精密劃片機(jī):半導(dǎo)體材料在芯片生產(chǎn)制造過(guò)程中的關(guān)鍵性作用

半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的重要環(huán)節(jié)，在芯片制造過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。半導(dǎo)體材料主要分為基體材料、制造材料和封裝材料。其中，基體材料主要用于制造硅晶圓或化合物半導(dǎo)體；制造材料主要是將硅晶圓或化合物半導(dǎo)體加工成芯片所需的各種材料；包裝材料是包裝和切割芯片時(shí)使用的材料。本文主要介紹了半導(dǎo)體制造和密封測(cè)試中涉及的主要半導(dǎo)體材料。

基體材料

根據(jù)芯片材料的不同，基體材料主要分為硅晶圓和化合物半導(dǎo)體，其中硅晶圓應(yīng)用最廣泛，是集成電路制造過(guò)程中最重要的原材料。

1、硅晶圓

所有硅采用單晶硅片，對(duì)硅片純度要求較高，一般要求硅片純度在 99.999999于99999%。一般可分為4-18英寸，主流尺寸為8英寸(200英寸)mm）和12英寸（300mm），最大尺寸為18英寸(450英寸)mm）。一般來(lái)說(shuō)，硅片尺寸越大，硅片切割邊緣損失越小，每個(gè)晶圓切割的芯片越多，半導(dǎo)體生產(chǎn)效率越高，相應(yīng)成本越低。

從下游應(yīng)用來(lái)看，12英寸大硅片主要用于90英寸nm集成電路芯片如邏輯芯片(GPA、CPU、FGPA)、存儲(chǔ)芯片(SSD、DRAM)先進(jìn)工藝的芯片直接受益于終端半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求，如智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、云計(jì)算和人工智能；8 主要用于90英寸硅片nm特色工藝芯片，包括模擬電路、射頻芯片、嵌入式存儲(chǔ)器、圖像傳感器等，主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自汽車電子、工業(yè)電子等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增加。

二、化合物半導(dǎo)體

主要指砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）第二代和第三代半導(dǎo)體。砷化鎵（GaAs）具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發(fā)光效率、抗輻射、擊穿電壓高等特性，廣泛應(yīng)用于射頻、功率器件、微電子、光電子及國(guó)防軍工等領(lǐng)域。氮化鎵（GaN）它可以承載更高的能量密度和更高的可靠性。廣泛應(yīng)用于手機(jī)、衛(wèi)星、航天、光電子、微電子、高溫大功率設(shè)備、高頻微波設(shè)備等非通信領(lǐng)域；碳化硅（SiC）它具有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，主要用作汽車及工業(yè)電力電子等領(lǐng)域的高功率半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于大功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。

制造材料

1、光刻膠

光刻膠是光刻工藝的核心材料，主要通過(guò)紫外線、準(zhǔn)分子激光、電子束、離子束、X 耐蝕刻材料，如光源的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化。光刻膠可分為半導(dǎo)體光刻膠，LCD 光刻膠和PCB光刻膠。光刻膠的主要成分包括光刻膠樹(shù)脂、感光劑、溶劑和添加劑。

在光刻工藝中，光刻膠涂在襯底上。光或輻射通過(guò)掩膜板照射到襯底后，光刻膠在顯影溶液中的溶解度發(fā)生變化。溶液溶解可溶部分后，光刻膠層形成與掩膜版本完全相同的圖形，然后在襯底上完成圖形轉(zhuǎn)移。根據(jù)下游應(yīng)用的不同，襯底可以是印刷電路板、面板和集成電路板。光刻工藝的成本約占整個(gè)芯片制造工藝的35%，耗時(shí)占整個(gè)芯片工藝的40%至60%，是半導(dǎo)體制造的核心工藝。

2、濺射靶材

目標(biāo)材料是制備電子薄膜材料濺射過(guò)程中必不可少的原材料。濺射過(guò)程主要利用離子源產(chǎn)生的離子，加速真空中高速流離子束流的聚集，轟擊固體表面，使固體表面的原子離開(kāi)固體，沉積在基底表面。被轟擊的固體稱為濺射目標(biāo)材料。

濺射靶材主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、平板顯示和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。半導(dǎo)體對(duì)靶材的金屬純度和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)要求最高，通常要求達(dá)到99.9995%（5N5)以上，平板顯示器和太陽(yáng)能電池的金屬純度要求相對(duì)較低，分別達(dá)到99.999%（5N）、99.995%（4N5）以上。

3、拋光材料

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）它是前唯一能兼顧表面整體和局部平整度的技術(shù)。其工作原理是在一定壓力和拋光液的存在下，將拋光晶片與拋光墊進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助納米磨料的機(jī)械研磨效果與各種化學(xué)試劑的化學(xué)效果有機(jī)結(jié)合，使拋光晶片表面達(dá)到高平整度、低表面粗糙度和低缺陷的要求。

拋光墊和拋光液是最重要的拋光材料，價(jià)值分別占49%和33%，其他拋光材料的總價(jià)值分別占18%。其中，拋光液是一種水溶性拋光劑，不含任何硫、磷和氯添加劑，主要用于拋光、潤(rùn)滑和冷卻。拋光墊的主要作用是儲(chǔ)存和傳輸拋光液，為硅片提供一定的壓力，機(jī)械摩擦其表面，是決定表面質(zhì)量的重要輔助材料。

