引言
磁控濺射靶材(簡稱濺射靶材)是物理氣相沉積(PVD)技術應用中的關鍵源材料，通過荷能粒子轟擊濺射靶材，可使靶材表面原子或分子逸出并在基片表面沉積形成功能性薄膜。高端濺射靶材通常指應用于先進制程集成電路(≤28nm)、高分辨率平板顯示、新型半導體器件等領域，對純度(≥99.999%)、微觀組織均勻性、缺陷密度、穩定性等均有極端要求的濺射靶材產品[1-3]，是支撐電子信息產業發展的關鍵基礎材料之一，相應性能直接決定了薄膜的電學、光學、力學性能以及器件的可靠性[4,5]。
濺射靶材是多晶材料，晶粒尺寸覆蓋微米至毫米量級，晶粒細度與組織均勻性也是決定濺射薄膜性能的核心參數。晶界因原子排列無序、鍵合能低而具有更高的濺射速率，晶粒越細小，晶界占比越高，整體濺射效率及鍍膜均勻性越優;若濺射靶材存在晶粒尺寸差異(如大晶粒、小晶粒共存)，則大晶粒區域的濺射速率較低，將導致薄膜沉積出現“山峰效應”，形成微觀臺階狀起伏，可能引發短路、斷路、應力集中等問題，從而影響器件的良率與可靠性。當前，晶粒組織優化已從單純尺寸控制發展到包括晶粒取向、分布均勻性、界面特性在內的系統調控，而晶粒細化與組織均勻化作為高純濺射靶材制備的關鍵技術，涉及的工藝復雜度與成本控制仍是研發挑戰。
在半導體芯片制造領域，制程節點持續向5nm、3nm以及更小尺度微縮，對關鍵薄膜材料的性能要求逼近了物理極限。在互連系統方面，銅互連在亞5nm節點面臨嚴重的電阻-電容延遲、電遷移可靠性等問題，要求鈷、釕等新型互連材料具有6N以上的超高純度、高度一致的晶粒取向、納米級的微觀結構均勻性，以保障電子傳輸效率與界面穩定性。在阻擋層材料領域，鉭、鈦等傳統材料需在2~3nm的極端厚度下保持無缺陷的連續性、優異的阻擋性能，對濺射靶材的純度、致密度、晶界特性提出了苛刻要求[6-8]。這些需求驅動了濺射靶材制備新技術和新工藝的持續創新。例如，在鉭濺射靶材的熔煉鑄錠法中，采用多道次交叉軋制(每道次軋制后旋轉鉭板90°并互換軋制面)、低溫預退火后接高溫退火等工藝，有效改善了濺射靶材的組織與織構均勻性[9,10];粉末冶金法工藝路線可制備出純度>99.95%、平均晶粒尺寸<50μm、織構呈隨機分布且沿濺射靶材表面及厚度方向均勻一致的高純鉭濺射靶材[11,12]。
在平板顯示領域，顯示技術快速迭代對濺射靶材性能提出了更高要求。10.5代及以上高世代產線需要濺射靶材具有超大尺寸、高均勻性，以確保在面積為數個平方米的基板范圍內實現膜厚波動小于3%的極致均勻性。8K分辨率、微型發光二極管(Micro-LED)等成為平板顯示的發展趨勢，需要氧化銦錫靶(ITO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)等透明導電濺射靶材保持90%以上的可見光透過率并將電阻率降至10-4Ω·cm以下，這就對膜層表面的粗糙度提出了原子級平整度的要求。柔性顯示的興起，進一步要求濺射靶材具備低溫沉積特性且制備的薄膜在反復彎曲條件下仍能保持穩定的電學與力學性能。
上述來自下游產業的迫切需求，凸顯了高端濺射靶材在基礎機理研究、制備工藝創新、器件應用驗證等方面面臨的極端復雜性和戰略重要性。只有實施全產業鏈協同創新，才能在材料端取得重大突破，適應未來芯片制程、平板顯示等領域的苛刻要求。為此，本文聚焦高端濺射靶材，重點選取技術門檻最高、戰略性價值最為顯著的半導體芯片和平板顯示兩大應用領域開展應用剖析。面向高端濺射靶材的技術前沿與市場需求主流，梳理應用進展、凝練存在問題、明確重點方向、提出產業策略，為高端濺射靶材方面的技術突破與產業升級提供參考。
1、半導體芯片和平板顯示用濺射靶材的應用現狀
半導體芯片、平板顯示產業作為高端濺射靶材最主要的應用領域，對濺射靶材性能具有共性要求:以極高的材料純度保障薄膜的電學性能與器件的可靠性，對微觀組織均勻性及缺陷控制有極端要求以確保大面積鍍膜的一致性，滿足低電阻率、高遷移率、特定光學特性等功能需求。半導體芯片、平板顯示在具體的材料體系與應用工藝上各有側重，共同構成了高端濺射靶材技術體系的完整圖譜。
1.1半導體芯片用濺射靶材的應用現狀
