引言

磁控濺射靶材(簡稱濺射靶材)是物理氣相沉積(PVD)技術(shù)應用中的關(guān)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(lǐng)域，對純度(≥99.999%)、微觀組織均勻性、缺陷密度、穩(wěn)定性等均有極端要求的濺射靶材產(chǎn)品[1-3]，是支撐電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)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(shù)。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(yōu);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(qū)域的濺射速率較低，將導致薄膜沉積出現(xiàn)“山峰效應”，形成微觀臺階狀起伏，可能引發(fā)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(yōu)化已從單純尺寸控制發(fā)展到包括晶粒取向、分布均勻性、界面特性在內(nèi)的系統(tǒng)調(diào)控，而晶粒細化與組織均勻化作為高純?yōu)R射靶材制備的關(guān)鍵技術(shù)，涉及的工藝復雜度與成本控制仍是研發(fā)挑戰(zhàn)。

在半導體芯片制造領(lǐng)域，制程節(jié)點持續(xù)向5nm、3nm以及更小尺度微縮，對關(guān)鍵薄膜材料的性能要求逼近了物理極限。在互連系統(tǒng)方面，銅互連在亞5nm節(jié)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(jié)構(gòu)均勻性，以保障電子傳輸效率與界面穩(wěn)定性。在阻擋層材料領(lǐng)域，鉭、鈦等傳統(tǒng)材料需在2~3nm的極端厚度下保持無缺陷的連續(xù)性、優(yōu)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(qū)動了濺射靶材制備新技術(shù)和新工藝的持續(xù)創(chuàng)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(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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(lǐng)域，顯示技術(shù)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(chǎn)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(shù)個平方米的基板范圍內(nèi)實現(xiàn)膜厚波動小于3%的極致均勻性。8K分辨率、微型發(fā)光二極管(Micro-LED)等成為平板顯示的發(fā)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(wěn)定的電學與力學性能。

上述來自下游產(chǎn)業(yè)的迫切需求，凸顯了高端濺射靶材在基礎(chǔ)機理研究、制備工藝創(chuàng)新、器件應用驗證等方面面臨的極端復雜性和戰(zhàn)略重要性。只有實施全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)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(lǐng)域的苛刻要求。為此，本文聚焦高端濺射靶材，重點選取技術(shù)門檻最高、戰(zhàn)略性價值最為顯著的半導體芯片和平板顯示兩大應用領(lǐng)域開展應用剖析。面向高端濺射靶材的技術(shù)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(chǎn)業(yè)策略，為高端濺射靶材方面的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)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(xiàn)狀

半導體芯片、平板顯示產(chǎn)業(yè)作為高端濺射靶材最主要的應用領(lǐng)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(cè)重，共同構(gòu)成了高端濺射靶材技術(shù)體系的完整圖譜。

