在半导体行业中，芯片的性能升级离不开 “微观层面” 的材料突破 —— 从 7nm 制程到 3nm 甚至 2nm，每一次制程跃迁，都对核心材料的纯度、精度、稳定性提出更严苛要求。而溅射靶材，作为物理气相沉积（PVD）技术制备芯片关键薄膜的 “原料核心”，直接决定着芯片互连层的导电性、绝缘层的可靠性、接触层的稳定性，是支撑半导体行业从 “成熟制程” 向 “先进制程” 迈进的关键材料。今天，我们就深入探讨溅射靶材在半导体行业的核心应用，以及其对行业进步的重要性。
一、核心应用：溅射靶材支撑半导体芯片三大关键薄膜制备
半导体芯片的结构复杂，从衬底到顶层金属，需通过多道 PVD 工艺沉积不同功能的薄膜，而每类薄膜的制备，都依赖特定性能的溅射靶材，其应用可聚焦于三大关键环节：
1. 互连层薄膜：铜靶为主力，决定芯片 “信号传输效率”
芯片的互连层相当于 “信息高速公路”，负责连接芯片内部的晶体管与外部电路，其导电性与可靠性直接影响芯片的运算速度与寿命，核心依赖铜靶与阻挡层靶材：
• 铜靶：实现低电阻互连
随着制程进入 14nm 以下，传统铝互连因电阻高、电迁移风险大逐步被铜替代。半导体用铜靶需具备极高纯度（99.999% 以上，即 5N 级，先进制程需 6N 级）与均匀微观结构（晶粒尺寸偏差＜10%），通过 PVD 工艺沉积的铜互连层，电阻率可低至 1.7×10⁻⁸Ω・m（接近铜的理论电阻率），比铝互连低 30%，能有效减少信号延迟，支撑 3nm 制程芯片每秒百亿次的运算需求；
• 阻挡层靶材：防止铜扩散
铜原子易向芯片的绝缘层（如 SiO₂）扩散，导致电路漏电，需在铜互连层与绝缘层之间沉积阻挡层。常用的阻挡层靶材为钽靶（Ta）、钛靶（Ti），同样需高纯度（5N 级以上），通过 PVD 制备的 5-10nm 钽阻挡层，能有效抑制铜扩散（扩散系数＜10⁻²⁰cm²/s），确保芯片在高温工作环境下（125℃以上）长期稳定，无漏电风险。
某芯片制造企业数据显示：采用 6N 级高纯度铜靶与钽靶制备的 3nm 制程芯片，互连层良率从 82% 提升至 95%，信号延迟降低 15%，芯片使用寿命延长至 10 年以上，远超行业标准的 7 年。
2. 绝缘层与介质层薄膜：氧化物 / 氮化物靶材，保障芯片 “电气隔离”
芯片内部需通过绝缘层、介质层实现不同电路的电气隔离，避免信号干扰，核心依赖氧化硅、氮化硅等陶瓷靶材：
• 氧化硅靶材（SiO₂）：制备基础绝缘层
氧化硅靶材需高致密度（≥98%）与低杂质（金属杂质＜1ppm），通过 PVD 沉积的氧化硅绝缘层，介电常数低（≈3.9）、击穿电压高（＞10MV/cm），能有效隔离相邻电路，避免漏电与信号串扰，适配从成熟制程（90nm）到先进制程（3nm）的绝缘需求；
• 氮化硅靶材（Si₃N₄）：制备高性能介质层
在芯片的电容器、钝化层等环节，需用氮化硅靶材制备介质层。氮化硅靶材沉积的薄膜介电常数高（≈7.5）、耐腐蚀性强，能提升电容器的容量密度（比氧化硅介质高 1 倍以上），同时保护芯片表面免受水汽、杂质侵蚀，提升芯片的环境适应性。
3. 接触层与电极薄膜：钛 / 铝 / 钨靶材，实现 “晶体管与互连的衔接”
芯片的接触层负责连接晶体管与互连层，电极则负责芯片与外部封装的连接，需具备低接触电阻、高附着力，核心依赖钛靶、铝靶、钨靶：
• 钛靶（Ti）：制备接触层 “黏合剂”
钛靶沉积的钛薄膜能与硅衬底形成稳定的硅化钛（TiSi₂），同时与后续的铝或铜互连层紧密结合，起到 “黏合” 作用，接触电阻可低至 10⁻⁷Ω・cm²，确保晶体管信号高效传递至互连层；
• 铝靶（Al）：成熟制程电极主力
在 90nm 及以上成熟制程中，铝靶仍是电极制备的主流选择，其成本低于铜靶，通过 PVD 沉积的铝电极薄膜，导电性稳定（电阻率≈2.7×10⁻⁸Ω・m），适配汽车电子、消费电子等对成本敏感的半导体领域；
• 钨靶（W）：先进制程 “通孔填充” 专用
在 3D NAND、先进逻辑芯片中，需通过钨靶制备 “通孔电极”（连接不同层的互连），钨靶沉积的钨薄膜熔点高（3422℃）、抗电迁移性能强，能在微小通孔（直径＜10nm）内实现均匀填充，保障多层互连的可靠性。