半導體芯片制造朝著微小化、三維化、異質集成方向發展，對濺射靶材的性能要求持續提升。高純金屬濺射靶材，主要應用于晶圓制造前道的互連、接觸、柵極以及后道的先進封裝等環節，相關材料體系隨著技術節點演進在迭代優化。①在互連材料方面，經歷了從鋁基到銅基互連材料再到鈷、釕等新型金屬材料的演變[13~15]。在130nm及以上節點，鋁及鋁合金是主流的互連材料。進入90nm節點后，銅憑借更低的電阻率、更強的抗電遷移能力成為主流，但需搭配鉭/氮化鉭阻擋層[16-18]。至7nm及以下先進制程節點，鈷、釕等用于局部互連，以應對電阻快速上升、電遷移加劇等挑戰[19-21]。②在接觸層材料方面，從早期的鈦硅化物、鈷硅化物發展到65nm節點后普遍采用的鎳鉑硅化物，有效降低了接觸電阻并提升了熱穩定性[22,23]。③在金屬柵極材料方面，45nm節點引入高介電常數金屬柵結構后，金屬柵極普遍采用鈦/氮化鈦、鉭/氮化鉭等疊層材料體系,通過精確調節金屬功函數層與高介電常數介質的界面特性來實現閾值電壓的精準調控。④鎢及鎢硅合金具有低電阻、高抗電子遷移性、優異的高溫穩定性、良好的界面結合性，成為制造半導體存儲器的關鍵材料，主要承擔兩類功能:在晶體管結構中形成鎢/氮化鎢導電薄膜，由氮化鎢作為原子級精度的阻擋層;在字線互連中同時實現高效導電、高深寬比結構填充，可實現20nm級通孔填充[24]。⑤在先進封裝方面，凸點下金屬化層、重布線層、硅通孔等結構采用鈦/銅/鎳釩、銅/鈦、銅/鉭等多層薄膜材料體系來滿足高密度互連需求，對濺射靶材的純度、致密度、界面特性提出了更高要求。
在半導體芯片制造與封裝領域，高純金屬基濺射靶材的國產化進程正在加速。①高純鋁及鋁合金濺射靶材曾廣泛應用到90nm及以上節點，新疆眾和、有研億金、江豐電子等國內品牌實現5N5級原料及濺射靶材的批量供應，在12in產線上占據主要份額。②高純銅及銅合金濺射靶材是90~5nm節點的核心互連材料，純度要求從6N提升至7N，還可通過添加錳、鋁等元素來改善抗電遷移性能;有研億金成為國際上少數掌握7N級銅濺射靶材量產技術的國內品牌之一。③高純鈦濺射靶材主要用于擴散阻擋層、接觸硅化物、光刻反射層，國內廠商可以穩定供應14nm及以上節點用5N級產品。④高純鉭濺射靶材是銅互連的關鍵阻擋層材料，相關產品的高端市場由日礦金屬、世泰科等國際品牌主導，寧夏東方鉭業、有研億金、江豐電子等國內品牌突破了5N5到6N級鉭材及濺射靶材制備技術并為90~5nm制程節點供應材料。⑤高純鈷和鎳鉑濺射靶材主要用于接觸層(形成低阻硅化物)，在65~28nm節點鎳鉑合金逐步取代純鈷，日系企業仍具有優勢，但有研億金等國內品牌已通過相關制程的應用認證。⑥高純鎢及鎢合金濺射靶材用于存儲芯片中的晶體管柵極和互連填充，日系企業在5N級粉體及濺射靶材方面保持技術領先，廈門鎢業、章源鎢業等國內品牌在粉體性能上仍需提升。⑦鋁鈧濺射靶材是新一代移動通信射頻濾波器上壓電膜層的關鍵材料，有研億金、長沙高創稀土等國內品牌成功研制鈧含量為0.5~40at%、純度為3N5級以上的濺射靶材，逐步具備進口替代能力。
也要注意到，對于以鎢、鉭等為代表的集成電路先進制程用金屬濺射靶材,我國的對外依存度仍然較高，(見圖1)，顯現了產業鏈上游環節的脆弱性。關鍵材料的自主可控能力不強，不僅使半導體制造、高端傳感器等戰略新興產業面臨發展風險，而且在基礎材料層面制約著電子信息產業的發展潛力。原材料的提純理論與技術創新能力不強、靶坯的加工裝備性能與工藝水平有待提升等，是造成這一問題的主要原因2。當然，國產濺射靶材隨著制造技術的成熟與優化，已在成本控制、基礎性能方面展現出行業性的比較優勢[25,26]。國內半導體產業進入了規模化擴張階段，從晶圓制造到先進封裝的全鏈條需求也將持續上升，直接驅動半導體濺射靶材市場的快速增長。預計再通過數年努力，國產濺射靶材將在中高端制程中顯著提升市場占比，有力支撐半導體產業自主發展。2028年前，我國半導體濺射靶材市場的年增長率可保持在10%~15%，2028年的市場規模可達7.2億美元。
1.2平板顯示用濺射靶材的應用現狀
平板顯示領域常用的濺射靶材按形狀分為平面靶、旋轉靶兩類:前者通用性較強，但利用率不高;后者利用率較高，但鍍膜均勻性較差[27]。平板顯示用濺射靶材按材料不同分為鉻靶、鉬靶、鋁靶、鋁合金靶、銅靶、銅合金靶、ITO、IGZO等(見表1)[28~33]。隨著智能手機、電視、平板電腦等顯示終端的發展，顯示面板產業成為近年來成長最為迅速的產業之一，如2024年我國平板顯示用濺射靶材需求量為67481.7t，同比增長8.3%[34]。全球液晶面板生產線從4.5代逐步升級到11代，對上游關鍵材料濺射靶材的要求不斷提高。相關市場主要被美國和日本企業壟斷，如攀時、世泰科、賀利氏、愛發科、住友化學、JX金屬等國際品牌占據主導地位。
