鋯靶材，作為一種高性能的濺射靶材，正在半導體與微電子領域展現出日益重要的價值。憑借鋯金屬及其化合物（如二氧化鋯、氮化鋯、硼化鋯）獨特的熱穩定性、優良的化學惰性、合適的電學特性以及與硅工藝良好的兼容性，它被用于制備關鍵的功能薄膜，是先進封裝和微電子器件性能與可靠性的重要保障。
一、 定義與材質
定義：半導體封裝與微電子用鋯靶材，是指用于物理氣相沉積（PVD，主要為磁控濺射）工藝，在半導體芯片、封裝基板或微電子器件表面沉積功能性鋯基薄膜的源材料。作為“濺射源”，它在真空腔體內被高能粒子轟擊，使其原子或分子被濺射出來并沉積在基片上，形成納米至微米級厚的薄膜。
主要材質：
高純金屬鋯靶材：純度通常在99.95% (3N5) 至 99.999% (5N)之間。主要用于沉積金屬鋯薄膜，可作為擴散阻擋層或粘附層。
鋯化合物陶瓷靶材：這是實現特定電學、力學或化學功能的核心。
二氧化鋯靶材：特別是氧化釔穩定氧化鋯，具有高介電常數、優異的化學和熱穩定性，可用于高K介質層、絕緣層或保護涂層。
硼化鋯靶材：具有極高的熔點、良好的導電導熱性及穩定性，在特殊應用場景中可作為硬質耐磨或擴散阻擋薄膜。
氮化鋯靶材：一種高硬度、耐腐蝕的導電陶瓷材料，可用于耐磨涂層或擴散阻擋層。
鋯合金靶材：如鋯鈦合金靶，用于制備鋯鈦酸鉛壓電薄膜等特種功能材料。
二、 關鍵性能特點
該領域對鋯靶材的要求極為嚴苛，核心圍繞薄膜的“性能精確”、“極致均勻”與“超純穩定”。
超高純度與精確的成分控制：靶材純度是薄膜性能的基石。微量雜質（特別是重金屬、堿金屬）會嚴重影響薄膜的電絕緣性、介電損耗和長期可靠性。對于化合物靶材（如YSZ），摻雜元素（如釔）的含量和分布均勻性必須得到精確控制。
高密度與微觀結構均勻性：靶材需具備極高的相對密度（通常>98%），以保障濺射過程穩定、減少顆粒污染并獲得致密無孔的薄膜。同時，要求晶粒細小、分布均勻，無氣孔、偏析等缺陷，這是實現大面積膜厚均勻和成分一致性的關鍵。
優異的薄膜功能性：最終沉積的鋯基薄膜需滿足特定應用要求，例如：
優越的擴散阻擋能力：能有效阻擋銅、金等互連金屬向硅或介質層中擴散。
合適的電學性能：如高介電常數、低漏電流（對于氧化物介質），或低電阻率（對于氮化物、硼化物導體）。
杰出的化學與熱穩定性：在后續工藝（如退火、蝕刻）和服役環境中保持穩定，不發生相變或反應。
良好的工藝兼容性：靶材的濺射性能（如濺射速率、穩定性）需與半導體生產線的高精度、高重復性要求完美匹配。
三、 主要執行標準
半導體級鋯靶材遵循一系列嚴格的標準。
通用基礎標準：參考國家標準如《GB/T 21183》對鋯及鋯合金靶材的規定，以及《GB/T 15076》等對鋯化學分析方法的要求。
行業與企業標準：由于技術迭代快，實際生產主要依據下游芯片制造與封裝巨頭的定制化技術協議。這些協議對靶材的尺寸、形狀（平面靶、旋轉靶）、純度、雜質含量上限、密度、晶粒尺寸、綁定焊接率等均有極為詳細的規定。
參考性技術規范：對于化合物靶材，可參考相關領域的研究與標準。例如，核用硼化鋯靶材的制備標準（如高純度、單一相要求）對半導體用高純陶瓷靶有借鑒意義。
四、 加工工藝、關鍵技術及流程
高品質鋯靶材的制造是粉末冶金、真空冶金和精密加工技術的深度結合。
1. 核心加工流程：
原料準備（高純鋯/化合物粉末） →成型制備（粉末冶金或熔煉鑄造） →燒結/熱等靜壓（關鍵致密化步驟） → 熱處理（均勻化/退火） → 精密機械加工 →背板焊接（與銅/鋁背板結合） → 精密加工與清洗 → 檢測與真空包裝。
2. 關鍵技術環節：
超高純原料制備技術：采用真空蒸餾、區域熔煉、電解精煉等方法，從源頭去除雜質，是制備5N級以上高純鋯錠的關鍵。
高致密化成型與燒結技術：對于陶瓷靶材（如ZrB?、YSZ），這是核心難點。需采用熱壓燒結或熱等靜壓在高溫高壓下促進致密化。通過優化粉體合成（如碳熱還原法控制粉體粒徑與形貌）、添加適量燒結助劑或采用先進燒結工藝，以獲得接近理論密度（>95%）、單一物相的高質量靶坯。
微觀組織均勻性調控技術：通過熱機械處理（如鍛造、軋制）和后續熱處理，調控金屬鋯靶的晶粒尺寸與取向；通過控制燒結工藝參數，確保陶瓷靶材成分與結構的均勻性。
精密加工與無損綁定技術：高精度數控加工確保靶材尺寸與形位公差。靶材與背板的焊接（常采用擴散焊或釬焊）必須實現極高的結合強度與導熱率，且界面無空洞，以保證高功率濺射下的散熱和穩定性。
五、 具體應用領域
| 應用領域 | 具體功能與作用 | 技術要求與工藝特點 |