1.1半導體芯片用濺射靶材的應用現(xiàn)狀

半導體芯片制造朝著微小化、三維化、異質(zhì)集成方向發(fā)展，對濺射靶材的性能要求持續(xù)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(huán)節(jié)，相關(guān)材料體系隨著技術(shù)節(jié)點演進在迭代優(yōu)化。①在互連材料方面，經(jīng)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(jié)點，鋁及鋁合金是主流的互連材料。進入90nm節(jié)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(jié)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(zhàn)[19-21]。②在接觸層材料方面，從早期的鈦硅化物、鈷硅化物發(fā)展到65nm節(jié)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(wěn)定性[22,23]。③在金屬柵極材料方面，45nm節(jié)點引入高介電常數(shù)金屬柵結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)金屬功函數(shù)層與高介電常數(shù)介質(zhì)的界面特性來實現(xiàn)閾值電壓的精準調(diào)控。④鎢及鎢硅合金具有低電阻、高抗電子遷移性、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、良好的界面結(jié)合性，成為制造半導體存儲器的關(guān)鍵材料，主要承擔兩類功能:在晶體管結(jié)構(gòu)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(xiàn)高效導電、高深寬比結(jié)構(gòu)填充，可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域，高純金屬基濺射靶材的國產(chǎn)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(jié)點，新疆眾和、有研億金、江豐電子等國內(nèi)品牌實現(xiàn)5N5級原料及濺射靶材的批量供應，在12in產(chǎn)線上占據(jù)主要份額。②高純銅及銅合金濺射靶材是90~5nm節(jié)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(shù)掌握7N級銅濺射靶材量產(chǎn)技術(shù)的國內(nèi)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(nèi)廠商可以穩(wěn)定供應14nm及以上節(jié)點用5N級產(chǎn)品。④高純鉭濺射靶材是銅互連的關(guān)鍵阻擋層材料，相關(guān)產(chǎn)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(yè)、有研億金、江豐電子等國內(nèi)品牌突破了5N5到6N級鉭材及濺射靶材制備技術(shù)并為90~5nm制程節(jié)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(jié)點鎳鉑合金逐步取代純鈷，日系企業(yè)仍具有優(yōu)勢，但有研億金等國內(nèi)品牌已通過相關(guān)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(yè)在5N級粉體及濺射靶材方面保持技術(shù)領(lǐng)先，廈門鎢業(yè)、章源鎢業(yè)等國內(nèi)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(guān)鍵材料，有研億金、長沙高創(chuàng)稀土等國內(nèi)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(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈上游環(huán)節(jié)的脆弱性。關(guān)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(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)面臨發(fā)展風險，而且在基礎(chǔ)材料層面制約著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿ΑＴ牧系奶峒兝碚撆c技術(shù)創(chuàng)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(chǎn)濺射靶材隨著制造技術(shù)的成熟與優(yōu)化，已在成本控制、基礎(chǔ)性能方面展現(xiàn)出行業(yè)性的比較優(yōu)勢[25,26]。國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)進入了規(guī)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(xù)上升，直接驅(qū)動半導體濺射靶材市場的快速增長。預計再通過數(shù)年努力，國產(chǎn)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(chǎn)業(yè)自主發(fā)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(guī)模可達7.2億美元。

1.2平板顯示用濺射靶材的應用現(xiàn)狀

平板顯示領(lǐng)域常用的濺射靶材按形狀分為平面靶、旋轉(zhuǎn)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(fā)展，顯示面板產(chǎn)業(yè)成為近年來成長最為迅速的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)線從4.5代逐步升級到11代，對上游關(guān)鍵材料濺射靶材的要求不斷提高。相關(guān)市場主要被美國和日本企業(yè)壟斷，如攀時、世泰科、賀利氏、愛發(fā)科、住友化學、JX金屬等國際品牌占據(jù)主導地位。

受益于國家戰(zhàn)略支持和下游應用推廣，國內(nèi)企業(yè)開發(fā)了適應高世代液晶顯示面板需求的濺射靶材，部分產(chǎn)品已具有規(guī)模化生產(chǎn)能力。依托有利的產(chǎn)業(yè)政策導向、良好的產(chǎn)品價格優(yōu)勢，開展研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化，積極參與國際市場競爭，國產(chǎn)平面顯示用濺射靶材已在國內(nèi)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(chǎn)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(chuàng)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(chǎn)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(lián)光電材料有限責任公司生產(chǎn)的平面ITO濺射靶材通過了約10條平板顯示產(chǎn)線的應用測試。后續(xù)，平板顯示用濺射靶材的生產(chǎn)工藝水平將不斷提升，國產(chǎn)平板顯示用濺射靶材市場仍具有良好的成長空間，國產(chǎn)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

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(shù)水平，國產(chǎn)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(lǐng)先水平存在明顯差距(見表2)[19,36-39]。鐵、鎳、銅等金屬雜質(zhì)元素含量易受生產(chǎn)條件波動的影響，導致薄膜的電學性能不穩(wěn)定。非金屬雜質(zhì)特別是氧含量控制是關(guān)鍵難點，氧元素偏高易致濺射過程中產(chǎn)生顆粒甚至異常放電。濺射靶材內(nèi)部的微觀氣孔、夾雜等缺陷直接影響濺射的穩(wěn)定性，易引發(fā)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(chǎn)生缺陷。相關(guān)設(shè)備的精度和過程控制能力有限，致使濺射靶材產(chǎn)品性能的批次穩(wěn)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(shè)備自主保障能力不足

