方面：一是突破高纯原料提纯和先进制备技术（如冷喷涂、两步烧结），提升靶材致密度和均匀性；二是建立快速认证通道和风险补偿机制，加速国产靶材市场准入；三是加强人才培养和国际合作，缩小与国际先进水平的差距。随着技术迭代和成本优化，我国溅射靶材有望在“十四五”期间实现高端领域全面替代。
引用论文
[1]慕慧娟，丁明磊，彭思凡.《我国溅射靶材自主可控发展的经验及启示》.《科技中国》2023年第7期
[2]文崇斌，余芳，朱刘，等.《冷喷涂在溅射靶材制备中的应用》.《冶金与材料》2023年第43卷第11期
[3]付钰斌，宁洪龙，邹文昕，等.《氧化物靶材的制备及研究进展》.《材料研究与应用》2022年第16卷第3期
[4]王晖，夏明星，李延超，等.《难熔金属溅射靶材的应用及制备技术》.《中国钨业》2019年第34卷第1期
[5]胡冰，王烁.《靶材质量对大面积镀膜生产的影响》.《建筑玻璃与工业玻璃》2015年第5期
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