受益于國家戰略支持和下游應用推廣，國內企業開發了適應高世代液晶顯示面板需求的濺射靶材，部分產品已具有規模化生產能力。依托有利的產業政策導向、良好的產品價格優勢，開展研發成果的產業化，積極參與國際市場競爭，國產平面顯示用濺射靶材已在國內市場上占有了一定的份額，平板顯示用濺射靶材依賴進口的不利局面正在改變。寧波江豐電子材料股份有限公司的鋁靶、銅靶、鈦靶等產品，批量銷往京東方、華星光電、天馬、和輝光電等平板顯示的主力品牌。福建阿石創新材料股份有限公司形成了鋁濺射靶材、鉬濺射靶材、ITO陶瓷濺射靶材的批量生產能力，進入了天馬、維信諾、國顯、信利顯示等平板顯示品牌的供應鏈。洛陽高新四豐電子材料有限公司開始向京東方、華星光電、天馬、信利等平板顯示品牌供應鉬濺射靶材。廣西晶聯光電材料有限責任公司生產的平面ITO濺射靶材通過了約10條平板顯示產線的應用測試。后續，平板顯示用濺射靶材的生產工藝水平將不斷提升，國產平板顯示用濺射靶材市場仍具有良好的成長空間，國產化替代將是大勢所趨[35]。
表1平板顯示用濺射靶材類型的特點和應用
| 濺射靶材類型 | 特點 | 應用 |
| ITO | 優異的透明性、導電性 | 透明導電膜 |
| IGZO | 制備溫度低、載流子遷移率高、可見光波段全透明 | 新一代薄膜晶體管的溝道層材料 |
| 鉬/鉬鈮 | 耐高溫、化學穩定性強 | 擴散阻擋層 |
| 鉻 | 優異的導電率、機械穩定性,適用高精度制程 | 薄膜電路和屏蔽層 |
| 鋁 | 良好的反射率、較低的電阻率,適合光學薄膜的制備 | 反射層和導電層 |
| 鋁銅 | 導電性良好、機械強度高 | 增強導電薄膜力學性能和熱穩定性 |
| 銅 | 高導電性、良好的熱穩定性,適合復雜電路設計 | 導電層 |
| 鋁硅銅 | 三元合金提供獨特的電阻率、熱擴散性能 | 制造具有特殊電學特性的薄膜 |
2、我國半導體芯片和平板顯示用濺射靶材存在的問題
2.1高端濺射靶材微觀組織成分的均一性不足
受限于我國超高純金屬提取與材料制備的整體技術水平，國產超高純原材料及濺射靶材在純度、缺陷密度、微觀組織均勻性等方面與國際領先水平存在明顯差距(見表2)[19,36-39]。鐵、鎳、銅等金屬雜質元素含量易受生產條件波動的影響，導致薄膜的電學性能不穩定。非金屬雜質特別是氧含量控制是關鍵難點，氧元素偏高易致濺射過程中產生顆粒甚至異常放電。濺射靶材內部的微觀氣孔、夾雜等缺陷直接影響濺射的穩定性，易引發電弧或顆粒污染。晶粒尺寸粗大或均勻性差，又會導致濺射薄膜厚度不均勻或產生缺陷。相關設備的精度和過程控制能力有限，致使濺射靶材產品性能的批次穩定性不佳，仍難以滿足高端制造對材料一致性的苛刻要求。
2.2濺射靶材制備與檢測設備自主保障能力不足
高端濺射靶材的制備與質量控制在很大程度上依賴高精度的專用裝備，而國內在此方面存在明顯的短板[1,2,40]，不僅提高了設備購置與維護成本、延長了原材料檢測與新合金濺射靶材的研發周期，而且對供應鏈安全構成潛在風險。在濺射靶材制備設備方面，電子束熔煉爐的功率穩定性不足(波動±5%)，難以控制高純金屬鑄錠的晶粒均勻性;熱等靜壓機的溫度控制精度(±15℃)與進口設備(±5℃)存在差距，影響濺射靶材致密度(國產產品為98.2%，進口產品為99.5%);電子束焊機的定位精度(±50μm)無法滿足300mm濺射靶材的焊接要求(±10μm)。濺射靶材檢測設備依賴進口，等離子體質譜儀(檢測限為0.01ppb)90%由國外廠商供應，導致原材料雜質檢測周期延長30%以上;碳硫分析儀(精度為±0.1ppm)進口數量占比為85%，氮氧氫聯測儀(精度為±0.5ppm)進口數量占比超過95%，輝光放電質譜儀完全依賴進口，制約了新型合金濺射靶材的研發進度。
2.3在線檢測手段缺乏導致智能制造轉型困難
濺射靶材加工的生產流程長，多道工序之間耦合性強、復雜度高，在線檢測手段的缺乏不僅延長生產周期，還導致產品批次間性能波動大、良率偏低，對實施智能化制造構成明顯制約。高效傳感器、智能分析系統缺乏，導致生產過程高度依賴后期的離線檢測(如掃描電鏡、質譜儀)，需要依靠人工經驗實施調整。關鍵工藝參數的在線實時監測手段缺失，生產過程中存在控制盲區，突出表現在:微觀組織演變(如晶粒尺寸分布、晶界特性及織構取向的動態變化)和純度波動(氣體雜質及痕量金屬元素)實時監測能力薄弱，內部缺陷形成(微氣孔、夾雜物、裂紋的萌生與擴展)難以捕捉，表面質量變化(如加工過程中的表面粗糙度、氧化層厚度等)難以開展連續跟蹤，焊接結合率動態(如異質焊接界面的熱應力分布、結合強度演變)無法進行實時評估，熱處理相變行為(如再結晶狀態、透磁率)難以實時調控。
