マグネトロンスパッタリングターゲット材料の開発

- Nov 07, 2018-

マグネトロンスパッタチタンターゲット材の開発


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近年、電子情報分野における重要な機能膜材料として、中国の集積回路、フラットパネルディスプレイ、太陽エネルギー産業の急速な発展に伴い、高純度のチタンが急速に増加している。 マグネトロンスパッタリング技術(PVD)技術は、薄膜材料の製造のための重要な技術の1つである。 高純度チタンスパッタリングターゲットは、マグネトロンスパッタリングプロセスにおける主要な消耗品であり、幅広い市場適用の見通しを有している。 高付加価値コーティング材料として、チタンターゲットは、化学純度および微細構造の点で厳しい要件を有する。 それは高い技術的内容と困難な処理を持っています。 中国のターゲット製造企業は、ハイエンドターゲット製造の分野で比較的遅れて開始した。 原材料の純度は比較的低く、組織制御やプロセス成形などのコアプロセス技術には一定のギャップがあります。 下流のハイエンド用途では、高性能チタンスパッタリングターゲットの開発は、電子情報産業における主要な材料の独立した研究開発を実現するための重要な措置であり、チタン産業のハイエンド。

 

チタンターゲットアプリケーションと性能要件

マグネトロンスパッタリングTiターゲットは、集積回路用の装飾コーティング、フラットパネルディスプレイ、ガラス装飾コーティングやホイール装飾コーティングなどの家庭用改善自動車産業など、エレクトロニクスおよび情報産業で主に使用されています。 異なる産業は、純度、微細構造、溶接性能、および寸法精度を含む、Tiターゲットの要件が異なります。 具体的な要件は次のとおりです。

1)純度:非集積回路:99.9%; 集積回路用:99.995%、99.99%。

2)微細構造:非集積回路の場合:平均粒径が100μm未満である。 集積回路用:平均粒径が30μm未満であり、超微粒平均粒径が10μm未満である。

3)はんだ付け性能:非集積回路の場合:ろう付け、モノマー; 集積回路用:モノマー、ろう付け、拡散はんだ付け。

4)寸法精度:非集積回路:0.1mm。 積分回路:0.01mm。

1.1集積回路用Tiターゲット

集積回路のTiターゲットの純度は主に99.995%より高く、主に輸入に依存しています。 2013年には、中国のIC産業は2,048億元の売上高を達成し、輸入は2,313億ドルに達し、初めて中国で最大の輸入商品となった。 2014年には、集積回路産業の売上高は2672億元であり、輸入量は2,176億ドルに達しました。 集積回路のターゲットは、グローバルターゲット市場の大きなシェアを占めています。

Tiターゲット原料:高純度Tiの生産は、主に米国、日本および米国のハネウェル、日本の東邦、日本の大阪チタン産業などの他の国に集中している。 2010年北京非鉄金属研究所、Zunyiチタン、寧波Chuangrunは、国内の高純度のTi製品を順次発売したが、製品の安定性はまだ改善されていない。

Tiターゲットの構造開発:初期のチップファンドリーは主に100〜150mmのマグネトロンスパッタリング装置を使用し、利益率が高く、パワーが小さく、スパッタ膜が厚く、チップサイズが大きく、シングル目標は大きいです。 当時の機械の使用要件を満たすことができます。 その時、集積回路用のTiターゲットは、典型的には3180型および3290型ターゲットのような100-150mm単量体および複合ターゲットであった。 第2段階では、ムーアの法則によれば、チップ線幅が狭くなっている。 チップファンドリーは主に150-200mmのスパッタリング装置を使用しています。 利益率を上げるためには、機械のスパッタリングパワーが増加し、ターゲットサイズを増加させる必要がある。 同時に、高い熱伝導率、低価格および特定の強度を維持する。 この期間、Tiターゲットは、典型的なTN、TTNタイプ、Endura 5500タイプおよび他のターゲットのようなアルミニウム合金の背面板拡散溶接および銅合金の背面板ろう付けおよび溶接で主に構成されている。 第3段階では、集積回路の発展に伴い、チップ線幅がさらに狭くなっている。 この時、チップファンドリーは主に200-300mmのスパッタリング装置を使用しています。 利益マージンをさらに増加させるために、機械のスパッタリングパワーが増加し、ターゲットを必要とする。 高い熱伝導率と十分な強度を維持しながらサイズを大きくします。 この期間中、Tiターゲットは、主流のSIPタイプのターゲットのような、銅合金のバックプレート拡散溶接を中心としている。