| 先進制程互連阻擋層 | 在銅或鈷互連線與低K介質之間，沉積極薄（數納米）的氮化鋯或鋯基合金薄膜，作為擴散阻擋層和粘附層，防止互連金屬擴散并提升附著力。 | 對薄膜的連續性、致密性、厚度均勻性要求達到原子級。需與原子層沉積等先進工藝兼容。 |
| 籽晶層與電極層 | 在存儲器件或特定傳感器中，鋯或鋯氮薄膜可作為電極的籽晶層，引導上層功能材料（如鐵電材料PZT）的定向生長，優化器件性能。 | 要求薄膜具有特定的晶體取向和低表面粗糙度，以利于外延生長。 |
| 半導體封裝與高純設備 | 1.封裝內部介電/絕緣層：利用二氧化鋯的高K特性，在先進封裝中作為電容介質或隔離層。
| 要求涂層極致致密、無針孔、附著力強，并能承受高頻次的工藝循環和熱沖擊。 |
| 2.工藝腔體內壁涂層：在CVD、刻蝕等設備腔體內壁沉積致密釔穩定氧化鋯涂層，抵抗等離子體侵蝕，減少金屬污染，提升工藝純凈度。 |
| 光電器件與傳感器 | 1.透明導電氧化物摻雜：鋯可作為摻雜劑，用于調節氧化鋅等透明導電薄膜的性能。
| 對薄膜的光電性能（如透過率、電阻率）、壓電系數有精確要求。工藝需與器件結構匹配。 |
| 2.壓電薄膜制備：使用鋯鈦合金靶通過濺射制備鋯鈦酸鉛壓電薄膜，用于MEMS傳感器、執行器和射頻濾波器。 |
六、 與其他領域用鋯靶材的對比分析
| 對比維度 | 半導體封裝與微電子 | 核電與核工業 | 化工防腐與海洋工程 | 顯示面板與光伏能源 |
| 核心要求 | 電學性能精確、超高純度、納米級均勻、超低缺陷。 | 中子吸收效率、抗輻照損傷、極端環境穩定性。 | 極致耐腐蝕、抗沖刷、長期服役可靠性。 | 大面積均勻性、特定光學/電學性能、成本控制。 |
| 典型材質 | 高純鋯、氮化鋯、氧化釔穩定氧化鋯、鋯鈦合金。 | 富集1?B的硼化鋯、鋯合金。 | 工業純鋯、鋯鈀合金、氧化鋯陶瓷涂層。 | 摻雜氧化鋯（用于TCO）、金屬鋯（用于阻擋層）。 |
| 純度要求 | 極高（4N-5N以上），嚴格控制電活性雜質。 | 高，但更側重同位素豐度控制（如1?B）。 | 中高（3N-4N），滿足耐蝕性即可。 | 高（4N-5N），保證光學電學性能。 |
| 技術焦點 | 原子級薄膜控制、超潔凈工藝、與硅基工藝完美兼容。 | 同位素分離與富集、高致密難熔陶瓷制備、輻照性能驗證。 | 涂層在復雜介質中的長期耐久性、抗應力腐蝕開裂。 | 在大尺寸基板（G10.5）上實現膜厚與性能的均一。 |
| 市場與認證 | 技術壁壘最高，認證周期極長（2-3年），供應鏈安全至關重要。 | 準入壁壘極高，需國家核安全監管機構認證，供應商高度集中。 | 認證周期較長，需通過苛刻的工況模擬測試。 | 認證周期較長，與面板世代線深度綁定，成本敏感。 |
注：在生物醫學領域，鋯靶（主要是二氧化鋯）用于制備人工關節、牙種植體的生物活性涂層，核心要求是生物相容性和骨整合能力。在航空航天領域，硼化鋯超高溫陶瓷涂層用于發動機熱端部件，要求耐超高溫、抗熱震和抗氧化。
七、 未來發展新領域與方向
面向先進封裝與異質集成的材料創新：
三維集成與芯粒技術：隨著2.5D/3D封裝和芯粒技術發展，對TSV側壁、微凸點界面處的超薄、共形阻擋層/粘附層需求迫切。開發具有更低電阻率、更強阻擋能力的鋯基納米層狀或復合薄膜材料是關鍵。
嵌入式無源器件：利用高K鋯基氧化物薄膜（如摻雜的氧化鋯），在封裝基板內制造高性能嵌入式電容、電感，實現系統級封裝的小型化和高性能。
寬禁帶半導體器件中的關鍵界面層：
在碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體功率器件制造中，需要高質量的門極介質和鈍化層。鋯基高K介質因其良好的熱穩定性和合適的能帶偏移，有望作為新一代柵介質材料，提升器件性能和可靠性。
微機電系統與智能傳感器的功能擴展：
開發具有更優壓電、鐵電性能的鋯鈦酸鉛薄膜，用于制造更靈敏的傳感器、更高效的微能源收集器和更低損耗的射頻濾波器。
探索鋯基薄膜在新型存儲器、神經形態計算等前沿器件中的應用潛力。
綠色制造與產業鏈自主可控：
開發更高材料利用率的靶材設計（如旋轉靶、拼接靶）和廢舊靶材的高值回收再生技術，以降低生產成本和環境影響。
實現從超高純鋯原料到高端靶材成品的全產業鏈自主供應，是保障我國半導體產業供應鏈安全的核心戰略之一。
綜上所述，半導體封裝與微電子用鋯靶材正從一種“輔助材料”向“賦能材料”轉變。其未來發展將深度融入摩爾定律延續與“超越摩爾”定律的創新洪流，在更小的尺度、更復雜的集成架構和更豐富的功能需求中，扮演不可或缺的關鍵角色。
