摘要：由于半导体行业体系庞大，理论知识繁杂，我们将通过多个期次和专题进行全面整理讲解。本专题主要从半导体沉积工艺和溅射靶材进行讲解，让大家更准确和全面的认识半导体地整个行业体系。我们分为半导体知识、半导体“芯”闻几个模块，欢迎各位大佬交流学习。

前几期我们讲了大量的半导体相关知识点，这一期开始主要讲解半导体沉积工艺和溅射靶材。希望大家点赞转发关注，欢迎底部留言交流学习。

按工艺原理不同，薄膜沉积设备可分为PVD、CVD和ALD。薄膜沉积是在基材上沉积一层纳米级的薄膜，再配合蚀刻和抛光等工艺的反复进行，就做出了很多堆叠起来的导电或绝缘层，而且每一层都具有设计好的线路图案。沉积薄膜材料包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金属以及铜等金属。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积，按工艺原理不同，可分为CVD （化学气相沉积）设备、PVD （物理气相沉积）设备/电镀设备和ALD （原子层沉积）设备。

1） PVD：在真空条件下采用物理方法将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体），在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。PVD 镀膜技术主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。PVD技术生长机理简单，沉积速率高，但一般只适用于平面的膜层制备；

2） CVD：通过化学反应的方式，利用加热、等离子或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，是一种通过气体混合的化学反应在基体表面沉积薄膜的工艺，可应用于绝缘薄膜、硬掩模层以及金属膜层的沉积。按照薄膜材料，CVD分为介质化学气相沉积（DCVD）和金属化学气相沉积（MCVD）两大类。DCVD主要包括等离子增强型化学气相沉积（PECVD）、次常压化学气相沉积（SACVD）、介质原子层沉积（DALD）等。MCVD主要包括低压化学气相沉积（LPCVD）、有机金属化学气相沉积（MOCVD）和金属原子层沉积（MALD）等。

3） ALD：原子层沉积可以将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面。从原理上说， ALD 是通过化学反应得到生成物，但在沉积反应原理、沉积反应条件的要求和沉积层的质量上都与传统的CVD不同。相对于传统的沉积工艺而言，ALD工艺具有自限制生长的特点，可精确控制薄膜的厚度，制备的薄膜具有均匀的厚度和优异的一致性，台阶覆盖率高，特别适合深槽结构中的薄膜生长。ALD 设备沉积的薄膜具有非常精确的膜厚控制和非常优越的台阶覆盖率，在28nm以下关键尺寸缩小的双曝光工艺方面取得了越来越广泛的应用，其沉积的Spacer材料的宽度决定了Fin的宽度，是制约逻辑芯片制程先进程度的核心因素之一，除此之外，ALD设备在高k材料、金属栅、STI、BSI等工艺中均存在大量应用，广泛应用于CMOS器件、存储芯片、TSV封装等半导体制造领域。

图1：ALD、CVD、PVD成膜效果示意图

图2：薄膜沉积设备分类

CVD领域PECVD设备占比较高，PVD领域主要为溅射PVD设备。常压化学气相沉积（APCVD）是最早的CVD设备，结构简单、沉积速率高，广泛应用于工业生产中。低压化学气相沉积（LPCVD）是在APCVD的基础上发展起来的。等离子体增强化学气相沉积设备（PECVD）在从亚微米发展到90nm的IC制造技术过程中，扮演了重要的角色，由于等离子体的作用，化学反应温度明显降低，薄膜纯度得到提高，致密度得以加强，是当前应用最为广泛的CVD设备，在薄膜沉积设备中占比达33%。次常压化学气相沉积（SACVD）主要应用于沟槽填充工艺。在PVD设备中，溅射设备占主要份额。

芯片制程及工艺升级拉动薄膜设备需求。90nmCMOS芯片工艺中大约需要40道薄膜沉积工序，FinFET工艺产线需要超过100道薄膜沉积工序，涉及的薄膜材料由6种增加到近20种，对于薄膜颗粒的要求也由微米级提高到纳米级。且在芯片工艺技术持续进步的趋势下，当难以通过光刻直接形成先进工艺的情况下，可以结合薄膜沉积设备（主要为 ALD 设备）与刻蚀设备相配合，采用自对准多重成像技术，实现更小尺寸的工艺，这将进一步促进ALD设备及相关设备的重要性及需求量的提升。

图3：工艺升级带动薄膜沉积工序数提升;ALD在多重曝光中的应用

NAND垂直化发展，进一步带动薄膜沉积设备需求提升。随着3D NAND芯片的堆叠层数不断增高，逐步向更多层及更先进工艺发展，堆叠过程中刻蚀及薄膜沉积使用步骤数大幅提升，2024 年SK海力士官方公布正式开始量产全球首款321层NAND，2025年 NAND层数有望达4xx层，薄膜沉积及刻蚀设备重要性凸显。

溅射靶材是制备电子薄膜的关键材料。超大规模集成电路制造过程中要反复用到溅射（Sputtering）工艺，它是一种物理气相沉积（PVD）技术，利用高能离子束轰击溅射靶材，使其表面原子溅射并沉积在基底上形成电子薄膜。溅射靶材的纯度直接影响所形成的电子薄膜的性能，高纯度乃至超高纯度的金属材料是生产高纯溅射靶材的基础。

图4：溅射靶材工作原理

溅射靶材种类较多。溅射靶材主要由靶坯、背板等部分构成，其中靶坯是高速离子束流轰击的目标材料，属于溅射靶材的核心部分。背板主要起到固定溅射靶材的作用，且需要具备良好的导电、导热性能。产品按不同分类标准可分为多种类别。不同应用领域对溅射靶材所使用的金属材料的选择和性能要求也不同。

图5：溅射靶材产品类别；溅射靶材应用领域

溅射靶材的制造过程包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节。其中，超高纯金属是电子材料的重要组成部分，靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节，溅射靶材的产品质量、性能指标直接决定了终端产品的品质和稳定性。

图6：高纯溅射靶材制造过程

溅射靶材下游应用领域广泛，包括半导体集成电路、平面显示、太阳能电池和新能源电池等战略新兴产业，以及较为传统的玻璃镀膜、装饰镀膜、工具镀膜等产业。其中半导体集成电路是各下游应用领域中对溅射靶材技术最高的领域，平面显示是市场规模最大、占比最高的领域。

图7：溅射靶材应用领域具体情况

半导体集成电路用溅射靶材要求最高。半导体靶材是晶圆制造的关键原材料，主要包括铜靶、铝靶、钛靶和钽靶等，集成电路领域的主要应用包括晶圆制造和先进封装工艺。

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