Tiターゲットの加工と製造:初期の国内外の市場は、米国や日本などの大手ターゲットメーカーによって独占されていた。 2000年以降、国内の製造業は徐々に目標市場に参入し、ローエンドの目標を処理するために高純度のTi原料を輸入し始めた。 近年、国内のTiターゲット製造企業は急速に発展しており、市場シェアは台湾、欧州、米国などに徐々に拡大しています。YanyijinとJiangfeng Electronicsの2社が長年ターゲット製造に注力しています。 国内のターゲット製造メーカーはまた、国内の集積回路マグネトロンスパッタリング産業の発展を促進するためのターゲットを開発するために、国内のマグネトロンスパッタリング装置製造業者と協力している。

1.2フラットパネルディスプレイ用Tiターゲット

フラットパネルディスプレイは、液晶ディスプレイ(LCD)、プラズマディスプレイ(PDP)、エレクトロルミネセンスディスプレイ(EL)及び電界放出ディスプレイ(FED)を含む。

現在、液晶ディスプレイのLCD市場は、90%以上のシェアを持つフラットパネルディスプレイ市場で最大の市場です。 LCDは、最も有望なフラットパネルディスプレイデバイスであると考えられ、その外観はディスプレイの適用範囲を大幅に拡大している。 ノートブックモニター、デスクトップモニター、高精細LCD TV、モバイル通信など、さまざまな新製品が影響を与えています。 人々の生活習慣と世界の情報産業の急速な発展を促進する。 TFT-LCD技術は、マイクロエレクトロニクス技術と液晶技術を組み合わせた技術です。 フラットディスプレイの主流技術となっており、AL-Mo、AL-Ti、Cu-Moなどのプロセスに分かれています。

フラットパネルディスプレイのフィルムは、主にスパッタリングによって形成される。 Al、Cu、Ti、Moなどのターゲットはフラットパネルディスプレイの主な金属ターゲットであり、フラットパネルディスプレイのTiターゲットの純度は99.9%を超えます。 この原材料は中国で製造することができます。 TFT-LCD6世代ラインの平面Tiターゲットのサイズは比較的大きく、銅合金の水冷バッキングプレートターゲットを使用し、CLPパンダを使用しています。

現在、中国独自の世界最高水準の生産ラインである合肥10.5世代ラインは、月産9万枚、ガラス基板サイズ3370×2940mmの大容量超高精細液晶ディスプレイを中心に生産しています40億元、2018年の投資年間の第2四半期、スパッタリングマシンと対応する技術とターゲットの使用はまだ不確実です。

2マグネトロンスパッタリングTiターゲット作製技術

この製造方法によれば、Tiターゲットの原料調製技術は、電子ビーム溶融製錬(略称EBブランク)と、真空消費型電気炉溶融製錬ブランク(略称:VAR)ブランクの2つに分類することができる。 ターゲットの製造プロセスでは、材料の純度、密度、結晶粒の大きさ、結晶方位の厳密な制御に加えて、ターゲットの品質を保証するために、熱処理プロセス条件およびその後の成形プロセスを厳密に制御する必要があります。

高純度Ti原料では、Tiマトリックス中の高融点不純物元素は、通常、溶融電気分解により除去され、真空電子ビーム溶融によってさらに精製される。 真空電子ビーム溶融は、金属表面に高エネルギーの電子ビームを照射することであり、金属が溶融するまで徐々に温度が上昇する。 蒸気圧の大きい元素は優先的に揮発し、蒸気圧の小さい元素は融液に残り、不純物元素と母材は蒸気圧の差が大きいほど浄化効果が良い。 溶融後の真空精製は、他の不純物を導入することなくTiマトリックス中の不純物元素を除去するという利点を有する。 したがって、高真空環境(10 -4以上)で電子ビームにより99.99%の電解Tiを溶製すると、原料中の飽和蒸気圧が飽和蒸気よりも高い不純物元素(Fe、Co、Cu) Ti元素自体の圧力が優先的に揮発する。 マトリックス中の不純物の含有量は、精製の目的を達成するために低減される。 これら2つの方法を組み合わせることにより、純度99.995以上の高純度金属Tiを得ることができる。

