半导体（芯片制造）材料概述
引用:
[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/371609556
[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/374110990
[3] https://www.eet-china.com/mp/a91416.html
1 什么是半导体，半导体应用在什么地方
- 半导体是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质。电导率容易受控制的半导体，可作为信息处理的元件材料。
- 半导体可以用来做芯片
2 半导体（基底）材料的发展历程
- 第一代半导体材料：硅(Si)、锗(Ge)
- 1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅材料为主占绝对的统治地位。
- 第二代半导体材料：砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP)
- 砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。
- 第三代半导体材料：氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）
- 以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料，具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。
- 第四代半导体材料：氧化镓(Ga2O3)
- 氧化镓（Ga2O3）由于自身的优异性能,凭借其比第三代半导体材料SiC和GaN更宽的禁带，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究
- 金刚石。金刚石是已知的潜在性能最高的（极限）的半导体器件的材料。由于其固有的特性，金刚石被称为“极限宽带隙半导体材料”。它的导热能力远远超过当前电子产品所用的材料（比铜好五倍，比硅好22倍）。
3 半导体材料的分类
- 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。
- 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。
3.1 基底材料
3.1.1 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
- 一般可以按照尺寸不同分为4-18英寸，目前主流尺寸是8英寸（200mm）和12英寸（300mm），最大尺寸为18英寸（450mm）。
- 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。
- 从下游应用来看，12英寸大硅片主要应用于90nm以下制程的集成电路芯片，如逻辑芯片(GPA、CPU、FGPA)、存储芯片(SSD、DRAM)等先进制程的芯片，直接受益于智能手机、计算机、云计算、人工智能等终端半导体产品的需求拉动；8 英寸硅片主要应用于90nm以上制程的特色工艺芯片，包括模拟电路、射频芯片、嵌入式存储器、图像传感器等，主要驱动力来自汽车电子、工业电子等物联网应用增加。
3.1.2 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。
- 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、光电子及国防军工等领域。
- 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。
3.2 制造材料
3.2.1 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。
- 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完全相同的图形，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。光刻工艺的成本约占整个芯片制造工艺的35%，耗时占整个芯片工艺的40%到60%，是半导体制造中的核心工艺。
3.2.2 溅射靶材
- 靶材是制备电子薄膜材料的溅射工艺必不可少的原材料。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。
3.2.3 抛光材料
- 化学机械抛光（CMP）是目前唯一能兼顾表面的全局和局部平坦化技术。
- 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。
3.2.4 电子特气
- 电子特种气体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
3.2.5 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。
3.2.6 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。
3.3 封装材料
- 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。
- 封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金锡铜铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（Bond Pad）连接到基板的相应引脚（Lead），并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后还要进行一系列操作，封装完成后进行成品测试，通常经过入检 Incoming、测试 Test 和包装 Packing等工序，最后入库出货。
- 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。
3.3.1 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
3.3.2 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。
3.3.3 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。
3.3.4 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。
4 半导体和光伏的区别
- 上游材料：半导体产业主要的上游材料是硅晶圆，而光伏产业主要的上游材料是多晶硅、单晶硅和薄膜材料等。
- 工艺：半导体产业的制造工艺相对来说更为复杂，需要使用更加精细的微纳米加工技术，而光伏产业的制造工艺相对来说更为简单，主要是将硅片或其他材料加工成太阳能电池板。
- 应用领域：半导体产业主要应用于电子器件领域，而光伏产业主要应用于清洁能源领域。
- 下游市场：半导体产业下游主要是电子设备制造商，如计算机、手机、电视等厂商，而光伏产业下游主要是太阳能电站和分布式光伏发电系统。
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