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【硬科普】半導體制造產業鏈的三大類材料有啥?

返回列表 來源:真空技術與設備網 瀏覽: 發布日期:2021-11-01 13:27【
文章導讀:半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,在科技領域和經濟領域都具有至關重要的作用。從分類來看,半導體可分為集成電路、分立器件、光學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其余份額,三者統稱為D-O-S。細分到具體產品,集成電路又可分為數字芯片和模擬芯片兩部分,其中數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。
        半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,在科技領域和經濟領域都具有至關重要的作用。從分類來看,半導體可分為集成電路、分立器件、光學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其余份額,三者統稱為D-O-S。細分到具體產品,集成電路又可分為數字芯片和模擬芯片兩部分,其中數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。

半導體制造材料產業鏈

        從材料的角度看,半導體產業相關的材料主要有三大類:1、基體材料;2、制造材料;3封裝材料。

 
半導體制造相關材料
        01 基體材料
 
        硅晶圓
 
        根據芯片材質不同,分為硅晶圓片(第一代半導體)和化合物半導體,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,應用于電力電子上的硅材料純度要求更高,通常要求純度達到11N以上。
 
        化合物半導體
 
        化合物半導體主要指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)等第二、第三代半導體,相比第一代單質半導體(如硅(Si)、鍺(Ge)等所形成的半導體),化合物半導體在高頻性能、高溫性能方面優異很多。
 
        總的來說。第1代:硅、鍺的應用,推動了數字電路及其相關產業的興起,目前代表產品是硅;第2代:砷化鎵、磷化銦的應用,推動了通信等一系列產業的發展;第3代:氮化鎵、碳化硅等半導體材料的應用,目前能看到的是直接推動了半導體照明、顯示、電力汽車等一系列產業的發展。
 
半導體材料產業發展
 
        02 制造材料
 
        拋光材料
 
        半導體中的拋光材料一般是指CMP化學機械拋光過程中用到的材料,CMP拋光是實現晶圓全局均勻平坦化的關鍵工藝。
 
        拋光材料一般可以分為拋光墊、拋光液、調節器和清潔劑,其中前二者最為關鍵。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:光引發劑(包括光增感劑、光致產酸劑)、光刻膠樹脂、單體、溶劑和其他助劑。光刻膠可以通過光化學反應,經曝光、顯影等光刻工序將所需要的微細圖形從光罩(掩模版)轉移到待加工基片上。依據使用場景,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)。光刻膠根據化學反應原理不同,可以分為正型光刻膠和負型光刻膠。
 
        從技術難度來看:PCB光刻膠<LCD光刻膠<半導體光刻膠;相應的國產化比重也越來越低。
 
        光刻膠所屬的微電子化學品是電子行業與化工行業交叉的領域,是典型的技術密集行業。從事微電子化學品業務需要具備與電子產業前沿發展相匹配的關鍵生產技術,如混配技術、分離技術、純化技術以及與生產過程相配套的分析檢驗技術、環境處理與監測技術等。光刻膠的技術壁壘包括配方技術,質量控制技術和原材料技術。配方技術是光刻膠實現功能的核心,質量控制技術能夠保證光刻膠性能的穩定性而高品質的原材料則是光刻膠性能的基礎。
 
        掩膜版
 
        業內又稱光罩、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,把已設計好的電路圖形通過電子激光設備曝光在感光膠上,被曝光的區域會被顯影出來,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,然后應用于對集成電路進行投影定位,通過集成電路光刻機對所投影的電路進行光蝕刻,其生產加工工序為:曝光,顯影,去感光膠,最后應用于光蝕刻。
 
半導體核心技術
 
        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鍵材料。真空狀態下,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。
 
        半導體芯片的單元器件內部由襯底、絕緣層、介質層、導體層及保護層等組成,其中,介質層、導體層甚至保護層都要用到濺射鍍膜工藝。集成電路領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。
 
半導體高純靶材
 
        濕電子化學品,也通常被稱為超凈高純試劑,是指用在半導體制造過程中的各種高純化學試劑。按照用途可以被分為通用化學品和功能性化學品,其中通用化學品一般是指高純度的純化學溶劑,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。功能性化學品是指通過復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品,例如顯影液、剝離液、清洗液、刻蝕液等,經常使用在刻蝕、濺射等工藝環節。
 
        電子特氣
 
        電子特氣是指在半導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、發光二極管用氣、刻蝕用氣、化學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級別以下的雜質含量。這是因為IC電路的尺寸已經達到納米級別,氣體中任何微量殘存的雜質都有可能造成半導體短路或者線路損壞。
 
        03 封裝材料
 
        半導體封裝是指將通過測試的晶圓按照產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。
 
        粘結材料
 
        粘結材料是采用粘結技術實現管芯與底座或封裝基板連接的材料,在物理化學性能上要滿足機械強度高、化學性能穩定、導電導熱、低固化溫度和可操作性強的要求。在實際應用中主要的粘結技術包括銀漿粘接技術、低熔點玻璃粘接技術、導電膠粘接技術、環氧樹脂粘接技術、共晶焊技術。
 
        封裝基板
 
        封裝材料主要起到承我保護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、固定、支撐芯片。
 
        封裝基板通??梢苑譃橛袡C、無機和復合等三類基板,在不同封裝領域各有優缺點。有機基板介電常數較低且易加工,適合導熱性能要求不高的高頻信號傳輸;無機基板以陶瓷為支撐體,耐熱性能好、布線容易且尺寸穩定性,但是成本和材料毒性有一定限制;復合基板則是根據不同需求特性來復合不同有機、無機材料。
 
        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械支撐、環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率,在電熱機械等方面性能極其穩定,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進行劃片(切割)的,現在這種方法任然占據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,不對晶圓產生機械應力的作用,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量級,從而對晶圓的微處理更具優越性。
 
        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)實現芯片內部電路引出端與外引線的電氣連接,形成電氣回路的關鍵結構件,它起到了和外部導線連接的橋梁作用,絕大部分的半導體集成塊中都需要使用引線框架,是電子信息產業中重要的基礎材料。
 
        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二元合金更優的性能。
 
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