摘 要：在信息产业不少基础产品的制造过程中，需使用多种溅射靶材，本文简介溅射靶材的制造及主要应用情况。
关键词：溅射；靶材；薄膜
在微电子半导体集成电路，薄膜混合集成电路，片式元器件，特别是光盘、磁盘及液晶平面显示器LCD等技术领域，需使用各种性能各异，要求不同的溅射靶材，例如各种光碟、液晶显示器LCD及LSI等的产品数量已十分巨大，仅以我国台湾为例，其CD-R在1999年就生产约17.7亿片，2000年的产量将达到47亿片，CD-RW片2000年将达到1.8亿片，DVD用碟片2000年也将超过1亿片；TFT-LCD的产值2000年预计将达到900亿台币。在这些电子产品生产过程中，均须采用多种溅射技术，溅射单层或多层各种不同材质的金属、半导体或非金属薄膜，以达到产品的功能要求。本文对靶材的制备工艺、特性及其在资讯产业方面的应用作一简要介绍，供读者参考。
1 靶材的种类与应用
靶材的种类按其组成可分为纯金属、合金和化合物靶材三大类。表1示出了靶材材质的种类，这些不同性质的靶材在各种产业上的应用情况，归结起来如表2所示。
2 溅射靶的制备
靶材的制造工艺按金属、非金属类区别，按图1所示的不同工艺流程进行，除严格控制成分、尺寸之外，对材料的纯度、热处理条件及成型加工方法等亦需加以严格控制。
表3列出了目前世界上从事靶材产业的各主要生产厂的排名情况，由该表可看出日本和德国是世界的先导国家，据统计从1990年到1998年之间，世界各国在美国申请的靶材专利数量，日本占58%，美国为27%，德国为11%。这也再次证明日本在靶材的研制、开发与生产方面居世界领先地位，同时，从事溅射靶材的人数也最多。
3 对溅射靶材的特性要求
为了提高溅射效率及确保淀积薄膜的质量，经大量实验研究表明，对溅射靶材的特性有如下要求。
3.1 纯度
近年来随着微电子产业的迅速发展，硅片尺寸迅速由6、8进步到12，布线宽度由0.5μm减小到0.25μm、0.18μm甚至0.13μm；在溅射淀积过程中，对于如此不断扩大的淀积面积，对成膜面积的薄膜均匀性要求必须提高，才能确保如此细小的布线质量。以前99.995%(4 N5)的靶材纯度可满足0.35μm IC的工艺要求，现在制备0.18μm线条的靶材纯度则要求在99.999%(5N)甚至99.999%(6N)才行。
由于碱金属离子(Na+、K+)易在绝缘层中成为可移动性离子，降低元器件性能，铀(U)和钛(Ti)等元素会释放α射线，造成器件产生软击穿，铁、镍离子会产生界面漏电及氧元素增加等等，所以靶材生产厂必须要标明其含杂质的种类与数量。作为一个实例，表4为钴(Co)溅射的杂质标准。
3.2 晶粒尺寸及尺寸分布
通常靶材为多晶结构，晶粒大小可由μm到mm量级，同一成分的靶材，细小尺寸晶粒靶的溅射速率要比粗晶粒者快；而晶粒尺寸相差较小的靶，淀积薄膜的厚度分布也较均匀。据日本Energy公司研究发现，若将钛靶的晶粒尺寸控制在100μm以下，且晶粒大小的变化保持在20%以内，其溅射所得薄膜的质量可得到大幅度改善。
采用真空熔炼方法制造的靶材可确保块材内部无气孔存在，但粉末冶金法制造的靶材，则极有可能含有一定数量的气孔，气孔的存在，会导致溅射时产生不正常放电，而产生杂质粒子。另外，含有气孔的靶材在搬动、运输、安装、操作时，因其密度较低，也极易发生碎裂。
由Johnson Mathey Electronics与HP公司共同进行的一项研究结果表明，真空热压法制造的靶材，要比其他粉末烧结法(冷压、热等静压、惰性气体热压)所制造的靶材气孔含量少。
3.3 结晶取向
由于在溅射时靶材原子容易沿着原子六方最紧密排列方向择优溅射出来，因此，为达到最高溅射速率，常通过改变靶材结晶结构的方法来增加溅射速率。不同材料具有不同的结晶结构，因而应采用不同的成型方法，热处理方法与条件。材料的结晶方向对溅射膜层的厚度均匀性影响也较大。
4 溅射靶材在信息存储工业中的应用当前，用于电脑存储技术方面的产品有：
①硬盘读写头；
②光碟(CD-R， CD， DVD)；
③磁光——相变光盘(MO， CD-RW， DVD-RAM)；
制造这些数据存储产品，需要使用具有特殊结晶性与特殊成分的高品质靶材，常用的有钴、铬、碳、镍-铁、贵金属、稀有金属、介质材料等，详见表5所示。
4.1 薄膜材料及结构
4.1.1 硬碟
硬碟有两个记录表面，每个记录面又由多层薄膜所构成(如图2所示)，下层是由纯铬或铬合金(如CrV )溅射形成，厚度约为40 nm，必须很好控制其结晶方向及晶粒尺寸，以增加磁性材料层的附着性及提高基材的抗腐蚀性；若基材为玻璃，必须先在其上溅镀一层镍-铝合金层或氧化镁过渡层。中间层是由在下层之上溅镀的一层厚度约15nm厚的钴-铬合金层。磁性材料层：由钴合金(如钴-铂)靶溅镀形成，厚度约35 nm，磁性材料层必须提供足够的磁性能及低干扰特性，在工艺上则依靠薄膜微结构的设计及控制溅镀工艺参数等来实现，不同的合金，薄膜晶粒的大小，晶粒分布等均会影响磁性能的优劣及抗干扰能力，有时增加溅镀一层非磁性的钴-铬中间层可起到控制结晶微结构及减少干扰的作用。上层：厚度约为15 nm由碳靶溅射而成，也可采用化学气相沉积法(CVD)或离子束溅射法形成。