國內約80%的濺射靶材生產企業仍沿襲多品種、小批量的生產模式，如平均生產批量小于50件，單個新產品開發周期內僅能積累3~5批次工藝數據。這種生產模式源于下游定制化需求高，導致數據基礎極為薄弱，表現為數據量不足(有限批次難以覆蓋工藝參數的全域變化)、數據碎片化(多個品種切換形成“數據孤島”而阻礙知識遷移)、智能化轉型瓶頸(數據匱乏加大數字孿生模型構建難度，機器學習算法無法有效優化工藝)。這些不足制約了濺射靶材產業向高效、高質、柔性化生產模式的升級，如當前國內濺射靶材企業的智能化滲透率不足30%，生產成本居高不下，難以快速響應集成電路7nm及以下先進制程的嚴苛要求。
表2高純關鍵金屬材料國內外水平對比
| 濺射靶材種類 | 國外水平 | 國內水平 |
| 超高純銅錳靶 | 純度≥6N5,銀、硅≤0.1ppm,鐵≤0.05ppm, 碳、氧≤1ppm | 純度≥6N,銀、鐵≤0.2ppm, 碳≤2ppm、氧≤3.5ppm |
| 超高純鈷靶 | 晶粒尺寸≤5μm,缺陷≤0.3mm 純度≥5N5,鐵、鎳≤0.5ppm, 銅≤0.2ppm,氧≤20ppm, | 晶粒尺寸≤50μm,缺陷≤0.5mm 純度≥5N,鐵、鎳≤1ppm, 銅≤2ppm,氧≤50ppm |
| 晶粒尺寸≤5μm,缺陷≤0.3mm 組織細小 | 缺陷≤0.5mm 組織粗大 |
| 超高純鎢靶 | 純度≥5N5,鐵、鎳、硅、鉻≤0.1ppm, 碳、氧≤30ppm | 純度4N5~5N,鐵、鎳、硅、鉻≤1ppm, 碳、氧≤100ppm |
| 超高純釕靶 | 致密度≥99%,晶粒尺寸≤30μm 純度≥5N5,鈉、鉀≤0.5ppm,鐵≤2ppm | 致密度98%~99%,晶粒尺寸≤150μm 純度≥4N,鈉、鉀≤1 ppm,鐵≤5 ppm |
| 密度≥99%,晶粒尺寸≤20μm | 密度為98%~99%,晶粒尺寸為10~50μm |
3、我國半導體芯片和平板顯示用濺射靶材的重點發展方向
3.1開展超高純濺射靶材成分與組織的微觀均質化研究
超高純金屬濺射靶材的最終性能與其微觀組織結構、缺陷狀態等密切相關，而這些特征本質上來源于材料在制備成型及后續變形加工過程中受到溫度場、應力場、壓力場、電場的復雜耦合作用。長期以來，國內對多場耦合作用下材料動態演化機理的基礎研究不夠深入，濺射靶材的微觀組織控制和缺陷抑制更多依賴工程經驗與工藝試錯，缺乏系統的理論指導以及關鍵過程數據的有效積累;導致國產先進集成電路用等高端濺射靶材的性能提升進展遲緩，在多數情況下仍處于跟蹤研究、仿制為主的被動發展局面。
為了扭轉這一不利局面，需加強從原子尺度到宏觀尺度的跨層次基礎研究。力求闡明濺射靶材中微量雜質元素的存在形態與分布規律以及對晶界特性、再結晶行為、缺陷萌生的影響，建立“雜質元素-微觀組織結構-薄膜沉積性能”之間的多維度構效關系。深入揭示多物理場耦合環境下濺射靶材在熱-力作用下組織的遺傳特性與缺陷演化(如微孔隙、夾雜、異常晶粒長大)規律。發展基于機理模型的組織定向調控與少缺陷精確控制策略，從根本上提升濺射靶材組織的微觀均勻性與批次穩定性[41,42]。相關研究可聚焦兩類技術路徑:優化上游環節的高純原材料制備工藝，革新精煉、提純技術，從源頭上控制雜質引入;調控濺射靶材本體的微觀結構，通過塑性加工與熱處理的精細協同，改善晶粒尺寸、取向與分布。
3.2產業鏈合力攻關濺射靶材加工和檢測關鍵設備
從半導體產業鏈發展的視角看，濺射靶材加工與檢測設備國產化攻關需要依托全產業鏈協同創新平臺。濺射靶材制造企業、精密設備廠商、集成電路制造商共建“材料-設備-工藝”三位一體研發體系，協同突破關鍵設備方面的技術瓶頸。在加工設備方面，建立聯合實驗室，面向關鍵設備核心參數開展技術攻關，開發適配國產濺射靶材特性的工藝參數數據庫。在檢測設備方面，設備企業主導設備開發，濺射靶材企業提供工藝適配性驗證數據，集成電路制造商進行設備可靠性測試，形成“研發-驗證-迭代”閉環優化機制。以產業鏈深度協同的方式，縮短濺射靶材加工和檢測設備的研發周期并提升國產化率，推動建立自主可控的濺射靶材設備技術標準體系，構建“材料設計-設備開發-工藝驗證”的產業生態。
3.3以數智融合驅動濺射靶材研發范式變革
高端濺射靶材方面存在快速迭代的迫切需求，依賴經驗試錯的傳統研發模式難以適應，而需通過數據與智能技術的深度融合來推動研發范式變革。系統開展基于數智融合的超高純金屬濺射靶材多尺度性能調控機制研究，發展集成材料基因工程、多物理場仿真、機器學習算法的智能化研發平臺，建立涵蓋“成分-工藝-組織-性能”全鏈條的關聯模型，支持濺射靶材性能的精準預測與逆向設計。針對性建設濺射靶材專用材料數據庫與知識圖譜，積累并管理原料特性、工藝參數、微觀結構、性能數據;開發融合第一性原理計算、相場模擬、實驗數據的多尺度人工智能(AI)模型，支持濺射過程中晶粒演化、缺陷形成等關鍵機理的深入解析及預測;構建基于機器學習的“成分-工藝”優化系統，應用主動學習等算法進行工藝尋優，顯著降低實驗成本并合理縮短研發周期。