高端濺射靶材的制備與質(zhì)量控制在很大程度上依賴高精度的專用裝備，而國內(nèi)在此方面存在明顯的短板[1,2,40]，不僅提高了設(shè)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(fā)周期，而且對供應鏈安全構(gòu)成潛在風險。在濺射靶材制備設(shè)備方面，電子束熔煉爐的功率穩(wěn)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(shè)備(±5℃)存在差距，影響濺射靶材致密度(國產(chǎn)產(chǎn)品為98.2%，進口產(chǎn)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(shè)備依賴進口，等離子體質(zhì)譜儀(檢測限為0.01ppb)90%由國外廠商供應，導致原材料雜質(zhì)檢測周期延長30%以上;碳硫分析儀(精度為±0.1ppm)進口數(shù)量占比為85%，氮氧氫聯(lián)測儀(精度為±0.5ppm)進口數(shù)量占比超過95%，輝光放電質(zhì)譜儀完全依賴進口，制約了新型合金濺射靶材的研發(fā)進度。

2.3在線檢測手段缺乏導致智能制造轉(zhuǎn)型困難

濺射靶材加工的生產(chǎn)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(chǎn)周期，還導致產(chǎn)品批次間性能波動大、良率偏低，對實施智能化制造構(gòu)成明顯制約。高效傳感器、智能分析系統(tǒng)缺乏，導致生產(chǎn)過程高度依賴后期的離線檢測(如掃描電鏡、質(zhì)譜儀)，需要依靠人工經(jīng)驗實施調(diào)整。關(guān)鍵工藝參數(shù)的在線實時監(jiān)測手段缺失，生產(chǎn)過程中存在控制盲區(qū)，突出表現(xiàn)在:微觀組織演變(如晶粒尺寸分布、晶界特性及織構(gòu)取向的動態(tài)變化)和純度波動(氣體雜質(zhì)及痕量金屬元素)實時監(jiān)測能力薄弱，內(nèi)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(zhì)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(xù)跟蹤，焊接結(jié)合率動態(tài)(如異質(zhì)焊接界面的熱應力分布、結(jié)合強度演變)無法進行實時評估，熱處理相變行為(如再結(jié)晶狀態(tài)、透磁率)難以實時調(diào)控。

國內(nèi)約80%的濺射靶材生產(chǎn)企業(yè)仍沿襲多品種、小批量的生產(chǎn)模式，如平均生產(chǎn)批量小于50件，單個新產(chǎn)品開發(fā)周期內(nèi)僅能積累3~5批次工藝數(shù)據(jù)。這種生產(chǎn)模式源于下游定制化需求高，導致數(shù)據(jù)基礎(chǔ)極為薄弱，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)量不足(有限批次難以覆蓋工藝參數(shù)的全域變化)、數(shù)據(jù)碎片化(多個品種切換形成“數(shù)據(jù)孤島”而阻礙知識遷移)、智能化轉(zhuǎn)型瓶頸(數(shù)據(jù)匱乏加大數(shù)字孿生模型構(gòu)建難度，機器學習算法無法有效優(yōu)化工藝)。這些不足制約了濺射靶材產(chǎn)業(yè)向高效、高質(zhì)、柔性化生產(chǎn)模式的升級，如當前國內(nèi)濺射靶材企業(yè)的智能化滲透率不足30%，生產(chǎn)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(guān)鍵金屬材料國內(nèi)外水平對比

3、我國半導體芯片和平板顯示用濺射靶材的重點發(fā)展方向

3.1開展超高純?yōu)R射靶材成分與組織的微觀均質(zhì)化研究

超高純金屬濺射靶材的最終性能與其微觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)等密切相關(guān)，而這些特征本質(zhì)上來源于材料在制備成型及后續(xù)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(nèi)對多場耦合作用下材料動態(tài)演化機理的基礎(chǔ)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(jīng)驗與工藝試錯，缺乏系統(tǒng)的理論指導以及關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)的有效積累;導致國產(chǎn)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(shù)情況下仍處于跟蹤研究、仿制為主的被動發(fā)展局面。

