半導(dǎo)體材料概述

半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的重要環(huán)節(jié)，在芯片的生產(chǎn)制造過程中起到關(guān)鍵性作用。根據(jù)芯片制造過程劃分，半導(dǎo)體材料主要分為基體材料、制造材料和封裝材料。其中，基體材料主要用來制造硅晶圓或化合物半導(dǎo)體；制造材料主要是將硅晶圓或化合物半導(dǎo)體加工成芯片所需的各類材料；封裝材料則是將制得的芯片封裝切割過程中所用到的材料。 

基體材料

根據(jù)芯片材質(zhì)不同，基體材料主要分為硅晶圓和化合物半導(dǎo)體，其中硅晶圓的使用范圍*廣，是集成電路制造過程中*為重要的原材料。

1、硅晶圓

硅晶圓片全部采用單晶硅片，對(duì)硅料的純度要求較高，一般要求硅片純度在99.9999999%以上，因此其制造壁壘較高。一般而言，硅片尺寸越大，硅片切割的邊緣損失就越小，每片晶圓能切割的芯片數(shù)量就越多，半導(dǎo)體生產(chǎn)效率越高，相應(yīng)成本越低。 

2、化合物半導(dǎo)體

主要是指砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等**、三代半導(dǎo)體。在化合物半導(dǎo)體中，砷化鎵（GaAs）具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發(fā)光效率、抗輻射、擊穿電壓高等特性，廣泛應(yīng)用于射頻、功率器件、微電子、光電子及國(guó)防**等領(lǐng)域。氮化鎵（GaN）能夠承載更高的能量密度，且可靠性更高，其在手機(jī)、衛(wèi)星、航天等通信領(lǐng)域，以及光電子、微電子、高溫大功率器件和高頻微波器件等非通信領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用；碳化硅（SiC）具有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率等特性，主要作為高功率半導(dǎo)體材料，通常應(yīng)用于汽車及工業(yè)電力電子等領(lǐng)域，在大功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。 

制造材料

1、光刻膠

光刻膠是光刻工藝的核心材料，其主要是通過紫外光、準(zhǔn)分子激光、電子束、離子束、X 射線等光源的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕刻材料。按照下游應(yīng)用場(chǎng)景不同，光刻膠可分為半導(dǎo)體光刻膠、LCD 光刻膠和PCB光刻膠。從組成成分來看，光刻膠主要成分包括光刻膠樹脂、感光劑、溶劑和添加劑等。

在光刻工藝中，光刻膠被涂抹在襯底上，光照或輻射通過掩膜板照射到襯底后，光刻膠在顯影溶液中的溶解度便發(fā)生變化，經(jīng)溶液溶解可溶部分后，光刻膠層形成與掩膜版完全相同的圖形，再通過刻蝕在襯底上完成圖形轉(zhuǎn)移。根據(jù)下游應(yīng)用的不同，襯底可以為印刷電路板、面板和集成電路板。光刻工藝是半導(dǎo)體制造中的核心工藝。

2、濺射靶材

靶材是制備電子薄膜材料的濺射工藝必不可少的原材料。濺射工藝主要利用離子源產(chǎn)生的離子，在真空中加速聚集成高速度流的離子束流，轟擊固體表面，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面，被轟擊的固體稱為濺射靶材。

濺射靶材主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、平板顯示和太陽能電池等領(lǐng)域。半導(dǎo)體對(duì)靶材的金屬純度和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)要求*高，通常要求達(dá)到99.9995%（5N5）以上，平板顯示器、太陽能電池的金屬純度要求相對(duì)較低，分別要求達(dá)到99.999%（5N）、99.995%（4N5）以上。 

3、拋光材料

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）其工作原理是在一定壓力及拋光液的存在下，被拋光的晶圓片與拋光墊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助納米磨料的機(jī)械研磨作用與各類化學(xué)試劑的化學(xué)作用之間有機(jī)結(jié)合，使被拋光的晶圓表面達(dá)到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。

拋光墊和拋光液是*主要的拋光材料，其中，拋光液是一種不含任何硫、磷、氯添加劑的水溶性拋光劑，主要起到拋光、潤(rùn)滑、冷卻的作用，而拋光墊主要作用是存儲(chǔ)、傳輸拋光液，對(duì)硅片提供一定壓力并對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械摩擦，是決定表面質(zhì)量的重要輔料。