美國桑迪亞國家實驗室的相關工作處于國際前沿，基于PVD技術制備二硫化鉬涂層的實驗數據，引入梯度提升回歸樹的機器學習模型，構建了PVD工藝參數與材料特性之間的高維關聯映射;結合濺射功率、氬氣壓力、基板偏壓、沉積時間、濺射靶材預濺射等關鍵工藝參數，實現涂層密度、硬度、約化模量、化學計量比、厚度等性能指標的精準預測，為二硫化鉬涂層的工藝優化與性能調控提供了高效的量化工具[43]。相關進展對國內高端濺射靶材研發具有深刻的啟示:結合AI的數智融合新材料研發范式，可系統性解決因工藝參數交互復雜、性能調控機理模糊產生的高端濺射靶材研發難題;無需依賴經驗試錯，基于構效關系機器學習模型即可精準預測特定參數下的薄膜性能，從而大幅縮短研發周期并降低實驗成本。數智融合驅動的濺射靶材研發范式，將推動從經驗導向提升至理論預測、數據驅動，成為加速破解高端濺射靶材領域技術難題的關鍵路徑，有助于全面提升國內稀有和稀貴金屬材料領域的性能調控能力與水平，為材料產業的數字化轉型、智能化升級提供有力支撐[44,45]。
3.4聚焦發展前沿布局關鍵領域濺射靶材
半導體產業向先進制程邁進，需要相關濺射靶材的前沿突破與產業化配套。①在邏輯芯片方面，重點布局面向5nm及以下節點的超高純金屬、合金互連材料濺射靶材，開發具有低電阻率、高抗電遷移特性、優異熱穩定性的釕基、鉬基等互連材料濺射靶材，保障集成電路先進制程用濺射靶材的國產替代。開發面向集成電路最先進制程(3nm、2nm)的合金互連材料濺射靶材，搶占下一代芯片制造技術制高點。②在新型存儲與功能器件方面，重點推進磁性存儲用高純高致密鎂氧隧道結濺射靶材、成分均勻的鈷鐵硼磁性濺射靶材的技術研發與產業化，提前布局下一代存儲器技術儲備和材料基礎，為規模化應用提供堅實支撐;面向智能傳感器、微機電系統器件的鋁鈧、釩等特種功能濺射靶材攻關批量制備技術;持續優化先進存儲用高致密度鎢靶的綜合性能。③在關鍵材料體系與核心工藝層面，著力突破高純鉭靶的純度提升與織構精準調控技術、銅靶中納米級夾雜物的深度去除技術以及面向多種濺射靶材的晶粒細化、微觀組織高均勻化、致密化等共性關鍵技術;重點提升釕、鎢、鉬、釩等金屬的高純粉末制備技術以及電子級鉭、鈷等原料的研發與產業化能力，構建覆蓋“原料-濺射靶材-應用”全鏈條的自主供給體系，為我國半導體產業創新發展與產業鏈安全提供材料方面的堅實支撐。
平板顯示朝著微型化、低功耗、柔性化方向演進，需要在前沿濺射靶材體系方面布局技術研發，加快構建自主可控的平板顯示關鍵材料供給體系。①在新型金屬濺射靶材方面，重點攻關Micro-LED顯示技術需要的納米級銅、鉬等金屬濺射靶材，突破高精度濺射成膜與微觀界面控制等瓶頸技術，適應超精細電極結構、微米級像素陣列的制備需求，筑牢下一代顯示技術的材料基礎。②在氧化物濺射靶材方向，開發高遷移率的少銦、無銦氧化物濺射靶材，適應高刷新率、高分辨率顯示對薄膜晶體管性能的嚴苛要求，同時降低對戰略金屬銦的資源依賴，提升產業鏈的安全性。③在產業化層面，加快一批關鍵濺射靶材新品種的開發與應用，包括具備優異黏著性、界面穩定性的銅互連阻擋層材料(如鉬鈦、鉬鉭)，適用于高端顯示的高遷移率IGZO、銦鋅氧化物濺射靶材，滿足柔性顯示需求的銀合金電極濺射靶材，顯著提升鍍膜效率與材料利用率的新型管狀氧化物濺射靶材。
4、我國半導體芯片和平板顯示用濺射靶材產業發展建議
4.1攻關高純度材料提純與加工技術
組建國家級高純金屬材料工程研究中心、區域性中試平臺，實質性突破高端濺射靶材方面的瓶頸技術。集中科研力量與產業資源，重點攻關電子級鉭、鎢、鈷、釕等關鍵戰略金屬的超純冶煉技術，著力解決ppm乃至ppb級雜質元素(特別是氧、碳等非金屬雜質)和堿金屬、放射性元素等痕量金屬雜質的深度去除與微觀均勻分布控制等核心難題。在高端濺射靶材的制備工藝方面，發展高均勻性、低缺陷密度的濺射靶材成型與加工技術，全面優化真空電子束區域精煉、多級真空電弧熔煉、等離子體旋轉電極霧化制粉、熱等靜壓近凈成型等先進工藝路線;建立面向高致密高組織均勻的鉭、鎢等高端濺射靶材，涵蓋“熔煉-制粉-成型-熱處理的高端濺射靶材全流程質量控制體系,確保各個環節的工藝參數與質量指標可追溯、可調控，提高濺射靶材性能的批次一致性與長期穩定性。發揮工程研究中心的技術輻射、中試平臺的成果轉化功能，推動超純材料制備核心技術從實驗室突破加快轉向規模化試制與產業化應用，為高端濺射靶材的自主可控制造筑牢材料基礎，全面提升產業鏈上游的保障能力與技術水平。
