半導(dǎo)體材料簡單介紹

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、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*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較低，分別要求達到99.999%（5N）、99.995%（4N5）以上。  

3、拋光材料

化學(xué)機械拋光（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運動，借助納米磨料的機械研磨作用與各類化學(xué)試劑的化學(xué)作用之間有機結(jié)合，使被拋光的晶圓表面達到高度平坦化、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、潤滑、冷卻的作用，而拋光墊主要作用是存儲、傳輸拋光液，對硅片提供一定壓力并對其表面進行機械摩擦，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)計圖形的載體，通過光刻和刻蝕，實現(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

又稱為超凈高純試劑，主要用于半導(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)性能上要滿足機械強度高、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的要求。在實際應(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，需對其表面進行等離子處理來改善環(huán)氧樹脂在其表面的流動性，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、固定、支撐芯片，增強芯片的導(dǎo)熱散熱性能，另外還能夠連通芯片與印刷電路板，實現(xiàn)電氣和物理連接、功率分配、信號分配，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行封裝測試，而晶圓級封裝技術(shù)是對整片晶圓進行封裝測試后再切割得到單個成品芯片。

目前主流的切割方法分為兩類，一類是用劃片系統(tǒng)進行切割，另一類利用激光進行切割。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。