為了扭轉(zhuǎn)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(chǔ)研究。力求闡明濺射靶材中微量雜質(zhì)元素的存在形態(tài)與分布規(guī)律以及對晶界特性、再結(jié)晶行為、缺陷萌生的影響，建立“雜質(zhì)元素-微觀組織結(jié)構(gòu)-薄膜沉積性能”之間的多維度構(gòu)效關(guān)系。深入揭示多物理場耦合環(huán)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(guī)律。發(fā)展基于機理模型的組織定向調(diào)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(wěn)定性[41,42]。相關(guān)研究可聚焦兩類技術(shù)路徑:優(yōu)化上游環(huán)節(jié)的高純原材料制備工藝，革新精煉、提純技術(shù)，從源頭上控制雜質(zhì)引入;調(diào)控濺射靶材本體的微觀結(jié)構(gòu)，通過塑性加工與熱處理的精細協(xié)同，改善晶粒尺寸、取向與分布。

3.2產(chǎn)業(yè)鏈合力攻關(guān)濺射靶材加工和檢測關(guān)鍵設(shè)備

從半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的視角看，濺射靶材加工與檢測設(shè)備國產(chǎn)化攻關(guān)需要依托全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新平臺。濺射靶材制造企業(yè)、精密設(shè)備廠商、集成電路制造商共建“材料-設(shè)備-工藝”三位一體研發(fā)體系，協(xié)同突破關(guān)鍵設(shè)備方面的技術(shù)瓶頸。在加工設(shè)備方面，建立聯(lián)合實驗室，面向關(guān)鍵設(shè)備核心參數(shù)開展技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)適配國產(chǎn)濺射靶材特性的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。在檢測設(shè)備方面，設(shè)備企業(yè)主導設(shè)備開發(fā)，濺射靶材企業(yè)提供工藝適配性驗證數(shù)據(jù)，集成電路制造商進行設(shè)備可靠性測試，形成“研發(fā)-驗證-迭代”閉環(huán)優(yōu)化機制。以產(chǎn)業(yè)鏈深度協(xié)同的方式，縮短濺射靶材加工和檢測設(shè)備的研發(fā)周期并提升國產(chǎn)化率，推動建立自主可控的濺射靶材設(shè)備技術(shù)標準體系，構(gòu)建“材料設(shè)計-設(shè)備開發(fā)-工藝驗證”的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

3.3以數(shù)智融合驅(qū)動濺射靶材研發(fā)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(jīng)驗試錯的傳統(tǒng)研發(fā)模式難以適應，而需通過數(shù)據(jù)與智能技術(shù)的深度融合來推動研發(fā)范式變革。系統(tǒng)開展基于數(shù)智融合的超高純金屬濺射靶材多尺度性能調(diào)控機制研究，發(fā)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(fā)平臺，建立涵蓋“成分-工藝-組織-性能”全鏈條的關(guān)聯(lián)模型，支持濺射靶材性能的精準預測與逆向設(shè)計。針對性建設(shè)濺射靶材專用材料數(shù)據(jù)庫與知識圖譜，積累并管理原料特性、工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)、性能數(shù)據(jù);開發(fā)融合第一性原理計算、相場模擬、實驗數(shù)據(jù)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(guān)鍵機理的深入解析及預測;構(gòu)建基于機器學習的“成分-工藝”優(yōu)化系統(tǒng)，應用主動學習等算法進行工藝尋優(yōu)，顯著降低實驗成本并合理縮短研發(fā)周期。

美國桑迪亞國家實驗室的相關(guān)工作處于國際前沿，基于PVD技術(shù)制備二硫化鉬涂層的實驗數(shù)據(jù)，引入梯度提升回歸樹的機器學習模型，構(gòu)建了PVD工藝參數(shù)與材料特性之間的高維關(guān)聯(lián)映射;結(jié)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(guān)鍵工藝參數(shù)，實現(xiàn)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(yōu)化與性能調(diào)控提供了高效的量化工具[43]。相關(guān)進展對國內(nèi)高端濺射靶材研發(fā)具有深刻的啟示:結(jié)合AI的數(shù)智融合新材料研發(fā)范式，可系統(tǒng)性解決因工藝參數(shù)交互復雜、性能調(diào)控機理模糊產(chǎn)生的高端濺射靶材研發(fā)難題;無需依賴經(jīng)驗試錯，基于構(gòu)效關(guān)系機器學習模型即可精準預測特定參數(shù)下的薄膜性能，從而大幅縮短研發(fā)周期并降低實驗成本。數(shù)智融合驅(qū)動的濺射靶材研發(fā)范式，將推動從經(jīng)驗導向提升至理論預測、數(shù)據(jù)驅(qū)動，成為加速破解高端濺射靶材領(lǐng)域技術(shù)難題的關(guān)鍵路徑，有助于全面提升國內(nèi)稀有和稀貴金屬材料領(lǐng)域的性能調(diào)控能力與水平，為材料產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級提供有力支撐[44,45]。

