【硬科普】半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈的三大類材料有啥？
文章導(dǎo)讀：半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，在科技領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都具有至關(guān)重要的作用。從分類來看，半導(dǎo)體可分為集成電路、分立器件、光學(xué)光電子和傳感器四大部分，其中集成電路占比最大，超過80%；分立器件、光電子和傳感器占據(jù)其余份額，三者統(tǒng)稱為D-O-S。細(xì)分到具體產(chǎn)品，集成電路又可分為數(shù)字芯片和模擬芯片兩部分，其中數(shù)字電路包括邏輯芯片、存儲器和微處理器，模擬芯片主要包括電源管理芯片和信號鏈等。
半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，在科技領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都具有至關(guān)重要的作用。從分類來看，半導(dǎo)體可分為集成電路、分立器件、光學(xué)光電子和傳感器四大部分，其中集成電路占比最大，超過80%；分立器件、光電子和傳感器占據(jù)其余份額，三者統(tǒng)稱為D-O-S。細(xì)分到具體產(chǎn)品，集成電路又可分為數(shù)字芯片和模擬芯片兩部分，其中數(shù)字電路包括邏輯芯片、存儲器和微處理器，模擬芯片主要包括電源管理芯片和信號鏈等。
從材料的角度看，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)的材料主要有三大類：1、基體材料；2、制造材料；3封裝材料。
01 基體材料
硅晶圓
根據(jù)芯片材質(zhì)不同，分為硅晶圓片（第一代半導(dǎo)體）和化合物半導(dǎo)體，其中硅晶圓片的使用范圍最廣，是集成電路IC制造過程中最為重要的原材料。硅晶圓片全部采用單晶硅片，應(yīng)用于電力電子上的硅材料純度要求更高，通常要求純度達(dá)到11N以上。
化合物半導(dǎo)體
化合物半導(dǎo)體主要指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等第二、第三代半導(dǎo)體，相比第一代單質(zhì)半導(dǎo)體（如硅（Si）、鍺（Ge）等所形成的半導(dǎo)體），化合物半導(dǎo)體在高頻性能、高溫性能方面優(yōu)異很多。
總的來說。第1代：硅、鍺的應(yīng)用，推動了數(shù)字電路及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的興起，目前代表產(chǎn)品是硅；第2代：砷化鎵、磷化銦的應(yīng)用，推動了通信等一系列產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；第3代：氮化鎵、碳化硅等半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，目前能看到的是直接推動了半導(dǎo)體照明、顯示、電力汽車等一系列產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
02 制造材料
拋光材料
半導(dǎo)體中的拋光材料一般是指CMP化學(xué)機(jī)械拋光過程中用到的材料，CMP拋光是實現(xiàn)晶圓全局均勻平坦化的關(guān)鍵工藝。
拋光材料一般可以分為拋光墊、拋光液、調(diào)節(jié)器和清潔劑，其中前二者最為關(guān)鍵。拋光墊的材料一般是聚氨酯或者是聚酯中加入飽和的聚氨酯，拋光液一般是由超細(xì)固體粒子研磨劑（如納米級二氧化硅、氧化鋁粒子等）、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等組成。
光刻膠
光刻膠又稱光致抗蝕劑，是一種對光敏感的混合液體。其組成部分包括：光引發(fā)劑（包括光增感劑、光致產(chǎn)酸劑）、光刻膠樹脂、單體、溶劑和其他助劑。光刻膠可以通過光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)曝光、顯影等光刻工序?qū)⑺枰奈⒓?xì)圖形從光罩（掩模版）轉(zhuǎn)移到待加工基片上。依據(jù)使用場景，這里的待加工基片可以是集成電路材料，顯示面板材料（LCD）或者印刷電路板（PCB）。光刻膠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理不同，可以分為正型光刻膠和負(fù)型光刻膠。
從技術(shù)難度來看：PCB光刻膠＜LCD光刻膠＜半導(dǎo)體光刻膠；相應(yīng)的國產(chǎn)化比重也越來越低。
光刻膠所屬的微電子化學(xué)品是電子行業(yè)與化工行業(yè)交叉的領(lǐng)域，是典型的技術(shù)密集行業(yè)。從事微電子化學(xué)品業(yè)務(wù)需要具備與電子產(chǎn)業(yè)前沿發(fā)展相匹配的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，如混配技術(shù)、分離技術(shù)、純化技術(shù)以及與生產(chǎn)過程相配套的分析檢驗技術(shù)、環(huán)境處理與監(jiān)測技術(shù)等。光刻膠的技術(shù)壁壘包括配方技術(shù)，質(zhì)量控制技術(shù)和原材料技術(shù)。配方技術(shù)是光刻膠實現(xiàn)功能的核心，質(zhì)量控制技術(shù)能夠保證光刻膠性能的穩(wěn)定性而高品質(zhì)的原材料則是光刻膠性能的基礎(chǔ)。
掩膜版