4、電子特氣

電子氣體(以下簡(jiǎn)稱電子氣體)是僅次于硅片的第二大半導(dǎo)體原料，廣泛應(yīng)用于下游。電子特氣是指純氣、高純氣或由高純單質(zhì)氣體配置的二元或多元混合氣(具體產(chǎn)品如下圖所示)，在純度、品種、性能等方面具有特殊要求。電子特氣是電子工業(yè)的關(guān)鍵化學(xué)材料。下游應(yīng)用涵蓋半導(dǎo)體、顯示面板、光纖光纜、光伏、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域。

5、掩膜版

又稱光罩、光罩、光刻罩版，是半導(dǎo)體芯片光刻過(guò)程中設(shè)計(jì)圖形的載體。圖形通過(guò)光刻和蝕刻轉(zhuǎn)移到硅晶片上。通常根據(jù)不同的需要選擇不同的玻璃基板。一般選用低熱膨脹系數(shù)、低鈉含量、高化學(xué)穩(wěn)定性、高光穿透性的石英玻璃，鍍厚約100nm不透光鉻膜和厚度約20nm氧化鉻可以減少光反射。

6.濕電子化學(xué)品

又稱超凈高純?cè)噭?，主要用于半?dǎo)體制造過(guò)程中的各種高純化學(xué)試劑。根據(jù)用途，可分為普通濕電子化學(xué)品和功能性濕電子化學(xué)品。普通濕電子化學(xué)品一般是指高純度純化學(xué)溶劑，如高純度去離子水、氫氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等常見(jiàn)試劑。功能性濕電子化學(xué)品是指通過(guò)復(fù)配手段達(dá)到特殊功能、滿足制造過(guò)程中特殊工藝需求的配方類化學(xué)品，如顯影液、剝離液、清洗液、刻蝕液等，經(jīng)常使用在刻蝕、濺射等工藝環(huán)節(jié)。晶圓制造過(guò)程中，顆粒、有機(jī)殘留物、金屬離子、天然氧化層等污染物主要采用高純化學(xué)溶劑清洗。

封裝材料

1、粘結(jié)材料

采用粘結(jié)技術(shù)完成管芯與底座或封裝基板銜接的材料，在物理化學(xué)性能上要滿足機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱、低固化溫度和可操作性強(qiáng)的央求。在理論應(yīng)用中主要的粘結(jié)技術(shù)包括銀漿粘接技術(shù)、低熔點(diǎn)玻璃粘接技術(shù)、導(dǎo)電膠粘接技術(shù)、環(huán)氧樹(shù)脂粘接技術(shù)、共晶焊技術(shù)。環(huán)氧樹(shù)脂是應(yīng)用比較普遍的粘結(jié)材料，芯片和封裝基本材料表面呈現(xiàn)不同的親水和疏水性，需對(duì)其表面中止等離子處置來(lái)改善環(huán)氧樹(shù)脂在其表面的活動(dòng)性，進(jìn)步粘結(jié)效果。

2、陶瓷封裝材料

用于承載電子元器件的機(jī)械支撐、環(huán)境密封和散熱等功用。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，良好的線收縮率和熱導(dǎo)率，在電熱機(jī)械等方面性能極端穩(wěn)定，但加工本錢高，具有較高的脆性。目前用于理論消費(fèi)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的陶瓷基片材料主要包括 Al2O3、BeO和AIN等，其中BeO和AIN基片可以滿足自然冷卻央求，Al2O3是運(yùn)用最普遍的陶瓷材料，BeO具有一定的毒反作用，性能優(yōu)秀的AIN將逐漸取代其他兩種陶瓷封裝材料。

3、封裝基板

是封裝材料中本錢占比最大的部分，主要起到承載維護(hù)芯片與銜接上層芯片和下層電路板的作用。完好的芯片是由裸芯片（晶圓片）與封裝體（封裝基板與固封材料、引線等）組合而成。封裝基板能夠維護(hù)、固定、支撐芯片，增強(qiáng)芯片的導(dǎo)熱散熱性能，另外還能夠連通芯片與印刷電路板，完成電氣和物理銜接、功率分配、信號(hào)分配，以及溝通芯片內(nèi)部與外部電路等功用。

4、切割材料

晶圓切割是半導(dǎo)體芯片制造過(guò)程中重要的工序，在晶圓制造中屬于后道工序，主要將做好芯片的整片晶圓按照芯片大小切割成單一的芯片井粒。在封裝流程中，切割是晶圓測(cè)試的前序工作，常見(jiàn)的芯片封裝流程是先將整片晶圓切割為小晶粒然后再中止封裝測(cè)試，而晶圓級(jí)封裝技術(shù)是對(duì)整片晶圓中止封裝測(cè)試后再切割得到單個(gè)廢品芯片。

目前主流的切割方法分為兩類，一類是用劃片系統(tǒng)中止切割，另一類應(yīng)用激光中止切割。其中劃片系統(tǒng)切割主要包括砂漿切割和金剛石材料切割，該技術(shù)起步較早市場(chǎng)份額較大。激光切割屬于新興無(wú)接觸切割，切割表面光滑平整，適用于不同類型的晶圓切割。