贵金属靶材在半导体制造中的应用、制备和回收

贵金属靶材的应用

在半导体制造中的作用

金、银、铂和钌等贵金属靶材在半导体制造的复杂过程中发挥着举足轻重的作用。这些金属及其合金是制造超大规模集成电路（ULSI）和先进芯片封装技术不可或缺的组成部分。它们还可用作互连材料和背面涂层，对半导体器件的功能性和可靠性至关重要。

近年来，随着半导体技术的不断进步，贵金属靶材的使用量激增。这些材料因其卓越的导电性、热稳定性和耐腐蚀性而备受青睐，这些特性在高精度的半导体制造环境中至关重要。例如，金和银被广泛用于线键合和导电层，而铂和钌则被用于扩散屏障和电镀的种子层。

芯片封装技术的发展进一步扩大了对这些贵金属的需求。先进的封装技术，如三维堆叠和晶圆级封装，需要能够承受复杂的热应力和机械应力的材料。贵金属靶材能够满足这些严格的要求，确保最终半导体产品的完整性和性能。

总之，贵金属靶材在半导体制造中的作用是多方面的，也是不可或缺的。贵金属靶材的独特性能和适应性使其成为开发尖端半导体技术的重要组成部分，每一次创新都推动着整个行业向前发展。

具体应用

贵金属溅射靶材在半导体制造过程中起着举足轻重的作用，具有多种关键功能，可提高电子设备的性能和可靠性。这些靶材包括金、银、铂、钌及其合金，表 9-26 详细介绍了它们在行业中的各种应用。

在超大规模集成电路 (ULSI) 领域，贵金属靶材被用作互连材料，以确保不同组件之间的高效导电性。这种应用在先进的芯片封装技术中尤为重要，因为这些连接的完整性直接影响到半导体器件的整体功能和速度。

此外，这些靶材还可用于背面镀层，提供对环境因素和机械应力的强大保护。这种互连和保护的双重作用突出了贵金属靶材在现代半导体制造中不可或缺的性质。

表 9-26 全面概述了这些靶材的具体用途，重点介绍了它们的多功能性及其促进的复杂工艺。从增强微电子元件的导电性到强化半导体器件的结构完整性，贵金属溅射靶材的应用多种多样，至关重要。

贵金属靶材的制备

低熔点金属的制备方法

对于金、银和铂等金属，制备过程始于真空熔炼和铸造。这一初始步骤可确保金属的纯度和均匀性，这对它们在半导体制造中的应用至关重要。在铸造之后，金属还要经过轧制和压力加工。这些技术对于将金属塑造成目标材料所需的精确尺寸和微观结构至关重要。

轧制在细化金属的晶粒大小和取向方面尤为有效，这对它们在溅射工艺中的性能有很大影响。另一方面，压力加工可进一步提高靶材的机械性能和密度，确保其符合半导体生产所需的严格规范。

这些方法不仅有利于目标材料的形成，还有助于提高其整体质量和可靠性。真空熔炼、铸造、轧制和压力加工相结合，可确保最终产品具有最高的纯度和一致性，使其成为先进半导体技术的理想选择。

用于难熔金属的方法

难熔金属（如钌、钼、钨和钽）具有极高的熔点和抗磨损、抗腐蚀和抗变形能力。这些特性使它们在各种高温和高应力应用中，特别是在半导体制造中，发挥着不可或缺的作用。这些金属的制备通常涉及粉末冶金领域的先进技术。

制备难熔金属的主要方法之一是真空热压烧结或热等静压烧结。这些工艺可以制造出致密、均匀、具有可控微观结构的材料，这对其在要求苛刻的应用中的性能至关重要。例如，真空炉中常用的耐火金属钼在加热时电阻率会显著增加，因此必须调整电气控制系统以保持最佳性能。

相比之下，另一种耐火金属钨可以承受更高的工作温度，但成本更高。尽管钨的价格较高，但其卓越的热稳定性使其成为某些高温环境下的首选。此外，石墨虽然成本低于金属元素，但在加热时电阻会降低，这为成本和热性能是关键因素的应用提供了替代选择。

