选错钼靶材，溅射膜层报废率飙升：一个工艺工程师的教训

在半导体制造流程中，薄膜质量对器件性能和良率影响巨大。钼靶材作为溅射工艺中不可或缺的一环，其纯度、致密度、晶粒结构等参数，直接决定了膜层均匀性、电阻率及粘附性能。然而，尽管多数企业在设备上持续投入，却在靶材选型这一“微小”环节上忽略了优化空间，导致良率不稳、成本居高不下的问题屡屡出现。

一、现实困境：良率不稳，设备不停，问题或源于靶材？

近年来，伴随半导体器件集成度的提升，对薄膜均匀性和成膜一致性的要求持续提高。但不少工艺工程师反馈，尽管设备参数恒定、工艺流程未变，成膜结果仍存在批次间差异。

通过对多家半导体封测企业的访谈与数据回溯发现，以下几点被频繁提及：

• 膜层厚度波动，影响刻蚀窗口控制；

• 成膜后表面粗糙度超标，引发后续光刻困难；

• 局部剥离、开裂现象，严重时导致批量返工；

• 设备靶材寿命不稳定，频繁更换影响产线节拍。

进一步追踪溅射过程后发现，这些问题往往源于靶材性能不稳定，而非工艺设置本身。

二、核心原理：决定靶材性能的关键，不止“纯度”一项

钼靶材的性能不只由元素含量决定，更深层的技术变量，体现在以下几个维度：

1. 晶粒结构与取向分布

不同晶向的钼晶粒对溅射速率的响应不同。理想情况下，应控制晶粒细小、等轴、致密，且减少(110)晶向偏离，以确保膜层沉积速率稳定且均匀。

2. 致密度与孔隙控制

孔隙是等离子体能量耗散的“黑洞”，过多的孔隙会导致靶材在溅射过程中释放气体，形成膜层杂质。高致密度（>99.95%）的靶材不仅提升膜纯净度，也大幅延长靶材寿命。

3. 氧含量与杂质水平

钼材料在烧结、热等静压过程易吸附氧气及微量杂质，这会在高能离子轰击下析出，形成膜内夹杂，影响薄膜的导电性与附着力。

4. 加工方式与应力控制

传统CNC切削容易引入表面应力区，造成溅射初期不稳定。采用精密研磨+表面钝化技术可有效降低应力集中，提升膜层初始稳定性。

三、真实案例：换靶不换线，封测企业良率提升12%

一家华南地区的晶圆封测厂商曾因膜层剥离问题频繁返修，平均每月良率浮动高达6%。他们原使用商业常规钼靶材，靶材批次间一致性差，严重时膜层电阻率偏差达18%。

在与材料工程供应商合作后，尝试采用以下改进型钼靶材：

• 高纯（>99.97%）真空熔炼坯料；

• 经HIP处理的等轴晶粒结构；

• 表面研磨至Ra < 0.2μm，附带低应力处理。

更换靶材后，半年内其平均膜层剥离率下降约80%，成品率从原本的88.2%稳定至96.4%，实现了无需修改设备和流程的良率优化。

四、建议路径：如何科学选择钼靶材？

企业在选购钼靶材时，建议关注以下几个技术指标，并可通过样品测试进行预筛选：

同时，在选型前期，建议与供应商沟通以下要点：

• 是否具备溯源编号管理体系，确保批次一致性；

• 是否支持定制尺寸与孔位分布，优化靶材利用率；

• 是否提供钼合金（如Mo-Ti、Mo-Nb）靶材选项，以适配特殊功能膜层需求。