4.2深化“產學研用”協同創新機制
構建系統高效、深度融合的“產學研用”協同創新體系，加快高端磁控濺射靶材的技術突破與產業化應用。在協同平臺建設方面，推動高校、科研院所、濺射靶材生產企業、下游用戶端(覆蓋集成電路、平板顯示)建立常態化、制度化的協同創新機制，以共建聯合研發中心、設立產業創新聯盟等形式，推動知識、技術、人才等要素與市場需求的精準對接與相互促進。在關鍵環節協同方面，重點構建“濺射靶材-設備-工藝”一體化聯合實驗室，促進濺射靶材企業、濺射設備商、芯片制造/面板廠商開展深度合作，如聯合研究濺射靶材性能與沉積工藝的匹配性，精準構建“濺射靶材性能-沉積參數-器件良率”多維度關聯模型，加速集成電路先進制程、平板顯示新世代線等前沿領域中高端濺射靶材的應用突破。在知識轉化與共享層面，推動高校、科研院所、下游用戶端企業等共享濺射物理機理及模型、薄膜生長動力學等基礎研究成果以及來自生產一線的濺射靶材失效案例、沉積薄膜缺陷圖譜等，建立配套的開源數據庫與知識共享平臺。針對集成電路、平板顯示用高端濺射靶材的前沿需求，采用“揭榜掛帥”、橫向課題、知識產權共享等機制，激勵企業早期介入并主導應用技術開發，形成“基礎理論探索-應用技術開發-工程工藝優化-量產驗證反饋”無縫銜接且閉環迭代的全鏈條協同創新模式，顯著縮短濺射靶材驗證周期并加速導入下游產線，提升國產高端濺射靶材的生產效率與市場競爭力。
4.3完善產業鏈與標準體系
從上游資源保障、中游生態協同、下游標準引領等方面進行系統布局，加快構建自主可控、安全高效的濺射靶材產業鏈。在上游資源端，重點保障高純金屬原料的穩定供應，加強國內鉭、鈷、鉑、銦等關鍵戰略金屬的資源煉技術攻關，突破雜質深度去除與成分精準調控等瓶頸技術;積極開拓海外多元化資源供應渠道，通過戰略合作、長期協議等方式降低對單一來源的依賴，系統性提升供應鏈韌性與風險應對能力。在產業鏈協同方面，著力整合上游原材料供應鏈，推動“濺射靶材-濺射設備-芯片/顯示器件”的深度融合，鼓勵跨環節技術協作與供需對接，提升產業鏈整體效能;支持龍頭企業通過技術授權、合資建廠等方式參與國際合作，有效突破海外專利壁壘，穩步切入全球高端供應鏈體系。在標準與評價體系層面，支持有研發與產業基礎的高校、企業、科研院所聯合組建國家級濺射靶材權威評價平臺，系統開展濺射靶材性能檢測、可靠性評估、工藝適配性研究;牽頭制定與國際接軌的濺射靶材技術標準、檢測方法與產品質量規范，建立涵蓋純度、微觀組織、缺陷控制、濺射性能等的全維度評價體系，推動濺射靶材產業在技術研發、產品制造、質量管控上的標準化和規范化發展，為國產濺射靶材的國際市場準入、品牌信任度提升筑牢基礎條件。
4.4兼顧人才自主培養與精準引進
針對人才自主培養，可在材料科學與工程、冶金工程、微電子科學與工程等相濺射靶材制備技術、薄膜物理與工程、PVD工藝原理等特色專業課程與研究方向，推動高校與優勢濺射靶材企業、下游應用廠商與生產實訓基地，通過項目制學習、產業導師制等方式，培養既掌握高純材料制備、微觀結構分析與表征、濺射工藝調控等專業知識，又具備產業化視角、工程實踐能力的復合型創新人才。針對人才精準引進，可實施更加開放、更具國際競爭力的人才政策，設立專項引智計劃與科研基金，重點面向在超高純金屬冶金、濺射與近凈成型技術、濺射過程機理與模擬、薄膜界面工程等方向具有深厚造詣的海外深工程師，采取柔性引進、終身科學家等多種方式，實現“精準短”，從而快速彌補國內在濺射靶材基礎理論、核心工藝、前沿技術探索方面的能力短板,為產業創新提供智力支撐。
4.5重塑濺射靶材產業創新生態
系統性重塑濺射靶材產業的創新生態，是提升我國高端濺射靶材產業創新發展與國際競爭力的根本舉措。首要任務是前瞻布局數據基礎設施，構建覆蓋“高純原料-濺射靶材-薄膜-器件性能”的全鏈條、多維度材料數據庫，適時建設國家濺射靶材科學數據中心，為濺射靶材的成分設計、工藝優化、性能預測提供數據支撐能力與公共服務平臺。在此基礎上，推動大數據、AI等信息技術與材料研發的深度融合，構建AI賦能的濺射靶材創新范式:利用機器學習模型精準預測材料“成分-工藝-組織-性能”的復雜構效關系，支持濺射靶材的理性設計與性能優化;通過智能算法實時解析生產數據、優化工藝參數，提升制造過程的穩定性與效率;構建工藝數字孿生系統，在虛擬空間中開展工藝調試與缺陷預測，縮短研發周期并減少試錯成本。推動我國濺射靶材產業從“設備引進-工藝模仿”的跟隨發展模式向“數據驅動-標準引領”的創新范式躍遷，建立以自主數據、核心模型為基礎的新型創新體系，在支持系統性突破當前技術瓶頸的同時，持續孕育前沿技術和顛覆性創新，保障我國濺射靶材產業建立可持續的創新能力與國際市場競爭優勢。
