难熔金属溅射靶材的应用及制备技术

DOI ：10.3969/j.issn.1009-0622.2019.01.010

难熔金属溅射靶材的应用及制备技术

王

晖,夏明星,李延超,刘啸锋,蔡小梅,白

润,张新

（西北有色金属研究院，陕西西安710016）

摘要：应用于微电子、集成电路、光伏电池、平面显示器、装饰镀膜玻璃等行业的溅射靶材需求量逐年增大，这些

行业对溅射用难熔金属靶材的纯度、致密度、尺寸精度、微观组织、结晶取向等性能提出了更高的要求。综述了磁控溅射用W 、Mo 、Ta 、Nb 靶材的主要应用研发生产单位和制备技术，

介绍了靶材组织、纯度等因素对薄膜性质的影响。关键词：难熔金属；磁控溅射；靶材；集成电路；太阳能电池中图分类号：TB43

文献标识码：A

收稿日期：2019-01-09

作者简介：王晖（1978-），男，陕西杨凌人，高级工程师，主要从事难熔金属材料研究工作。

0前言

磁控溅射镀膜属于物理气相沉积，离子在电场加速下高速轰击阴极靶材，靶材原子被溅射出来后沉积到被镀膜体表面而形成薄膜，是用来制备薄膜材料的一种主要方法[1]。它的基本原理是：真空环境中电场加速离子后形成具有高动能的离子束流，碰撞固体表面，固体表面的原子被溅射出并离开固体沉积在被镀膜体表面，被离子高速碰撞的固体就是产生薄膜的来源，被称之为溅射靶材[2]。溅射法是一种先进的薄膜材料制备技术，这种方法具有速度高和温度低两大特点[3]。自20世纪80年代，信息存

储、集成电路、激光存储器、液晶显示器、电子控制器等产业开始进入高速发展时期，磁控溅射技术才从实验室真正进入工业化规模生产[4]

。我国已经逐渐成为薄膜靶材需求大国，在全球市场需求的拉动下，我国有很多材料领域的科研院所及企业，开展了溅射靶材的研发和生产工作，并取得了很大的进展。

难熔金属，一般包括钨、钽、钼、铌、铪、锆和钛，其熔点都在1600℃以上。钨、钼等合金材料高温强度和蠕变性能好，被广泛用于微电子，照明光源、武器系统、原子能等行业。钽铌极其合金具有较低蒸气压、低热膨胀系数、优秀的抗腐蚀性能，被广泛用于航空航天、化工装备、集成电路、核能部门[5]。将难熔金属制作成靶材可将其优秀性能以薄膜的形式利用。表1给出了几种难熔金属靶材的应用领域。

表1几种难熔金属靶材的应用领域

Tab.1Applications of several refractory metal targets 1难熔金属靶材的类型及应用

溅射用靶材有如下几种分类方法：如按材质分

靶材可分为金属靶、高分子陶瓷非金属靶和复合材料靶等。如按外形尺寸可分为圆柱形、长方形、正方形板靶和管靶，见图1。

因为一般常见的方靶圆靶都为实心，在镀膜作业中，圆环形的永磁体在靶的表面产生的磁场为环形，会发生不均匀冲蚀现象，溅射的薄膜厚度均匀性不佳，靶材的使用效率大约只有20%～30%。而目前被推广的空心管靶可绕固定的条状磁铁组件一定周期旋转运动，360°靶面可被均匀刻蚀，优势明显，将利用率提高到80%[6]。

使用靶材应用领域

W 、W-Si 、W-Ti 微电子、半导体存储电极、半导体电极布线、集成

电路阻挡层、装饰镀膜Mo 、Mo-Si 、太阳能电池、平板显示器、微电子、半导体存储电极、半导体电极布线、Ta 、Ta-Al 电子器件镀膜、电容器电极膜、LCD 电极Nb 船舶、化工耐腐蚀、工业玻璃、光学镜头、等离子显示屏、触屏Ti

微电子、显示器电极布线膜、存储电极、集成电路阻挡层、装饰镀膜

第1期

1.1

W 靶

W 是难熔金属熔点最高的一种，

具有稳定的高温特性、抗电子迁移能力和较高的电子发射系数等诸多优点。钨及钨合金靶在微电子、集成电路等行业中被大量使用。Al 、Cu ，Ag 目前是集成电路制造用得

最多的互连线材料，一般来说介质层是Si 或SiO 2，Al 、Cu ，Ag 会向介质中扩散而形成硅化物，

从而使金属连线的电流强度急剧变弱，整个布线系统功能可能会因此而崩溃。最好的解决方案是在布线与介质之间再进行屏蔽来阻挡扩散层，阻挡层金属是WTi 。大量试验证明，WTi 合金（Ti 占10%～30%）作为阻挡层已被成功地应用于Al 、Cu 和Ag 布线技术。由于金属W 在其他金属中原子的扩散率较低，可阻挡扩散，Ti 可有效地阻止晶界扩散，另一方面也提高了阻挡层的黏结力和抗腐蚀性能[7-8]。

钨靶还被应用于装饰镀膜行业，如手表、眼镜、卫生洁具、五金零件等产品，不仅能美化外观，同时也具有抗磨损、腐蚀等功能。近些年来装饰镀膜用靶材的需求量日益扩大[9]。国内研发W 靶材的主要单位有上海钢铁研究所、北京安泰科技、西北有色金属研究院、株洲硬质合金集团等。1.2

Mo 靶

Mo 具有高熔点、

较低的比阻抗、高电导率、较好的耐腐蚀性而被广泛用于LCD 显示屏、光伏电池中的配线、电极。还有集成电路的阻挡层材料。

金属Cr 曾是LCD 显示屏配线的首选材料，如今超大型、高精度LCD 显示屏发展迅速，这对材料的比阻抗提出了更高的要求。此外，环境保护也必须

兼顾。金属Mo 的膜应力的比阻抗只有铬的一半，且不会污染环境，诸多优势使金属Mo 成为LCD 显示屏溅射靶材的最佳材料之一[10]。

铜铟镓硒（简称“CIGS ”）薄膜太阳电池是一种最具有发展前景的薄膜太阳能电池，具有光电转换效率高、无衰退、性能稳定、成本低廉等诸多优点。在光伏领域，国内外学者们对CIGS 产生了极大的关注。CIGS 薄膜太阳能电池的第五层就是背电极，电池的性能受背电极材料直接影响。Mo 溅射的薄膜热稳定性良好、电阻率较低、还能与CIGS 层结合形成良好的欧姆接触。同时金属Mo 薄膜还具有与上下玻璃层和CIGS 近似的热膨胀系数等特点，已成为薄膜太阳电池背电极的必选材料[11]。图2是Mo 在薄膜太阳能电池中的位置[5]。近些年来，全球的太阳能电池需求量激增，每年递增40%以上。据报道，目前世

图2

CIGS 化合物太阳能电池中的钼

Fig.2Molybdenum in CIGS compound solar cells

图1

几种常见形状的金属靶材

Fig.1Several metal targets with common

shapes

衬底玻璃

Mo 背电极层铜铟镓硒吸收层CdS 缓冲层

ZnO 窗口层盖板玻璃

王晖,等:难熔金属溅射靶材的应用及制备技术65