4.1.2 磁头
在大量使用的薄膜磁头(MR型、GMR型、感应型)中，读写磁头是最简单的一种，它由一组线圈包围铁磁材料构成，铁磁材料的两端如同磁极，当流经线圈的电流产生磁场时，改变记录磁介质(如硬碟的薄膜)的磁场角度，数据信息就由改变电流而产生磁性变化而存在磁介质膜内。铁-镍合金长期以来是录写磁头的标准材料，最近，又开发出功能更优良的一些材料，如Fe-N，Fe-Ta-N及Fe-Al-N等，并被逐渐使用。
MR及GMR传感器均由多层薄膜组成，其中一层作为敏感层，当在读取功能状态(磁场发生变化)时，会显示出电性能的变化。在MR型，这个反映是固有的特性，在GMR型这个反应是电子的量子力学特性变化。
以IBM公司生产的SAL式MR磁头为例，它的组成是将透磁感层(Ni-Fe)溅射到高电阻率的隔离介质层(Al2O3)上，而下面为软磁性层(Ni-Fe-X)。对于薄膜磁头传感器还有如下构成部分：既由Co-Cr-Pe靶溅射形成的硬偏压(hard bias)层，由金靶溅射的接点电极层以及间隙层和通过电镀形成的Ni-Fe防护层。
4.1.3 碟片
①CD， CD-ROM
主要是将Al薄膜溅射到成型的塑料碟片上形成一层反射层，Al反射层的厚度约为40 nm，反射率必须大于70%。在某些要求高反射率的场合，可以全代替铝作为反射层材料。其结构如图3所示。
②DVD-ROM
所有DVD碟片均由两片0.6 mm的塑料薄片粘合而成，以单面/单层的DVD-5为例，它是将铝反映层溅射到塑料薄片上之后，再于另一张塑料薄片粘合在一起所构成。DVD-9则是单面/双层式结构，它先将半反射层(金或硅)溅射到0.6 mm厚的塑料薄片上，涂上粘合剂后，再溅射上一层铝反射层，然后再与0.6 mm另一片塑料薄膜粘合在一起。
③CD-R及DVD-R
它们的结构如图4所示，溅射层为金或银(不可用铝，因铝会被染料所腐蚀)，CD-R底面呈现金绿或蓝色是所用染料不同的缘故。DVD-R的结构与CD-R类似，只是使用的染料不同及碟片尺寸较小。MO是由4层溅射薄膜所构成，如图5所示，它的磁-光记录层是采用非晶态稀土过渡元素合金，如R-Fe-Co，R为Tb、d或Dy等。
CD-RW，DVD-RW，DVD-RAM，它是利用锗-锑-硒系的相变化层达到记录、再写入和读出功能，它利用膜层材料处于结晶态(原子排列有序)时表面的反射率高，而当发生相变化为非结晶态时(原子排列无序)表面反射率低的原理。当信号经由碟片各区不同反射率被储存和读出。相变层的成分在DVD-RAM中是GeTe-Sb2Te3Sb，其他的如Ag-In-Sb-Te，In-Sb-Te也可被采用。相变光碟的层状结构如图6所示。
4.2 对溅射薄膜及靶材的功能要求
4.2.1 薄膜
在磁及光记录碟片中，首先要求薄膜厚度及厚度均匀性必须控制在某一额定偏差范围内，磁性和光记录层除必须具有低干扰外，对光反射率、抗腐蚀性、粘合性、磁性能等均有不同要求，应予以注意。愈高档产品，对薄膜的品质要求也愈高，如CD-ROM的反射层厚度介于40～70 nm，只要反射率达到最低值以上就合格，但DVD对薄膜层就要求高，如半反射层厚度需15 nm，反射率变化必须<±3%。
4.2.2 靶材
用于数据存储产业的靶材，要求其纯度优于3N5或4N，杂质及气孔必须尽量少，以避免溅射时产生杂质粒子。对于贵金属靶材来说，必须设计得可高效利用和可回收再利用。高品质产品用的靶材，要求其结晶颗粒尺寸必须细小均匀，且无固定结晶取向。
早期CD ，CD-ROM反射层多采用铝膜，但可记录介质媒体，因染料关系，反射层必须采用金或银等贵金属，而可写可录光碟更须采用相变材料(如Ag-In-Sb)，所以靶材的价格也愈来愈高，因此研究开发可用于数据存储产业用的溅射靶材，受到人们的高度重视。
5 靶材在LCD产业的应用
LCD的制造工艺过程较复杂，其中降低反射层、透明电极、发射极与阴极、栅极等，均由溅射方法形成，所以在LCD产业中溅射靶材仍然起着重要作用。图7示出LCD的层状结构。
6 靶材利用率的问题
在信息产业中所使用的各种靶材，由于对其纯度有较高要求，因此，其制造过程中冶炼热处理等费用较高，从而导致靶材售价高昂。但是由于溅射设备的关系，靶材的利用率不高，以往只有30%左右，近年来虽然设备改善但靶材的利用亦仅50%左右，另外，靶材原子被氩离子撞击出来后，也并非100%淀积到基板或溅射工件上，约有1/6的溅射原子会淀积到真空室内壁或支架上，不但浪费靶材而且增加清洁真空设备的费用及停机时间，如何进一步提高靶材利用率是靶材制造厂与溅射设备生产厂需共同研究的课题。
7 结束语
本文简要介绍了与信息产业有关产品在生产过程中所用溅射靶材的种类与制备技术以及在存储产品中的应用情况。
参考文献略
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