業(yè)內(nèi)又稱光罩、光掩模版、光刻掩膜版，英文名稱MASK或PHOTOMASK，材料：石英玻璃、金屬鉻和感光膠，該產(chǎn)品是由石英玻璃作為襯底，在其上面鍍上一層金屬鉻和感光膠，成為一種感光材料，把已設(shè)計好的電路圖形通過電子激光設(shè)備曝光在感光膠上,被曝光的區(qū)域會被顯影出來，在金屬鉻上形成電路圖形，成為類似曝光后的底片的光掩模版，然后應(yīng)用于對集成電路進(jìn)行投影定位，通過集成電路光刻機(jī)對所投影的電路進(jìn)行光蝕刻，其生產(chǎn)加工工序為：曝光，顯影，去感光膠，最后應(yīng)用于光蝕刻。
濺射靶材
濺射薄膜制備的源頭材料，又稱濺射靶材，特別是高純度濺射靶材應(yīng)用于電子元器件制造的物理氣相沉積（Physical_Vapor_Deposition，PVD）工藝，是制備晶圓、面板、太陽能電池等表面電子薄膜的關(guān)鍵材料。真空狀態(tài)下，用加速的離子轟擊固體表面，離子和固體表面原子交換動量，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面形成所需要的薄膜，這一過程稱為濺射。被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的源材料，通常稱為靶材。
半導(dǎo)體芯片的單元器件內(nèi)部由襯底、絕緣層、介質(zhì)層、導(dǎo)體層及保護(hù)層等組成，其中，介質(zhì)層、導(dǎo)體層甚至保護(hù)層都要用到濺射鍍膜工藝。集成電路領(lǐng)域的鍍膜用靶材主要包括鋁靶、鈦靶、銅靶、鉭靶、鎢鈦靶等，要求靶材純度很高，一般在5N（99.999%）以上。
濕電子化學(xué)品，也通常被稱為超凈高純試劑，是指用在半導(dǎo)體制造過程中的各種高純化學(xué)試劑。按照用途可以被分為通用化學(xué)品和功能性化學(xué)品，其中通用化學(xué)品一般是指高純度的純化學(xué)溶劑，例如高純的去離子水、氫氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等較為常見的試劑。
在制造晶圓的過程中，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。功能性化學(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，例如顯影液、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)。
電子特氣
電子特氣是指在半導(dǎo)體芯片制備過程中需要使用到的各種特種氣體，按照氣體的化學(xué)成分可以分為通用氣體和特種氣體。另外按照用途也可以分為摻雜氣體、外延用氣體、離子注入氣、發(fā)光二極管用氣、刻蝕用氣、化學(xué)氣相沉積氣和平衡氣。與高純試劑類似，電子特氣對氣體純度的要求也極高，基本上都要求ppt級別以下的雜質(zhì)含量。這是因為IC電路的尺寸已經(jīng)達(dá)到納米級別，氣體中任何微量殘存的雜質(zhì)都有可能造成半導(dǎo)體短路或者線路損壞。
03 封裝材料
半導(dǎo)體封裝是指將通過測試的晶圓按照產(chǎn)品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。整個封裝流程需要用到的材料主要有芯片粘結(jié)材料、陶瓷封裝材料、鍵合絲、引線框架、封裝基板、切割材料等。
粘結(jié)材料
粘結(jié)材料是采用粘結(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(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)。
封裝基板
封裝材料主要起到承我保護(hù)芯片與連接下層電路板的作用。完整的芯片是由裸芯片與封裝體組合而成，封裝基板能夠保護(hù)、固定、支撐芯片。
封裝基板通?？梢苑譃橛袡C(jī)、無機(jī)和復(fù)合等三類基板，在不同封裝領(lǐng)域各有優(yōu)缺點。有機(jī)基板介電常數(shù)較低且易加工，適合導(dǎo)熱性能要求不高的高頻信號傳輸；無機(jī)基板以陶瓷為支撐體，耐熱性能好、布線容易且尺寸穩(wěn)定性，但是成本和材料毒性有一定限制；復(fù)合基板則是根據(jù)不同需求特性來復(fù)合不同有機(jī)、無機(jī)材料。
陶瓷封裝材料
陶瓷封裝材料是電子封裝材料的一種，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，但是加工成本高，具有較高的脆性。
切割材料
晶圓劃片(即切割)是半導(dǎo)體芯片制造工藝流程中的一道必不可少的工序，在晶圓制造中屬后道工序。將做好芯片的整片晶圓按芯片大小分割成單一的芯片(die)，稱之為晶圓劃片。
最早的晶圓是用劃片系統(tǒng)進(jìn)行劃片（切割）的，現(xiàn)在這種方法任然占據(jù)了世界芯片切割市場的較大份額，特別是在非集成電路晶圓劃片領(lǐng)域。金剛石鋸片（砂輪）劃片方法是目前常見的晶圓劃片方法。而新型的激光晶圓劃片屬于無接觸式加工，不對晶圓產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的作用，對晶圓損傷較小。由于激光在聚焦上的有點，聚焦點可小到亞微米數(shù)量級，從而對晶圓的微處理更具優(yōu)越性。
引線框架及鍵合材料
引線框架作為集成電路的芯片載體，是一種借助于鍵合材料（金絲、鋁絲、銅絲）實現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出端與外引線的電氣連接，形成電氣回路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，它起到了和外部導(dǎo)線連接的橋梁作用，絕大部分的半導(dǎo)體集成塊中都需要使用引線框架，是電子信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。
引線框架用銅合金大致分為銅一鐵系、銅一鎳-硅系、銅一鉻系、銅一鎳一錫系(JK--2合金)等，三元、四元等多元系銅合金能夠取得比傳統(tǒng)二元合金更優(yōu)的性能。
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