半导体靶材研报告（一）

引言

2023 年，习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调："加快推进高水平科技自立自强，夯实科技基础，强化科技战略支撑，坚决打赢关键核心技术攻坚战"，为半导体材料等 "卡脖子" 领域的攻关指明了方向。这一指示精准契合半导体靶材领域的发展需求 —— 当前全球高端靶材市场由美日企业垄断，JX 日矿金属、霍尼韦尔等四大巨头占据 80% 份额，国内整体国产化率不足 30%，先进制程靶材更是低于 20%。

《"十四五" 原材料工业发展规划》明确将 "高纯溅射靶材" 列入重点发展的先进基础材料清单，提出加快突破靶材提纯、成型、绑定等核心技术。《新时期促进集成电路产业高质量发展的若干政策》进一步细化支持举措，对进入国际主流供应链的靶材企业给予最高 10% 的研发费用补贴。随着国家集成电路产业投资基金三期将 30% 资金投向材料领域，叠加国内 29 座新建晶圆厂带来的增量需求，半导体靶材产业正迎来国产化突破的关键窗口期。展望未来，靶材产业的技术升级与进口替代不仅将筑牢半导体产业链安全屏障，更将推动我国从 "芯片消费大国" 向 "半导体材料强国" 的战略转型。

半导体靶材是物理气相沉积（PVD）工艺的核心功能性材料，指通过高纯金属或合金经熔炼、成型、绑定等精密加工制成，在高真空环境下通过溅射技术将原子级薄膜沉积于晶圆表面的关键部件，其性能直接决定芯片电路的导电性、绝缘性及可靠性。根据 SEMI（国际半导体产业协会）定义，半导体靶材需满足 “纯度≥5N（99.999%）、致密度≥99%、晶粒尺寸均匀性偏差≤10%” 三大核心指标，是连接高纯金属原料与半导体制造的关键环节，在 7nm 及以下先进制程芯片生产中不可或缺。

半导体靶材的原料构成与分类体系清晰，按金属成分可分为单一金属靶（铝、铜、钽、钨等）与合金靶（SnAgCu、TiN 等）；按应用场景可分为互连层用靶（铜靶、铝靶，用于构建芯片导电线路）、阻挡层用靶（钽靶、钛靶，防止金属离子扩散）、介质层用靶（氧化硅靶、氮化硅靶，用于绝缘结构）。中国在部分靶材原料领域已实现突破：新疆众合通过电子束精炼技术实现 5N5 级高纯铝量产，2024 年产能占国内市场 60%；有研亿金攻克 7N 级高纯镍制备工艺，打破日本 JX 金属垄断；但钽、钴等高端原料仍依赖进口，国内钽矿自给率不足 10%，主要进口自澳大利亚、卢旺达。

半导体靶材的应用场景与芯片制程深度绑定，覆盖逻辑芯片、存储芯片、功率半导体等全品类。在 12 英寸晶圆制造中，铝靶多用于 28nm 及以上成熟制程互连层，铜靶主导 7-14nm 先进制程（线宽 < 10nm 时铜互连电阻比铝低 40%），钽靶则作为通用阻挡层适配全制程；在 3D NAND 存储芯片中，钴靶因抗电迁移性能优异，逐步替代铜靶用于字线 / 位线制备；在功率半导体中，钨靶凭借耐高温特性（熔点 3422℃），成为 IGBT 芯片栅极电极的核心材料。2024 年数据显示，国内 12 英寸晶圆用靶材占比达 68%，其中铜靶、钽靶需求量同比分别增长 23%、18%，主要受中芯国际、长江存储扩产驱动。

高纯度是半导体靶材的核心属性，其纯度水平直接决定芯片的电学性能与良率，这一特性远超普通工业用金属材料。传统工业用高纯铜纯度多为 4N（99.99%），仅需满足导电需求；而半导体用铜靶纯度需达 6N-7N，其中 3nm 制程芯片用铜靶杂质含量需控制在 0.1×10⁻⁶以下 —— 若铁、镍等杂质超标，会导致沉积薄膜电阻率上升 15%-20%，进而引发芯片逻辑门延迟，显著降低器件寿命（从 10 年缩短至 3 年以内）。根据《中国半导体材料产业白皮书（2024）》，不同制程对应的靶材纯度要求呈阶梯式提升：28nm 制程需 5N-6N，7nm 制程需 7N，2nm 及以下制程预计需 7N+（99.999995%），杂质控制精度达 0.05×10⁻⁶。

