硬科普！半导体制造产业链的三大类材料有啥？
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作者:chipnews
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发布时间: 2021-10-11
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半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，在科技领域和经济领域都具有至关重要的作用。从分类来看，半导体可分为集成电路、分立器件、光学光电子和传感器四大部分，其中集成电路占比最大，超过80%；分立器件、光电子和传感器占据其余份额，三者统称为D-O-S。细分到具体产品，集成电路又可分为数字芯片和模拟芯片两部分，其中数字电路包括逻辑芯片、存储器和微处理器，模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链等。
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，在科技领域和经济领域都具有至关重要的作用。从分类来看，半导体可分为集成电路、分立器件、光学光电子和传感器四大部分，其中集成电路占比最大，超过80%；分立器件、光电子和传感器占据其余份额，三者统称为D-O-S。细分到具体产品，集成电路又可分为数字芯片和模拟芯片两部分，其中数字电路包括逻辑芯片、存储器和微处理器，模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链等。
从材料的角度看，半导体产业相关的材料主要有三大类：1、基体材料；2、制造材料；3封装材料。根据芯片材质不同，分为硅晶圆片（第一代半导体）和化合物半导体，其中硅晶圆片的使用范围最广，是集成电路IC制造过程中最为重要的原材料。硅晶圆片全部采用单晶硅片，应用于电力电子上的硅材料纯度要求更高，通常要求纯度达到11N以上。化合物半导体主要指砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等第二、第三代半导体，相比第一代单质半导体（如硅（Si）、锗（Ge）等所形成的半导体），化合物半导体在高频性能、高温性能方面优异很多。总的来说。第1代：硅、锗的应用，推动了数字电路及其相关产业的兴起，目前代表产品是硅；第2代：砷化镓、磷化铟的应用，推动了通信等一系列产业的发展；第3代：氮化镓、碳化硅等半导体材料的应用，目前能看到的是直接推动了半导体照明、显示、电力汽车等一系列产业的发展。半导体中的抛光材料一般是指CMP化学机械抛光过程中用到的材料，CMP抛光是实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。抛光材料一般可以分为抛光垫、抛光液、调节器和清洁剂，其中前二者最为关键。抛光垫的材料一般是聚氨酯或者是聚酯中加入饱和的聚氨酯，抛光液一般是由超细固体粒子研磨剂（如纳米级二氧化硅、氧化铝粒子等）、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。光刻胶又称光致抗蚀剂，是一种对光敏感的混合液体。其组成部分包括：光引发剂（包括光增感剂、光致产酸剂）、光刻胶树脂、单体、溶剂和其他助剂。光刻胶可以通过光化学反应，经曝光、显影等光刻工序将所需要的微细图形从光罩（掩模版）转移到待加工基片上。依据使用场景，这里的待加工基片可以是集成电路材料，显示面板材料（LCD）或者印刷电路板（PCB）。光刻胶根据化学反应原理不同，可以分为正型光刻胶和负型光刻胶。从技术难度来看：PCB光刻胶＜LCD光刻胶＜半导体光刻胶；相应的国产化比重也越来越低。光刻胶所属的微电子化学品是电子行业与化工行业交叉的领域，是典型的技术密集行业。从事微电子化学品业务需要具备与电子产业前沿发展相匹配的关键生产技术，如混配技术、分离技术、纯化技术以及与生产过程相配套的分析检验技术、环境处理与监测技术等。光刻胶的技术壁垒包括配方技术，质量控制技术和原材料技术。配方技术是光刻胶实现功能的核心，质量控制技术能够保证光刻胶性能的稳定性而高品质的原材料则是光刻胶性能的基础。业内又称光罩、光掩模版、光刻掩膜版，英文名称MASK或PHOTOMASK，材料：石英玻璃、金属铬和感光胶，该产品是由石英玻璃作为衬底，在其上面镀上一层金属铬和感光胶，成为一种感光材料，把已设计好的电路图形通过电子激光设备曝光在感光胶上,被曝光的区域会被显影出来，在金属铬上形成电路图形，成为类似曝光后的底片的光掩模版，然后应用于对集成电路进行投影定位，通过集成电路光刻机对所投影的电路进行光蚀刻，其生产加工工序为：曝光，显影，去感光胶，最后应用于光蚀刻。