5、結語
本文系統探討了我國高端濺射靶材在半導體芯片、平板顯示兩大核心領域的應用現狀、面臨挑戰、未來發展方向。研究表明，高端濺射靶材作為制備關鍵功能薄膜的核心材料，其純度、微觀組織均勻性、穩定性直接決定了集成電路與平板顯示器的性能、良率與可靠性;盡管國產高端濺射靶材在技術突破與市場應用方面已有良好進展，部分產品實現國產化替代并展現出成本與服務的綜合優勢，但在面向5nm及以下尖端制程、高世代顯示面板等前沿應用時，仍面臨著微觀均質化控制水平不足、制備與檢測關鍵裝備依賴進口、在線監測與智能制造基礎薄弱等嚴峻挑戰，導致部分高端濺射靶材的對外依存度居高不下。
針對這些問題，未來我國高端濺射靶材的發展應聚焦以下方面。在技術研究層面，深化超高純濺射靶材微觀均質化的基礎研究與工藝創新;推動全產業鏈協同攻關，突破加工與檢測裝備瓶頸;充分利用數智融合技術，變革傳統研發范式，提升研發效率與精準度;前瞻布局面向先進制程、Micro-LED、低銦/無銦透明導電材料、高遷移率氧化物半導體等的關鍵濺射靶材體系。在產業發展層面，強化高純材料技術攻關、深化“產學研用”協同、完善產業鏈與標準體系、兼顧人才自主培養與精準引進、重塑數據驅動的創新生態，以系統性的舉措推動構建自主可控、安全高效的高端濺射靶材產業體系。
推動高端濺射靶材的全面突破與持續升級，是實現關鍵材料自主可控的國家戰略需求，支撐我國電子信息產業邁向全球價值鏈高端、保障產業鏈供應鏈安全的核心戰略任務之一。未來研究可進一步關注極端條件下濺射靶材性能演變、芯片新型異構集成架構對濺射靶材的需求、濺射靶材全生命周期碳足跡評估等前沿議題。
參考文獻
[1]侯潔娜,陳穎,趙聰鵬,等.濺射靶材在集成電路領域的應用及市場情況[J].中國集成電路,2023,32(7):23-28.
[2]何金江，呂保國，賈倩，等.集成電路用高純金屬濺射靶材發展研究[J].中國工程科學,2023,25(1):79-87.
[3]劉文迪.集成電路用鎢濺射靶材制備技術的研究進展[J].中國鎢業,2020,35(1):36-41.
[4]郭雨.高純銅錳合金濺射靶材用板材退火過程中微觀組織和織構演變[D].重慶:重慶大學(碩士學位論文),2016.
[5]Li J, An Q R, Fang H S. Monte Carlo simulation of deposition uniformity in the triple-target magnetron co-sputtering system[J].Applied Surface Science, 2024, 646: 158914.
[6]何金江，賀昕，熊曉東，等.集成電路用高純金屬材料及高性能濺射靶材制備研究進展[J].新材料產業,2015(9):47-52.
[7]Kim J S, Kim J, Yang D J, et al. Addressing interconnect challenges for enhanced computing performance[J]. Science, 2024,386(6727):6189.
[8]Moon J H, Jeong E, Kim S, et al. Materials quest for advanced interconnect metallization in integrated circuits[J]. Advanced Science,2023,10(23):2207321.
[9]祝佳林,劉施峰,曹宇,等.交叉軋制周期對高純Ta板變形及再結晶梯度的影響[J].金屬學報,2019,55(8):1019-1033.
[10]祝佳林，鄧超，柳亞輝，等.預退火對純鉭再結晶行為的影響[J].電子顯微學報,2018,37(6):607-614.
[11]周友平,姚力軍,廖培君,等.軋制鉭靶材與粉末冶金鉭靶材晶粒晶向對比[J].冶金與材料,2024,44(3):46-48.
[12]鄭金鳳,扈百直,楊國啟,等.高純鉭濺射靶材制備工藝進展[J].湖南有色金屬,2016,32(4):54-56,80.
[13]Ghate P B. Aluminum alloy metallization for integrated circuits[J].Thin Solid Films,1981,83(2):195-205.
[14]張墅野,初遠帆,李振鋒,等.“后摩爾時代”芯片互連方法簡析[J].材料導報,2023,37(15):121-130.