3.4聚焦發(fā)展前沿布局關(guān)鍵領(lǐng)域濺射靶材

半導體產(chǎn)業(yè)向先進制程邁進，需要相關(guān)濺射靶材的前沿突破與產(chǎn)業(yè)化配套。①在邏輯芯片方面，重點布局面向5nm及以下節(jié)點的超高純金屬、合金互連材料濺射靶材，開發(fā)具有低電阻率、高抗電遷移特性、優(yōu)異熱穩(wěn)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(chǎn)替代。開發(fā)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(shù)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(jié)濺射靶材、成分均勻的鈷鐵硼磁性濺射靶材的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，提前布局下一代存儲器技術(shù)儲備和材料基礎(chǔ)，為規(guī)模化應用提供堅實支撐;面向智能傳感器、微機電系統(tǒng)器件的鋁鈧、釩等特種功能濺射靶材攻關(guān)批量制備技術(shù);持續(xù)優(yōu)化先進存儲用高致密度鎢靶的綜合性能。③在關(guān)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(gòu)精準調(diào)控技術(shù)、銅靶中納米級夾雜物的深度去除技術(shù)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(guān)鍵技術(shù);重點提升釕、鎢、鉬、釩等金屬的高純粉末制備技術(shù)以及電子級鉭、鈷等原料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化能力，構(gòu)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(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與產(chǎn)業(yè)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(shù)研發(fā)，加快構(gòu)建自主可控的平板顯示關(guān)鍵材料供給體系。①在新型金屬濺射靶材方面，重點攻關(guān)Micro-LED顯示技術(shù)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(shù)，適應超精細電極結(jié)構(gòu)、微米級像素陣列的制備需求，筑牢下一代顯示技術(shù)的材料基礎(chǔ)。②在氧化物濺射靶材方向，開發(fā)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(zhàn)略金屬銦的資源依賴，提升產(chǎn)業(yè)鏈的安全性。③在產(chǎn)業(yè)化層面，加快一批關(guān)鍵濺射靶材新品種的開發(fā)與應用，包括具備優(yōu)異黏著性、界面穩(wěn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

4.1攻關(guān)高純度材料提純與加工技術(shù)

組建國家級高純金屬材料工程研究中心、區(qū)域性中試平臺，實質(zhì)性突破高端濺射靶材方面的瓶頸技術(shù)。集中科研力量與產(chǎn)業(yè)資源，重點攻關(guān)電子級鉭、鎢、鈷、釕等關(guān)鍵戰(zhàn)略金屬的超純冶煉技術(shù)，著力解決ppm乃至ppb級雜質(zhì)元素(特別是氧、碳等非金屬雜質(zhì))和堿金屬、放射性元素等痕量金屬雜質(zhì)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(fā)展高均勻性、低缺陷密度的濺射靶材成型與加工技術(shù)，全面優(yōu)化真空電子束區(qū)域精煉、多級真空電弧熔煉、等離子體旋轉(zhuǎn)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(zhì)量控制體系,確保各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)與質(zhì)量指標可追溯、可調(diào)控，提高濺射靶材性能的批次一致性與長期穩(wěn)定性。發(fā)揮工程研究中心的技術(shù)輻射、中試平臺的成果轉(zhuǎn)化功能，推動超純材料制備核心技術(shù)從實驗室突破加快轉(zhuǎn)向規(guī)模化試制與產(chǎn)業(yè)化應用，為高端濺射靶材的自主可控制造筑牢材料基礎(chǔ)，全面提升產(chǎn)業(yè)鏈上游的保障能力與技術(shù)水平。