99.9%のTi原料の純度については、0段階のスポンジTiを真空消耗型電気炉内で精錬した後、熱間鍛造したブランクを使用して小さなブランクを形成する。 この2つの方法で製造された金属Ti原料は、熱機械的変形によって制御されてスパッタリング表面全体の微細構造を制御し、機械加工、結合、クリーニングおよびパッケージングプロセスによって集積回路を処理するマグネトロンスパッタリングTiターゲットに加工される。 300mm機械に特に高い要求を有するTiターゲットの場合、予備包装前のターゲットのスパッタリング表面もまた予備スパッタリングされて、スパッタリング装置に取り付けられたターゲットの目標時間(燃焼時間)を短縮する。

集積回路Tiターゲットの製造方法によって製造されるターゲットは、プロセスが複雑であり、コストが比較的高い。

3.Tiターゲットの技術要求

堆積膜の品質を保証するためには、ターゲットの品質を厳密に制御しなければならない。 多数のプラクティスの後で、Tiターゲットの品質に影響する主な要因は、純度、平均粒径、結晶方位および構造均一性、形状およびサイズを含む。

 

3.1純度

Tiターゲットの純度は、スパッタリングされた膜の特性に大きな影響を及ぼす。

Tiターゲットの純度が高いほど、スパッタリングされたTi膜中の不純物元素粒子が少なくなり、耐食性および電気的および光学的特性を含む良好な膜特性が得られる。 しかしながら、実際の用途では、Tiターゲットの異なる用途は異なる純度要件を有する。 例えば、一般的な装飾塗装用のTiターゲットは、純度の面で重要ではなく、Tiターゲットは、集積回路やディスプレイ本体などの分野でははるかに高い純度が要求される。 ターゲットはスパッタリングの陰極源として機能し、材料中の不純物元素および気孔含有物が堆積膜の主な汚染源である。 気孔含有物は、基本的にインゴットの非破壊試験中に除去される。 除去されない細孔は、スパッタリングプロセス中に先端放電現象(アーク放電)を引き起こし、これが膜の品質に影響を及ぼす。 不純物元素の含有量は、完全な元素でのみ分析することができます。 試験結果は、全不純物含有量が低いほど、Tiターゲットの純度が高いことを示している。 初期の段階では、国内外のTiターゲットメーカーの要求に基づく、高純度のチタンスパッタリングターゲットの基準は中国にありませんでした。 2013年以降、標準的な「YS / T893-2013高純度電子フィルム用チタンスパッタリングターゲット」が発行されました。 三つの純度のTiターゲットの異なる不純物含量および全不純物含量の要件が特定されている。 この規格は、カオチンTiターゲット市場の純度要件を徐々に標準化しています。

3.2平均粒径

通常、Tiターゲットは多結晶構造を有し、粒度はマイクロメートルからミリメートルのオーダーであり得る。 微細な結晶ターゲットは、粗大粒子ターゲットよりもスパッタリング速度が速く、スパッタリング表面の結晶粒径の差が小さいターゲットが飛び散る。 堆積膜の厚さ分布も比較的均一である。 チタンターゲットの粒径を100μm未満に制御し、粒径の変化を20%以内に抑えることにより、スパッタリングにより得られる膜の品質を大幅に向上させることができることが判明した。 集積回路用のTiターゲットの平均粒径は、一般に30μm以内であることが必要であり、Tiターゲットの平均粒径は10μm以下である。

 

3.3結晶方位

金属Tiは最密充填六方晶構造であり、Tiターゲット原子はスパッタリングで最も原子配列が近い方向に優先的にスパッタされるため、ターゲットの結晶構造を変化させる方法は、最も高いスパッタリング速度を達成する。 スパッタ率を上げる。 現在、集積回路Tiターゲットスパッタリング表面{1013}結晶面族の大部分は60%以上であり、異なる製造業者によって製造されたターゲットの結晶方位はわずかに異なり、Tiターゲットの結晶方位はスパッタされたフィルム層の厚さ。 その影響も大きい。 フラットディスプレイおよび装飾コーティングのフィルムサイズは比較的厚いので、対応するTiターゲットの粒子配向要件は比較的低い。

 

3.4構造的均一性

構造的均一性はまた、ターゲットの品質を調べるための重要な指標の1つです。 Tiターゲットには、ターゲットのスパッタリング面だけでなく、法線方向成分、スパッタリング面の結晶方位、平均結晶粒径の均一性が要求される。 このようにして、Tiターゲットは、均一な厚さ、信頼性の高い品質、均一な粒度を有するTi膜を同時期に得ることができる。

 

