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【钨业故事】——高纯钨靶材
2025-05-10 20:10:54
现代生活中人们每时每刻离不开溅射靶材。智能手机、信用卡、照相机、二代身份证....它们都有一颗“芯”。而芯片中长度近万米的超细金属导线，就是由溅射靶材制造。随着半导体行业的迅速发展，对溅射靶材的需求越来越大，已成为半导体工业的战略性关键材料。但是长期以来，我国的溅射靶材完全依赖美国、日本进口，不仅限制了我国电子材料及半导体行业的发展，更影响到国家半导体信息产业及战略安全。近期华为通过“先锋计划”开售的华为Mate 60系列，未发布便开售的火爆。华为Mate 60系列所采用的麒麟9000S芯片更是受到国内外的广泛关注，华为Mate 60系列在上市不到一个月的时间，便引发了全球范围内前所未有的拆解热潮。“华为拆机”展示了中国芯片的巨大突破，中国在无法获得最先进的光刻机EUV的情况下，能够国产化7 nm的芯片，体现了中国芯片行业的科技实力。
集成电路芯片作为世界上最难掌握的核心技术之一，整个过程的工序主要包括设计、制造和封测三大环节。钨作为国家战略资源，其代表的产品高纯钨靶材，在集成电路芯片制造环节发挥了重要作用。
高纯钨靶材是指靶材中钨的纯度达到99.999%及以上的材料。主要是由高纯度的钨粉压坯通过高温烧结后热轧制备得到。具有纯度高，密度大，熔点高，电阻低，弹性好，膨胀系数低，蒸气压小，偏转力度强，热化学稳定性良好等性质。
高纯钨靶材行业分为高纯金属供给（上游）、溅射靶材制造（中游）、溅射镀膜（中游）及终端应用（下游）环节。
钨靶材产业链
溅射靶材纯度要求较高，主要通过化学和物理手段进行提纯。其中薄膜太阳能电池与平板显示器要求纯度为4N（99.99%）以上，集成电路芯片要求纯度为5N（99.999%）甚至6N（99.9999%）以上。因此这一环节技术难度最大，产业集中度较高，主要掌握在少数国际企业手中。溅射钨靶材需要根据下游应用领域的性能需求进行工艺设计，然后进行反复的塑性变形、热处理，需要精确地控制晶粒、晶向等关键指标。这一环节技术门槛高、设备投资大，具有规模化生产能力的企业数量少。由于钨的熔点高，钨靶材主要通过粉末冶金方法制备。其制备方法包括将纯度达到99.999％以上、粒度为3.2~4.2μm的钨粉进行均匀混合后，置于真空热处理炉中进行预脱气，然后导入氢气，继续加热进行脱气的步骤；将脱气后的钨粉通过真空热压完成一次烧结的步骤；将一次烧结后的钨板通过热等静压机完成二次烧结的步骤；将二次烧结后的钨板通过机械加工将整个表面进行磨削处理，得到纯度为99.999％及以上且密度为99％及以上的半导体用高纯钨靶材。高纯钨靶材主要通过溅射沉积镀膜的方式应用在集成电路芯片领域。溅射沉积镀膜利用粒子轰击的原理，一般使用Ar气作为离子源，从离子源产生的离子在真空中经过电场加速聚集而形成高速度能的离子束流，轰击钨靶材表面，离子和靶材表面原子发生动能交换，使靶材表面的原子离开固体并沉积目标区域表面，因此使用的靶材也称溅射靶材。溅射靶材需要安装在溅射机台中完成溅射，溅射机台专用性强、精密度高，市场长期被美国、日本跨国集团垄断。从事这一环节规模化生产企业的数量相对较多，但质量参差不齐。高纯溅射靶材在集成电路芯片制造过程中主要参与金属化阶段，在硅片上形成不同的金属层，实现小小芯片上的各种功能。高纯钨由于具有电子迁移抗力高，高温稳定性好以及电子发射系数非常高等一系列优点。高纯钨及其合金靶材作为关键基础材料广泛应用于集成电路芯片栅电极、屏蔽金属、扩散阻挡层等。高纯钨靶材主要用作金属层间的通孔和垂直接触的接触孔的填充物，即钨塞。随着半导体芯片制程的不断减小，钨有望取代铜成为下一代半导体布线金属材料，在集成电路芯片领域得到更广泛的应用。这一环节属于劳动密集型行业，参与企业数量最多，逐渐向人力成本低的国家和地区转移。
溅射靶材是集成电路的核心材料之一，行业壁垒较高，美国（美国霍尼韦尔、普莱克斯等）与日本企业（日本的日矿金属、日本东曹、三井矿业、住友化学、日本爱发科等）掌握核心技术，垄断全球市场。国内企业正在逐渐突破技术瓶颈，为打破美日垄断高端靶材市场的不利局面而努力。如厦门钨业可以批量供应纯度6N级别的高纯钨粉，以江丰电子为代表的国内靶材厂商则已经掌握了高纯钨靶材的整套制造工艺。同时，江丰电子牵头制定的国内钨靶材的第一个行业标准YS/T 1025-2015《电子薄膜用高纯钨及钨合金溅射靶材》，进一步促进了高纯钨靶材检测规范统一及行业整体质量提升。由于进入高纯钨靶材市场较晚，受限于技术积累、工艺装备及应用环境等，国内高纯钨靶材参与企业还较少，在产品技术指标和质量一致性方面还与国际巨头有一定差距，国内企业积极加强技术积累，寻求早日突破。目前高纯钨靶材向着高纯、高利用率的方向发展。随着消费电子终端市场的发展，高纯钨靶材的下游需求不断上升，全球市场规模不断扩大。我国的溅射靶材行业起步较晚，在产品质量与精细标准上与国外有不少的差距，但市场需求全球领先，国内对溅射靶材也积极投入了大量钻研与开发，国产替代空间大。随着国家政策的重点扶持和鼓励，高纯钨靶材国产化替代正当时。
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