4.2深化“產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新機制

構(gòu)建系統(tǒng)高效、深度融合的“產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新體系，加快高端磁控濺射靶材的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化應用。在協(xié)同平臺建設(shè)方面，推動高校、科研院所、濺射靶材生產(chǎn)企業(yè)、下游用戶端(覆蓋集成電路、平板顯示)建立常態(tài)化、制度化的協(xié)同創(chuàng)新機制，以共建聯(lián)合研發(fā)中心、設(shè)立產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟等形式，推動知識、技術(shù)、人才等要素與市場需求的精準對接與相互促進。在關(guān)鍵環(huán)節(jié)協(xié)同方面，重點構(gòu)建“濺射靶材-設(shè)備-工藝”一體化聯(lián)合實驗室，促進濺射靶材企業(yè)、濺射設(shè)備商、芯片制造/面板廠商開展深度合作，如聯(lián)合研究濺射靶材性能與沉積工藝的匹配性，精準構(gòu)建“濺射靶材性能-沉積參數(shù)-器件良率”多維度關(guān)聯(lián)模型，加速集成電路先進制程、平板顯示新世代線等前沿領(lǐng)域中高端濺射靶材的應用突破。在知識轉(zhuǎn)化與共享層面，推動高校、科研院所、下游用戶端企業(yè)等共享濺射物理機理及模型、薄膜生長動力學等基礎(chǔ)研究成果以及來自生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(chǎn)權(quán)共享等機制，激勵企業(yè)早期介入并主導應用技術(shù)開發(fā)，形成“基礎(chǔ)理論探索-應用技術(shù)開發(fā)-工程工藝優(yōu)化-量產(chǎn)驗證反饋”無縫銜接且閉環(huán)迭代的全鏈條協(xié)同創(chuàng)新模式，顯著縮短濺射靶材驗證周期并加速導入下游產(chǎn)線，提升國產(chǎn)高端濺射靶材的生產(chǎn)效率與市場競爭力。

4.3完善產(chǎn)業(yè)鏈與標準體系

從上游資源保障、中游生態(tài)協(xié)同、下游標準引領(lǐng)等方面進行系統(tǒng)布局，加快構(gòu)建自主可控、安全高效的濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈。在上游資源端，重點保障高純金屬原料的穩(wěn)定供應，加強國內(nèi)鉭、鈷、鉑、銦等關(guān)鍵戰(zhàn)略金屬的資源煉技術(shù)攻關(guān)，突破雜質(zhì)深度去除與成分精準調(diào)控等瓶頸技術(shù);積極開拓海外多元化資源供應渠道，通過戰(zhàn)略合作、長期協(xié)議等方式降低對單一來源的依賴，系統(tǒng)性提升供應鏈韌性與風險應對能力。在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面，著力整合上游原材料供應鏈，推動“濺射靶材-濺射設(shè)備-芯片/顯示器件”的深度融合，鼓勵跨環(huán)節(jié)技術(shù)協(xié)作與供需對接，提升產(chǎn)業(yè)鏈整體效能;支持龍頭企業(yè)通過技術(shù)授權(quán)、合資建廠等方式參與國際合作，有效突破海外專利壁壘，穩(wěn)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(fā)與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的高校、企業(yè)、科研院所聯(lián)合組建國家級濺射靶材權(quán)威評價平臺，系統(tǒng)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(shù)標準、檢測方法與產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)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(chǎn)業(yè)在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品制造、質(zhì)量管控上的標準化和規(guī)范化發(fā)展，為國產(chǎn)濺射靶材的國際市場準入、品牌信任度提升筑牢基礎(chǔ)條件。

4.4兼顧人才自主培養(yǎng)與精準引進

針對人才自主培養(yǎng)，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(shù)、薄膜物理與工程、PVD工藝原理等特色專業(yè)課程與研究方向，推動高校與優(yōu)勢濺射靶材企業(yè)、下游應用廠商與生產(chǎn)實訓基地，通過項目制學習、產(chǎn)業(yè)導師制等方式，培養(yǎng)既掌握高純材料制備、微觀結(jié)構(gòu)分析與表征、濺射工藝調(diào)控等專業(yè)知識，又具備產(chǎn)業(yè)化視角、工程實踐能力的復合型創(chuàng)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(shè)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(shù)、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(xiàn)“精準短”，從而快速彌補國內(nèi)在濺射靶材基礎(chǔ)理論、核心工藝、前沿技術(shù)探索方面的能力短板,為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新提供智力支撐。