二、重要性：溅射靶材是半导体行业进步的 “关键推手”
溅射靶材对半导体行业的重要性，不仅体现在 “材料支撑”，更在于其技术突破直接推动芯片制程迭代、性能升级与成本优化，是行业进步不可或缺的 “微观基石”：
1. 靶材纯度与精度突破，支撑芯片制程向 “更小尺寸” 迭代
芯片制程从 7nm 到 3nm 再到 2nm，核心挑战之一是 “微观结构的精准控制”，而溅射靶材的纯度与精度直接决定了薄膜的质量下限：
• 3nm 制程芯片的互连层厚度仅 10-15nm，若靶材纯度不足（如含 0.5ppm 以上杂质），杂质原子会在薄膜中形成 “缺陷中心”，导致电路漏电率上升 50% 以上，无法满足芯片可靠性要求；
• 先进制程对靶材的 “微观均匀性” 要求极高（晶粒尺寸偏差＜5%），若靶材晶粒不均，沉积的薄膜会出现局部厚度偏差（＞±1nm），导致互连层电阻波动，影响芯片运算速度的稳定性。
可以说，没有 6N 级高纯度、高均匀性溅射靶材的突破，3nm 及以下先进制程芯片的量产将无从谈起。
2. 靶材性能优化，推动芯片 “更高性能与更低功耗”
半导体行业的核心追求是 “更高性能、更低功耗”，而溅射靶材通过性能优化，直接助力这一目标实现：
• 铜靶替代铝靶后，芯片互连层电阻降低 30%，信号延迟减少 20%，同等运算速度下，芯片功耗降低 15%，适配手机、笔记本等移动设备的 “长续航” 需求；
• 钽靶与铜靶的搭配使用，使芯片互连层的电迁移寿命从铝互连的 1000 小时延长至 10000 小时以上，芯片长期工作的稳定性提升，故障率降低 80%，满足服务器、数据中心对芯片 “高可靠性” 的要求。
3. 靶材国产化突破，保障半导体行业 “供应链安全”
长期以来，全球半导体用高端溅射靶材（如 6N 级铜靶、钽靶）主要由日本 JX 金属、美国霍尼韦尔等外资企业垄断，国内企业依赖进口，不仅成本高（进口靶材价格比国产高 20%-30%），还面临 “断供” 风险。
近年来，国内企业（如江丰电子、有研新材）通过技术突破，实现 5N 级铜靶、钽靶的规模化供应，部分产品进入中芯国际、长江存储等主流芯片厂供应链，国产化率从 2020 年的不足 10% 提升至 2024 年的 25% 以上。靶材国产化的突破，不仅降低了国内半导体企业的生产成本，更保障了供应链安全，为我国半导体行业从 “跟随” 向 “自主可控” 发展提供了关键支撑。
三、未来方向：溅射靶材向 “更高纯度、更优结构、更适配先进制程” 升级
随着半导体行业向 2nm 及以下制程、3D 集成、Chiplet（芯粒）等方向发展，溅射靶材也将迎来新的升级需求，主要聚焦三个方向：
1. 纯度再提升：向 7N 级迈进
2nm 及以下制程对杂质的容忍度更低（金属杂质需＜0.1ppm），靶材纯度需从 6N 级向 7N 级突破，需通过 “电子束熔炼 + 区域熔炼 + 精密提纯” 组合工艺，进一步降低杂质含量，避免缺陷影响芯片性能；
2. 结构优化：适配 3D 集成与 Chiplet
3D 集成芯片需在垂直方向实现多层互连，对靶材的 “台阶覆盖率” 要求更高（需＞90%），未来将开发 “梯度功能靶材”“纳米复合靶材”，通过调整靶材成分与微观结构，提升薄膜在复杂 3D 结构上的均匀性；
3. 成本控制：推动技术国产化与规模化
随着国内靶材企业产能扩张与技术成熟，将进一步降低高端靶材成本（预计 2025 年 6N 级铜靶国产化价格比进口低 30%），同时通过 “靶材回收再利用”（如从报废靶材中提取高纯度金属），提升资源利用率，降低半导体行业的整体材料成本。
结语
溅射靶材虽为半导体行业的 “微观材料”，却承载着芯片技术迭代的 “宏观使命”—— 它支撑着芯片从成熟制程向先进制程跨越，推动芯片性能不断突破、功耗持续降低，同时保障着行业供应链的安全稳定。随着半导体行业向更高精度、更复杂结构发展，溅射靶材的技术升级将持续成为行业进步的关键动力，而国产化靶材企业的崛起，也将为我国半导体产业的自主可控注入更强信心。
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