3.5幾何学と寸法

処理サイズ、表面の平坦度、粗さなどの加工精度と加工品質に主に反映されます。 取り付け穴角度偏差が大きすぎると、正しく取り付けられません。 厚さが薄いとターゲットの寿命に影響します。 シール面とシール溝のサイズが粗すぎるため、ターゲット設置後に真空に問題が発生し、深刻な水漏れの原因となります。 表面の粗面化処理は、ターゲットの表面を凸状の先端部でいっぱいにすることができる。 先端効果の作用の下で、これらの隆起した先端部の電位が大きく上昇し、それによって誘電体放電が破壊されるが、過剰な突出はスパッタリングのためである。 品質と安定性は好ましくありません。

 

3.6溶接継手

現在、Ti / Al異種金属拡散溶接研究の多くの論文があります。 一般に、高融点チタンおよび低融点アルミニウム材料の拡散溶接は、主に、一方向または二方向圧力または熱等方性の真空拡散接合技術に基づいている。 圧力技術は、チタンおよびアルミニウム金属材料の高圧中低温直接拡散接続を実現する。 Ti / CuおよびCu合金溶接の国内メーカーは多くありますが、研究論文はほとんどありません。

4、Tiターゲットの見通し

グローバルなターゲット製造拠点はアジアに急速に集まっています。 国内の半導体集積回路、フラットパネルディスプレイ、装飾用コーティングなどのハイテク産業の急速な発展に伴い、中国のターゲット市場が拡大しており、徐々に薄膜ターゲットの需要が世界最大になっています。 開発には機会と課題があります。

近年、集積回路産業基金、国家科学技術大プロジェクト(01、02、03)と地方資金のリーダーシップの下で、集積回路産業への投資は熱いと言えるでしょう。 統計によると、2015年から2016年までの2年間に国内では、建設中または予定されているウェーハ製造ラインは、300mm、18mm、200mm20、150mmの44本の生産ラインがあると発表しました。 この巨大な市場の需要に支えられ、ターゲット産業は中国の関連研究機関や企業の注目を集め、人的資源、財源に投資して磁気的に制御されたスプラッシュターゲットを開発し生産する。

ターゲット分野の独特な枝として、Tiターゲットは、半導体のAlプロセスおよびCuプロセスの両方で使用され、液晶ディスプレイ産業および装飾コーティング産業において広く使用されている。 現在、研究開発やTiターゲットの生産のための基地は、主に北京、広東、江蘇、浙江、甘粛に集中している。 目標の原材料純度、生産設備、プロセス研究開発技術の限界のために、中国のTiターゲット製造業界は未だに初期段階にある。 国内のTiターゲット生産企業は、基本的に品質と技術が低く、伝統的な加工方法を使用し、勝つために価格に頼っている。 低品位のスパッタリングターゲット製造業者、または限られたコストの鋳物工場。 生産規模は小さく、品種は単一であり、技術はまだ不安定です。 現在のところ、中国(台湾、中国を含む)は、Yanyijin、Jiangfeng Electronicsなどターゲットを生産する数少ない専門企業しかなく、Tiターゲットを遠くに生産している。 市場開発のニーズを満たすのに比べて、海外から多くのTiターゲットを輸入する必要があります。 高純度金属Tiターゲットの原料は既にブレークスルーを達成していますが、そのほとんどは輸入に依存しています。

特殊用途材料として、Tiターゲットは強い用途と明確なアプリケーションの背景を持っています。 金属Tiからの剥離のための冶金浄化技術、EB真空溶解技術、Tiインゴットの非破壊検査技術、高純度Tiの不純物分析技術、Tiターゲットの調製技術、スパッタリング装置の準備技術、スパッタリングプロセスおよび膜性能試験技術Tiターゲット自体の研究は意味をなさない。 Tiターゲットの開発と製造、その後のアプリケーションの改良は、上流の原材料から工業用の中流機器メーカー、ターゲットメーカーの開発と下流のTiターゲットコーティングチップまで、業界全体のチェーンを必要とします。 Tiターゲットの性能とスパッタされたフィルムの特性との間の関係は、適用要件を満たすフィルム特性を得る上で有益であり、ターゲットのより良い使用、その効果を十分に発揮し、ターゲット産業。

現在、中国では集積回路業界が活況を呈しています。 機会と挑戦が共存する。 ターゲット製造、フィルム製造、テスト装置をローカライズする機会を奪うことができなければ、中国と国際レベルのギャップは確実に大きくなるでしょう。 外国人投資家の国内市場を取り戻すことができないだけでなく、国際市場で競争することもできます。