4.5重塑濺射靶材產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)

系統(tǒng)性重塑濺射靶材產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新生態(tài)，是提升我國高端濺射靶材產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與國際競爭力的根本舉措。首要任務是前瞻布局數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)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(shù)據(jù)庫，適時建設(shè)國家濺射靶材科學數(shù)據(jù)中心，為濺射靶材的成分設(shè)計、工藝優(yōu)化、性能預測提供數(shù)據(jù)支撐能力與公共服務平臺。在此基礎(chǔ)上，推動大數(shù)據(jù)、AI等信息技術(shù)與材料研發(fā)的深度融合，構(gòu)建AI賦能的濺射靶材創(chuàng)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(gòu)效關(guān)系，支持濺射靶材的理性設(shè)計與性能優(yōu)化;通過智能算法實時解析生產(chǎn)數(shù)據(jù)、優(yōu)化工藝參數(shù)，提升制造過程的穩(wěn)定性與效率;構(gòu)建工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)，在虛擬空間中開展工藝調(diào)試與缺陷預測，縮短研發(fā)周期并減少試錯成本。推動我國濺射靶材產(chǎn)業(yè)從“設(shè)備引進-工藝模仿”的跟隨發(fā)展模式向“數(shù)據(jù)驅(qū)動-標準引領(lǐng)”的創(chuàng)新范式躍遷，建立以自主數(shù)據(jù)、核心模型為基礎(chǔ)的新型創(chuàng)新體系，在支持系統(tǒng)性突破當前技術(shù)瓶頸的同時，持續(xù)孕育前沿技術(shù)和顛覆性創(chuàng)新，保障我國濺射靶材產(chǎn)業(yè)建立可持續(xù)的創(chuàng)新能力與國際市場競爭優(yōu)勢。

5、結(jié)語

本文系統(tǒng)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(lǐng)域的應用現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)、未來發(fā)展方向。研究表明，高端濺射靶材作為制備關(guān)鍵功能薄膜的核心材料，其純度、微觀組織均勻性、穩(wěn)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(chǎn)高端濺射靶材在技術(shù)突破與市場應用方面已有良好進展，部分產(chǎn)品實現(xiàn)國產(chǎn)化替代并展現(xiàn)出成本與服務的綜合優(yōu)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(zhì)化控制水平不足、制備與檢測關(guān)鍵裝備依賴進口、在線監(jiān)測與智能制造基礎(chǔ)薄弱等嚴峻挑戰(zhàn)，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(fā)展應聚焦以下方面。在技術(shù)研究層面，深化超高純?yōu)R射靶材微觀均質(zhì)化的基礎(chǔ)研究與工藝創(chuàng)新;推動全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關(guān)，突破加工與檢測裝備瓶頸;充分利用數(shù)智融合技術(shù)，變革傳統(tǒng)研發(fā)范式，提升研發(fā)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(guān)鍵濺射靶材體系。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面，強化高純材料技術(shù)攻關(guān)、深化“產(chǎn)學研用”協(xié)同、完善產(chǎn)業(yè)鏈與標準體系、兼顧人才自主培養(yǎng)與精準引進、重塑數(shù)據(jù)驅(qū)動的創(chuàng)新生態(tài)，以系統(tǒng)性的舉措推動構(gòu)建自主可控、安全高效的高端濺射靶材產(chǎn)業(yè)體系。

推動高端濺射靶材的全面突破與持續(xù)升級，是實現(xiàn)關(guān)鍵材料自主可控的國家戰(zhàn)略需求，支撐我國電子信息產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈高端、保障產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全的核心戰(zhàn)略任務之一。未來研究可進一步關(guān)注極端條件下濺射靶材性能演變、芯片新型異構(gòu)集成架構(gòu)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。

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（注，原文標題：我國高端磁控濺射靶材應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向）

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