材料和制备方法的选择取决于应用的具体要求，同时还要兼顾成本、热稳定性和电气性能等因素。

微观结构控制

微观结构控制是制备贵金属靶材的关键环节，尤其是在半导体制造领域。对于金、银和铂等低熔点金属，要通过压力加工和热处理相结合的方法对晶粒大小和取向进行精细控制。这种双重方法可确保目标材料表现出所需的机械性能和均匀性，这对其在半导体应用中的性能至关重要。

相比之下，难熔金属（如钌及其合金）由于熔点较高且具有独特的冶金特性，需要采用不同的策略。这些金属通常采用粉末冶金技术制备，其中粉末颗粒的大小和分布起着关键作用。无论是通过真空热压烧结还是热等静压烧结，烧结过程都要经过优化，以达到必要的晶粒结构和密度。这种方法可确保最终靶材既经久耐用，又适用于半导体制造中的高精度溅射应用。

控制低熔点金属和难熔金属的微观结构不仅仅是为了获得特定的晶粒大小或取向，更是为了使材料满足半导体技术的严格要求。制备过程中的每一步--从最初的熔化和铸造到最终的烧结--都要经过仔细校准，以确保靶材达到可靠、高效的半导体生产所需的高标准。

贵金属靶材的回收

回收利用的重要性

在半导体制造过程中，有效利用贵金属靶材仍然是一项重大挑战。尽管贵金属靶材在先进集成电路的生产中起着至关重要的作用，但仍有超过 70% 的贵金属靶材未被利用。这种低效率造成了大量的剩余目标、边角料和废料，必须对其进行有效管理。

回收利用这些材料不仅是环保的需要，也是一项战略性的经济决策。回收过程可确保宝贵的资源不被浪费，从而降低总体生产成本，并最大限度地减少与提取和加工新材料相关的环境影响。

此外，半导体制造中贵金属靶材的回收利用对于维持可持续供应链至关重要。随着半导体需求的不断增长，回收和再利用这些材料的能力变得越来越重要。这种做法不仅能保护有限的自然资源，还有助于半导体行业的长期发展。

总之，半导体制造中贵金属靶材的回收利用对于优化资源利用、降低成本和确保行业的可持续发展至关重要。

物理回收方法

物理回收方法在半导体制造中贵金属靶材的回收和再利用方面发挥着至关重要的作用。这些方法旨在有效去除杂质，使靶材恢复到可用状态。

主要技术之一包括 机械加工 机械加工，包括破碎和筛分残余目标。这一步骤对于将目标分解成更小、更易处理的碎片至关重要，从而更容易去除杂质。例如，钌靶通常会被粉碎成细小的颗粒，然后再进行进一步的提纯处理。

机械加工后 酸洗 酸洗用于溶解和去除任何残留杂质。这一步骤可确保目标材料得到彻底清洗，提高其纯度和可再利用性。酸洗对钌等难熔金属尤为有效，这些金属需要严格的纯化才能保持其结构完整性和在半导体应用中的性能。

除酸洗外 脱氧 和 磁处理 是物理回收过程中的关键步骤。脱氧有助于去除任何残留的氧气，否则会影响回收材料的质量。磁性处理则用于分离可能存在的磁性杂质，确保最终产品不含污染物。

这些物理回收方法不仅能有效恢复靶材的再利用，还有助于半导体制造的整体可持续发展。通过最大限度地利用贵金属靶材，这些工艺有助于减少浪费，并将与这些材料的生产和处置相关的环境影响降至最低。

化学回收方法

化学回收方法在从半导体制造过程中产生的残余靶材和废料中回收贵金属方面发挥着至关重要的作用。这一过程首先要将这些材料溶解到溶液中，这是促进后续化学处理的关键步骤。

溶解后，溶液会经过一系列复杂的过程，包括化学沉积、萃取和吸附。这些步骤旨在有选择性地将贵金属与溶液中的其他杂质分离并浓缩。化学沉积包括从溶解的金属中形成固相，而萃取和吸附技术则使用特定的试剂或材料来捕获目标金属。

在这些初始阶段之后，浓缩的贵金属溶液将进行蒸馏，通过去除挥发性成分和残留杂质进一步净化金属。化学回收工艺的最后一步是分解或还原已提纯的金属。这通常是通过使用氢气来实现的，氢气可将金属化合物还原为元素形式，从而获得高纯度的贵金属。

然后，这些高纯度金属就可以在半导体制造过程中重新使用，从而实现材料利用的闭环，大大减少浪费。

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