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半导体材料简单介绍

更新时间:2022-10-25 点击量:625


半导体材料作为半导体产业链上游的重要环节,在芯片的生产制造过程中起到关键性作用。根据芯片制造过程划分,半导体材料主要分为基体材料、制造材料和封装材料。其中,基体材料主要用来制造硅晶圆或化合物半导体;制造材料主要是将硅晶圆或化合物半导体加工成芯片所需的各类材料;封装材料则是将制得的芯片封装切割过程中所用到的材料。

基体材料

根据芯片材质不同,基体材料主要分为硅晶圆和化合物半导体,其中硅晶圆的使用范围广泛,是集成电路制造过程中尤为为重要的原材料。

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1、硅晶圆

硅晶圆片全部采用单晶硅片,对硅料的纯度要求较高,一般要求硅片纯度在99.9999999%以上,因此其制造壁垒较高。一般而言,硅片尺寸越大,硅片切割的边缘损失就越小,每片晶圆能切割的芯片数量就越多,半导体生产效率越高,相应成本越低。

2、化合物半导体

主要是指砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等第二、三代半导体。在化合物半导体中,砷化镓(GaAs)具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、抗辐射、击穿电压高等特性,广泛应用于射频、功率器件、微电子、光电子及国防*工等领域。氮化镓(GaN)能够承载更高的能量密度,且可靠性更高,其在手机、卫星、航天等通信领域,以及光电子、微电子、高温大功率器件和高频微波器件等非通信领域具有广泛应用;碳化硅(SiC)具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高热导率等特性,主要作为高功率半导体材料,通常应用于汽车及工业电力电子等领域,在大功率转换领域应用较为广泛。

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制造材料

1、光刻胶

光刻胶是光刻工艺的核心材料,其主要是通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X 射线等光源的照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻材料。按照下游应用场景不同,光刻胶可分为半导体光刻胶、LCD 光刻胶和PCB光刻胶。从组成成分来看,光刻胶主要成分包括光刻胶树脂、感光剂、溶剂和添加剂等。

在光刻工艺中,光刻胶被涂抹在衬底上,光照或辐射通过掩膜板照射到衬底后,光刻胶在显影溶液中的溶解度便发生变化,经溶液溶解可溶部分后,光刻胶层形成与掩膜版*相同的图形,再通过刻蚀在衬底上完成图形转移。根据下游应用的不同,衬底可以为印刷电路板、面板和集成电路板。光刻工艺是半导体制造中的核心工艺。

2、溅射靶材

靶材是制备电子薄膜材料的溅射工艺*不可少的原材料。溅射工艺主要利用离子源产生的离子,在真空中加速聚集成高速度流的离子束流,轰击固体表面,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面,被轰击的固体称为溅射靶材。

溅射靶材主要应用于半导体、平板显示和太阳能电池等领域。半导体对靶材的金属纯度和内部微观结构要求最高,通常要求达到99.9995%5N5)以上,平板显示器、太阳能电池的金属纯度要求相对较低,分别要求达到99.999%5N)、99.995%4N5)以上。

3、抛光材料

化学机械抛光(CMP)其工作原理是在一定压力及抛光液的存在下,被抛光的晶圆片与抛光垫做相对运动,借助纳米磨料的机械研磨作用与各类化学试剂的化学作用之间有机结合,使被抛光的晶圆表面达到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。

抛光垫和抛光液是最主要的抛光材料,其中,抛光液是一种不含任何硫、磷、氯添加剂的水溶性抛光剂,主要起到抛光、润滑、冷却的作用,而抛光垫主要作用是存储、传输抛光液,对硅片提供一定压力并对其表面进行机械摩擦,是决定表面质量的重要辅料。

4、电子特气

电子特种气体(简称电子特气")是仅次于硅片的第二大半导体原材料,下游应用广泛。电子特气是指用特殊工艺生产并在特定领域中应用的,在纯度、品种、性能等方面有特殊要求的纯气、高纯气或由高纯单质气体配置的二元或多元混合气(具体产品如下图所示)。电子特气是电子工业中的关键性化工材料,下游应用涵盖半导体、显示面板、光纤光缆、光伏、新能源汽车、航空航天等多个领域。

5、掩膜版

又称为光罩、光掩膜、光刻掩膜版,是半导体芯片光刻过程中的设计图形的载体,通过光刻和刻蚀,实现图形到硅晶圆片上的转移。通常根据需求不同,选择不同的玻璃基板。

6、湿电子化学品

又称为超净高纯试剂,主要用于半导体制造过程中的各种高纯化学试剂。按照用途可分为通用湿电子化学品和功能性湿电子化学品,其中通用湿电子化学品一般是指高纯度的纯化学溶剂,如高纯去离子水、氢氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等较为常见的试剂。功能性湿电子化学品是指通过复配手段达到特殊功能、满足制造过程中特殊工艺需求的配方类化学品,如显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等,经常使用在刻蚀、溅射等工艺环节。在晶圆制造过程中,主要使用高纯化学溶剂去清洗颗粒、有机残留物、金属离子、自然氧化层等污染物。

封装材料

1、粘结材料

采用粘结技术实现管芯与底座或封装基板连接的材料,在物理化学性能上要满足机械强度高、化学性能稳定、导电导热、低固化温度和可操作性强的要求。在实际应用中主要的粘结技术包括银浆粘接技术、低熔点玻璃粘接技术、导电胶粘接技术、环氧树脂粘接技术、共晶焊技术。环氧树脂是应用比较广泛的粘结材料,芯片和封装基本材料表面呈现不同的亲水和疏水性,需对其表面进行等离子处理来改善环氧树脂在其表面的流动性,提高粘结效果。

2、陶瓷封装材料

用于承载电子元器件的机械支撑、环境密封和散热等功能。相比于金属封装材料和塑料封装材料,陶瓷封装材料具有耐湿性好,良好的线膨胀率和热导率,在电热机械等方面性能极其稳定,但加工成本高,具有较高的脆性。

3、封装基板

是封装材料中成本占比最大的部分,主要起到承载保护芯片与连接上层芯片和下层电路板的作用。完整的芯片是由裸芯片(晶圆片)与封装体(封装基板与固封材料、引线等)组合而成。封装基板能够保护、固定、支撑芯片,增强芯片的导热散热性能,另外还能够连通芯片与印刷电路板,实现电气和物理连接、功率分配、信号分配,以及沟通芯片内部与外部电路等功能。

4、切割材料

晶圆切割是半导体芯片制造过程中重要的工序,在晶圆制造中属于后道工序,主要将做好芯片的整片晶圆按照芯片大小切割成单一的芯片井粒。在封装流程中,切割是晶圆测试的前序工作,常见的芯片封装流程是先将整片晶圆切割为小晶粒然后再进行封装测试,而晶圆级封装技术是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片。

目前主流的切割方法分为两类,一类是用划片系统进行切割,另一类利用激光进行切割。其中划片系统切割主要包括砂浆切割和金刚石材料切割,该技术起步较早*较大。激光切割属于新兴无接触切割,切割表面光滑平整,适用于不同类型的晶圆切割。



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