4、電子特氣

電子特種氣體（簡(jiǎn)稱“電子特氣”）是僅次于硅片的**大半導(dǎo)體原材料，下游應(yīng)用廣泛。電子特氣是指用特殊工藝生產(chǎn)并在特定領(lǐng)域中應(yīng)用的，在純度、品種、性能等方面有特殊要求的純氣、高純氣或由高純單質(zhì)氣體配置的二元或多元混合氣（具體產(chǎn)品如下圖所示）。電子特氣是電子工業(yè)中的關(guān)鍵性化工材料，下游應(yīng)用涵蓋半導(dǎo)體、顯示面板、光纖光纜、光伏、新能源汽車、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。

5、掩膜版

又稱為光罩、光掩膜、光刻掩膜版，是半導(dǎo)體芯片光刻過程中的設(shè)計(jì)圖形的載體，通過光刻和刻蝕，實(shí)現(xiàn)圖形到硅晶圓片上的轉(zhuǎn)移。通常根據(jù)需求不同，選擇不同的玻璃基板。

6、濕電子化學(xué)品

又稱為超凈高純?cè)噭?，主要用于半?dǎo)體制造過程中的各種高純化學(xué)試劑。按照用途可分為通用濕電子化學(xué)品和功能性濕電子化學(xué)品，其中通用濕電子化學(xué)品一般是指高純度的純化學(xué)溶劑，如高純?nèi)ルx子水、氫氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等較為常見的試劑。功能性濕電子化學(xué)品是指通過復(fù)配手段達(dá)到特殊功能、滿足制造過程中特殊工藝需求的配方類化學(xué)品，如顯影液、剝離液、清洗液、刻蝕液等，經(jīng)常使用在刻蝕、濺射等工藝環(huán)節(jié)。在晶圓制造過程中，主要使用高純化學(xué)溶劑去清洗顆粒、有機(jī)殘留物、金屬離子、自然氧化層等污染物。

封裝材料

1、粘結(jié)材料

采用粘結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)管芯與底座或封裝基板連接的材料，在物理化學(xué)性能上要滿足機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱、低固化溫度和可操作性強(qiáng)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中主要的粘結(jié)技術(shù)包括銀漿粘接技術(shù)、低熔點(diǎn)玻璃粘接技術(shù)、導(dǎo)電膠粘接技術(shù)、環(huán)氧樹脂粘接技術(shù)、共晶焊技術(shù)。環(huán)氧樹脂是應(yīng)用比較廣泛的粘結(jié)材料，芯片和封裝基本材料表面呈現(xiàn)不同的親水和疏水性，需對(duì)其表面進(jìn)行等離子處理來改善環(huán)氧樹脂在其表面的流動(dòng)性，提高粘結(jié)效果。

2、陶瓷封裝材料

用于承載電子元器件的機(jī)械支撐、環(huán)境密封和散熱等功能。相比于金屬封裝材料和塑料封裝材料，陶瓷封裝材料具有耐濕性好，良好的線膨脹率和熱導(dǎo)率，在電熱機(jī)械等方面性能極其穩(wěn)定，但加工成本高，具有較高的脆性。

3、封裝基板

是封裝材料中成本占比*大的部分，主要起到承載保護(hù)芯片與連接上層芯片和下層電路板的作用。完整的芯片是由裸芯片（晶圓片）與封裝體（封裝基板與固封材料、引線等）組合而成。封裝基板能夠保護(hù)、固定、支撐芯片，增強(qiáng)芯片的導(dǎo)熱散熱性能，另外還能夠連通芯片與印刷電路板，實(shí)現(xiàn)電氣和物理連接、功率分配、信號(hào)分配，以及溝通芯片內(nèi)部與外部電路等功能。

4、切割材料

晶圓切割是半導(dǎo)體芯片制造過程中重要的工序，在晶圓制造中屬于后道工序，主要將做好芯片的整片晶圓按照芯片大小切割成單一的芯片井粒。在封裝流程中，切割是晶圓測(cè)試的前序工作，常見的芯片封裝流程是先將整片晶圓切割為小晶粒然后再進(jìn)行封裝測(cè)試，而晶圓級(jí)封裝技術(shù)是對(duì)整片晶圓進(jìn)行封裝測(cè)試后再切割得到單個(gè)成品芯片。

目前主流的切割方法分為兩類，一類是用劃片系統(tǒng)進(jìn)行切割，另一類利用激光進(jìn)行切割。其中劃片系統(tǒng)切割主要包括砂漿切割和金剛石材料切割，該技術(shù)起步較早市場(chǎng)份額較大。激光切割屬于新興無接觸切割，切割表面光滑平整，適用于不同類型的晶圓切割。