精密划片机:半导体材料在芯片生产制造过程中的关键性作用

半导体材料作为半导体产业链上游的重要环节，在芯片制造过程中起着关键作用。半导体材料主要分为基体材料、制造材料和封装材料。其中，基体材料主要用于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种材料；包装材料是包装和切割芯片时使用的材料。本文主要介绍了半导体制造和密封测试中涉及的主要半导体材料。

 

基体材料

根据芯片材料的不同，基体材料主要分为硅晶圆和化合物半导体，其中硅晶圆应用最广泛，是集成电路制造过程中最重要的原材料。
 

1、硅晶圆
 

所有硅采用单晶硅片，对硅片纯度要求较高，一般要求硅片纯度在 99.999999于99999%。一般可分为4-18英寸，主流尺寸为8英寸(200英寸)mm）和12英寸（300mm），最大尺寸为18英寸(450英寸)mm）。一般来说，硅片尺寸越大，硅片切割边缘损失越小，每个晶圆切割的芯片越多，半导体生产效率越高，相应成本越低。
 

从下游应用来看，12英寸大硅片主要用于90英寸nm集成电路芯片如逻辑芯片(GPA、CPU、FGPA)、存储芯片(SSD、DRAM)先进工艺的芯片直接受益于终端半导体产品的需求，如智能手机、计算机、云计算和人工智能；8 主要用于90英寸硅片nm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的增加。
 

二、化合物半导体
 

主要指砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）第二代和第三代半导体。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）它可以承载更高的能量密度和更高的可靠性。广泛应用于手机、卫星、航天、光电子、微电子、高温大功率设备、高频微波设备等非通信领域；碳化硅（SiC）它具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高热导率等特点，主要用作汽车及工业电力电子等领域的高功率半导体材料，广泛应用于大功率转换领域。
 

制造材料
 

1、光刻胶
 

光刻胶是光刻工艺的核心材料，主要通过紫外线、准分子激光、电子束、离子束、X 耐蚀刻材料，如光源的照射或辐射，其溶解度发生变化。光刻胶可分为半导体光刻胶，LCD 光刻胶和PCB光刻胶。光刻胶的主要成分包括光刻胶树脂、感光剂、溶剂和添加剂。
 

在光刻工艺中，光刻胶涂在衬底上。光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发生变化。溶液溶解可溶部分后，光刻胶层形成与掩膜版本完全相同的图形，然后在衬底上完成图形转移。根据下游应用的不同，衬底可以是印刷电路板、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%至60%，是半导体制造的核心工艺。
 

 

 

2、溅射靶材

目标材料是制备电子薄膜材料溅射过程中必不可少的原材料。溅射过程主要利用离子源产生的离子，加速真空中高速流离子束流的聚集，轰击固体表面，使固体表面的原子离开固体，沉积在基底表面。被轰击的固体称为溅射目标材料。
 

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，平板显示器和太阳能电池的金属纯度要求相对较低，分别达到99.999%（5N）、99.995%（4N5）以上。
 

3、抛光材料
 

化学机械抛光（CMP）它是前唯一能兼顾表面整体和局部平整度的技术。其工作原理是在一定压力和抛光液的存在下，将抛光晶片与抛光垫进行相对运动，借助纳米磨料的机械研磨效果与各种化学试剂的化学效果有机结合，使抛光晶片表面达到高平整度、低表面粗糙度和低缺陷的要求。
 

抛光垫和抛光液是最重要的抛光材料，价值分别占49%和33%，其他抛光材料的总价值分别占18%。其中，抛光液是一种水溶性抛光剂，不含任何硫、磷和氯添加剂，主要用于抛光、润滑和冷却。抛光垫的主要作用是储存和传输抛光液，为硅片提供一定的压力，机械摩擦其表面，是决定表面质量的重要辅助材料。
 

4、电子特气
 

电子气体(以下简称电子气体)是仅次于硅片的第二大半导体原料，广泛应用于下游。电子特气是指纯气、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)，在纯度、品种、性能等方面具有特殊要求。电子特气是电子工业的关键化学材料。下游应用涵盖半导体、显示面板、光纤光缆、光伏、新能源汽车、航空航天等领域。
 

5、掩膜版

又称光罩、光罩、光刻罩版，是半导体芯片光刻过程中设计图形的载体。图形通过光刻和蚀刻转移到硅晶片上。通常根据不同的需要选择不同的玻璃基板。一般选用低热膨胀系数、低钠含量、高化学稳定性、高光穿透性的石英玻璃，镀厚约100nm不透光铬膜和厚度约20nm氧化铬可以减少光反射。
 

6.湿电子化学品

又称超净高纯试剂，主要用于半导体制造过程中的各种高纯化学试剂。根据用途，可分为普通湿电子化学品和功能性湿电子化学品。普通湿电子化学品一般是指高纯度纯化学溶剂，如高纯度去离子水、氢氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等常见试剂。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。晶圆制造过程中，颗粒、有机残留物、金属离子、天然氧化层等污染物主要采用高纯化学溶剂清洗。
 

封装材料

1、粘结材料
 

采用粘结技术完成管芯与底座或封装基板衔接的材料，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央求。在理论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普遍的粘结材料，芯片和封装基本材料表面呈现不同的亲水和疏水性，需对其表面中止等离子处置来改善环氧树脂在其表面的活动性，进步粘结效果。
 

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用。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，良好的线收缩率和热导率，在电热机械等方面性能极端稳定，但加工本钱高，具有较高的脆性。目前用于理论消费和开发应用的陶瓷基片材料主要包括 Al2O3、BeO和AIN等，其中BeO和AIN基片可以满足自然冷却央求，Al2O3是运用最普遍的陶瓷材料，BeO具有一定的毒反作用，性能优秀的AIN将逐渐取代其他两种陶瓷封装材料。
 

3、封装基板
 

是封装材料中本钱占比最大的部分，主要起到承载维护芯片与衔接上层芯片和下层电路板的作用。完好的芯片是由裸芯片（晶圆片）与封装体（封装基板与固封材料、引线等）组合而成。封装基板能够维护、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，完成电气和物理衔接、功率分配、信号分配，以及沟通芯片内部与外部电路等功用。
 

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中止封装测试，而晶圆级封装技术是对整片晶圆中止封装测试后再切割得到单个废品芯片。
 

 

目前主流的切割方法分为两类，一类是用划片系统中止切割，另一类应用激光中止切割。其中划片系统切割主要包括砂浆切割和金刚石材料切割，该技术起步较早市场份额较大。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。