[15]張思勉,鄧曉楠,王宇祺,等.后摩爾時代芯片互連新材料及工藝革新[J].中國科學:化學,2023,53(10):2027-2067.
[16]楊超,曾墩風,張信征,等.高純銅濺射靶材的發展現狀[J].中國金屬通報,2024(17):1-3.
[17]董亭義,萬小勇,章程,等.磁控濺射鈦靶材的發展概述[J].金屬功能材料,2017,24(5):57-62.
[18]張衛剛,李媛媛,孫旭東,等.半導體芯片行業用金屬濺射靶材市場分析[J].世界有色金屬,2018(10):1-3.
[19]李劍,王廣達,熊寧,等.半導體用難熔金屬靶材研究現狀與展望[J].粉末冶金技術,2025,43(5):593-600.
[20]劉寧,楊輝,姚力軍,等.集成電路用大尺寸高純鉭靶材的制備工藝進展[J].集成電路應用,2018,35(2):24-28.
[21]李仲香,楊國啟,陳學清,等.濺射鉭靶材用高純鉭粉工藝研究[J].材料開發與應用,2017,32(3):67-72.
[22]韓思聰,徐國進,羅俊鋒,等.集成電路用高純鎳鉑靶材的制備及發展趨勢[J].功能材料與器件學報,2022,28(6):499-503.
[23]徐國進,韓思聰,朱孜毅,等.熱處理制度對高純鈷微觀組織及磁性能的影響[J].金屬熱處理,2024,49(4):61-65.
[24]申璐,鄧啟煌.電子行業用高純鎢制備技術[J].中國科技信息,2019(14):53-54.
[25]Liu M, Yang J X, Wang Y D, et al. Fabrication of ultrafine-grained Cu-Mn alloy with uniform microstructure and high mechanical properties[J]. Materials Characterization, 2023, 205:113270.
[26]Zhan J L, Wang H L, Wang H L,et al. Preparation of high-density and excellent bending strength pure tungsten target by hot oscillatory pressing sintering and its magnetron sputtering coating[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2024,123:106773.
[27]仝連海,鐘偉攀,李鳳連.高純濺射靶材回收研究現狀[J].中國有色冶金,2024,53(1):61-67.
[28]賈國斌,馮寅楠,賈英.磁控濺射用難熔金屬靶材制作、應用與發展[J].金屬功能材料,2016,23(6):48-52.
[29]陳艷芳，謝敬佩，王愛琴，等.鉬及鉬合金濺射靶材的研究現狀與發展趨勢[J].粉末冶金技術,2018,36(5):393-398.
[30]常天海,孫凱.ITO薄膜的磁控濺射工藝優化研究[J].真空科學與技術學報,2009,29(3):324-327.
[31]姜鶴,王東新,王燕昌,等.ITO靶材的毒化機理研究現狀[J].湖南有色金屬,2012,28(1):46-50.
[32]Liu S H, Chen J, Sun B S, et al. Evolution of microstructure of IGZO ceramic target during magnetron sputtering[J]. Ceramics International,2022,48(6):7500-7511.
[33]劉仁智.TFL-LCD純鉬靶材制備及濺射性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(博士學位論文),2014.
[34]Park J, Riaz H, Kim H, et al. Advanced cover glass defect detection and classification based on multi-DNN model[J]. Manufacturing Letters,2020,23:53-61.
[35]潘亞飛,黃蕾,張久興.濺射用難熔金屬靶材的制備及再制造工藝研究進展[J].中國粉體技術,2025,31(5):39-52.
[36]黃志民.退火工藝對WTi10靶材組織及純度的影響[J].粉末冶金技術,2021,39(3):274-279.
[37]Bian Y J, Cha M Y, Chen L,et al. Correlation between the formation of particle defects on sputtered Cu seed layers and Cu targets[J]. Micro& Nano Letters, 2019, 14(10): 1079-1082.
[38]Zhao X Y, Yuan J P, Zhou X, et al. Effects of grain size, dislocation density, and texture type on the etching behavior of Cu target in magnetron sputtering process[J]. Surface Topography: Metrology and Properties,2025,13(2):025018.
[39]劉春軒,梁啟文,伍小波,等.常壓與熱壓燒結工藝對合金靶材結構與性能的影響[J].材料科學,2022(1):7-24.
[40]慕慧娟,丁明磊,彭思凡.我國濺射靶材自主可控發展的經驗及啟示[J].科技中國,2023(7):1-6.
[41]Qin S Y, Meng X, Fang Y Q,et al. Deep electrochemical purification of high arsenic-bearing copper refined electrolyte[J]. Journal of Sustainable Metallurgy,2023,9(1):398-407.
[42]Custer J O, Kalaswad M, Kothari R S,et al. Sputter-deposited Mo thin films: Characterization of grain structure and Monte Carlo simulations of sputtered atom energies and incidence angles[J].Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 2025, 14(1):40-52.
[43]Vogel D J, Babuska T F, Mings A, et al. Harnessing machine learning to predict MoS2 solid lubricant performance[J]. Tribology Letters,2025,73(1):23.
[44]Xu H, Wu W C, Chen Y T, et al. Explicit relation between thin film chromatography and column chromatography conditions from statistics and machine learning[J]. Nature Communications,2025,16:832.
[45]Ren D, Wang C C, Wei X L, et al. Building a quantitative composition-microstructure-property relationship of dual-phase steels via multimodal data mining[J]. Acta Materialia, 2023, 252:118954.
（注，原文標題：我國高端磁控濺射靶材應用現狀及發展方向）
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