高纯度的实现依赖全链条技术把控，从原料提纯到成品检测形成闭环。在原料提纯环节，电子束熔炼技术是关键：通过 10⁴℃以上高温真空环境去除金属中的挥发性杂质（如氧、氮），有研新材采用 “双电子束熔炼” 工艺，将镍中碳含量从 0.5×10⁻⁶降至 0.08×10⁻⁶；在成型环节，热等静压工艺（温度 1000-1200℃、压力 150-200MPa）可消除靶材内部孔隙，使致密度从 95% 提升至 99.5% 以上，江丰电子通过该工艺将铜靶良率从 70% 提至 92%；在检测环节，ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）是行业标配，可同时检测 20 余种痕量杂质，检出限低至 0.01×10⁻⁶，国内企业如钢研纳克已实现该设备国产化，打破美国赛默飞垄断。

全球高纯度靶材供应长期由美日企业主导，但国内企业已逐步突破。日本 JX 金属在铝靶、钛靶领域纯度控制能力领先，其 7N 级铝靶杂质总量可稳定控制在 0.08×10⁻⁶以下，供应台积电 3nm 制程生产线；美国霍尼韦尔垄断高端钽靶市场，纯度达 7N+，占据全球 80% 以上的 7nm 制程钽靶份额。国内方面，江丰电子的 12 英寸 7N 级铜靶通过中芯国际 7nm 制程验证，2024 年全球出货量同比增长 35%；有研新材的 7N 级镍靶进入长江存储供应链，替代日本东曹产品，推动国内存储芯片靶材国产化率从 30% 提升至 45%。

半导体靶材的核心价值在于其精密功能性，即通过精准控制薄膜沉积的均匀性、厚度与结构，支撑芯片复杂电路的构建，这一特性是普通金属材料无法替代的。在溅射过程中，靶材的晶粒尺寸均匀性（需控制在 20-50μm）、平面度（≤0.2mm/m）直接影响薄膜厚度偏差 —— 若平面度超标 0.1mm/m，会导致晶圆边缘与中心的薄膜厚度差超 5%，进而引发芯片不同区域的电学性能不一致。根据 GB/T 44759-2024《高纯镍靶材》国家标准，半导体用靶材的溅射面粗糙度需≤0.8μm，晶粒尺寸变异系数≤15%，否则会导致薄膜缺陷密度上升（每平方厘米增加 100-200 个缺陷）。

不同类型的半导体靶材具备专项功能性，适配芯片不同结构需求。铜靶凭借低电阻率（1.72×10⁻⁸Ω・m）和高导电性，成为先进制程互连层首选材料，在 10nm 线宽下，铜互连比铝互连可降低电路延迟 25%，满足 AI 芯片高算力需求；钽靶因与硅衬底的高附着力（剥离强度≥50N/cm）和优异的阻绝性能，可有效防止铜离子扩散至硅基，将芯片漏电率降低 60%；钨靶则因耐高温（熔点 3422℃）和抗腐蚀特性，适用于 TSV（硅通孔）填充，在深宽比 20:1 的通孔中，可实现无空洞填充，支撑 3D 封装技术发展。2024 年数据显示，采用铜靶的 7nm 逻辑芯片，其功耗比铝靶方案降低 30%；采用钽靶的存储芯片，数据保持时间从 10 年延长至 15 年。

精密功能性的实现依赖先进工艺与设备协同，国内企业在关键技术上已取得突破。江丰电子自主研发 “无空洞绑定工艺”，通过扩散焊接将靶材与铜背靶结合，界面结合强度达 180MPa，解决传统焊接工艺中易出现的气泡问题，使靶材使用寿命延长 40%；隆华科技开发 “多道次轧制 + 低温退火” 工艺，将钼靶的晶粒尺寸控制在 30μm±5μm，溅射均匀性提升至 98% 以上，满足京东方 OLED 驱动芯片需求；在设备端，中国电子科技集团研发的高精度研磨机，可将靶材平面度控制在 0.15mm/m，替代德国勇克（JUNKER）设备，降低设备采购成本 30%。