溅射薄膜制备的源头材料，又称溅射靶材，特别是高纯度溅射靶材应用于电子元器件制造的物理气相沉积（Physical_Vapor_Deposition，PVD）工艺，是制备晶圆、面板、太阳能电池等表面电子薄膜的关键材料。真空状态下，用加速的离子轰击固体表面，离子和固体表面原子交换动量，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面形成所需要的薄膜，这一过程称为溅射。被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的源材料，通常称为靶材。半导体芯片的单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成，其中，介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺。集成电路领域的镀膜用靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等，要求靶材纯度很高，一般在5N（99.999%）以上。湿电子化学品，也通常被称为超净高纯试剂，是指用在半导体制造过程中的各种高纯化学试剂。按照用途可以被分为通用化学品和功能性化学品，其中通用化学品一般是指高纯度的纯化学溶剂，例如高纯的去离子水、氢氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等较为常见的试剂。在制造晶圆的过程中，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。功能性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，例如显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等，经常使用在刻蚀、溅射等工艺环节。电子特气是指在半导体芯片制备过程中需要使用到的各种特种气体，按照气体的化学成分可以分为通用气体和特种气体。另外按照用途也可以分为掺杂气体、外延用气体、离子注入气、发光二极管用气、刻蚀用气、化学气相沉积气和平衡气。与高纯试剂类似，电子特气对气体纯度的要求也极高，基本上都要求ppt级别以下的杂质含量。这是因为IC电路的尺寸已经达到纳米级别，气体中任何微量残存的杂质都有可能造成半导体短路或者线路损坏。半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。整个封装流程需要用到的材料主要有芯片粘结材料、陶瓷封装材料、键合丝、引线框架、封装基板、切割材料等。粘结材料是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。封装材料主要起到承我保护芯片与连接下层电路板的作用。完整的芯片是由裸芯片与封装体组合而成，封装基板能够保护、固定、支撑芯片。封装基板通常可以分为有机、无机和复合等三类基板，在不同封装领域各有优缺点。有机基板介电常数较低且易加工，适合导热性能要求不高的高频信号传输；无机基板以陶瓷为支撑体，耐热性能好、布线容易且尺寸稳定性，但是成本和材料毒性有一定限制；复合基板则是根据不同需求特性来复合不同有机、无机材料。陶瓷封装材料是电子封装材料的一种，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，但是加工成本高，具有较高的脆性。晶圆划片(即切割)是半导体芯片制造工艺流程中的一道必不可少的工序，在晶圆制造中属后道工序。将做好芯片的整片晶圆按芯片大小分割成单一的芯片(die)，称之为晶圆划片。最早的晶圆是用划片系统进行划片（切割）的，现在这种方法任然占据了世界芯片切割市场的较大份额，特别是在非集成电路晶圆划片领域。金刚石锯片（砂轮）划片方法是目前常见的晶圆划片方法。而新型的激光晶圆划片属于无接触式加工，不对晶圆产生机械应力的作用，对晶圆损伤较小。由于激光在聚焦上的有点，聚焦点可小到亚微米数量级，从而对晶圆的微处理更具优越性。引线框架作为集成电路的芯片载体，是一种借助于键合材料（金丝、铝丝、铜丝）实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接，形成电气回路的关键结构件，它起到了和外部导线连接的桥梁作用，绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架，是电子信息产业中重要的基础材料。引线框架用铜合金大致分为铜一铁系、铜一镍-硅系、铜一铬系、铜一镍一锡系(JK--2合金)等，三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能。
