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 什么是半導體，半導體應用在什么地方

• 半導體是一種電導率在絕緣體至導體之間的物質。電導率容易受控制的半導體，可作為信息處理的元件材料。
• 半導體可以用來做芯片

2 半導體（基底）材料的發展歷程

• 第一代半導體材料：硅(Si)、鍺(Ge)
  • 1990年代之前，作為第一代的半導體材料以硅材料為主占絕對的統治地位。
• 第二代半導體材料：砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP)
  • 砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新產業。
• 第三代半導體材料：氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）
  • 以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體材料，具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景。
• 第四代半導體材料：氧化鎵(Ga2O3)
  • 氧化鎵（Ga2O3）由于自身的優異性能,憑借其比第三代半導體材料SiC和GaN更寬的禁帶，在紫外探測、高頻功率器件等領域吸引了越來越多的關注和研究
  • 金剛石。金剛石是已知的潛在性能最高的（極限）的半導體器件的材料。由于其固有的特性，金剛石被稱為“極限寬帶隙半導體材料”。它的導熱能力遠遠超過當前電子產品所用的材料（比銅好五倍，比硅好22倍）。

3 半導體材料的分類

• 根據芯片制造過程劃分，半導體材料主要分為基體材料、制造材料和封裝材料。

基體材料主要用來制造硅晶圓或化合物半導體；

制造材料主要是將硅晶圓或化合物半導體加工成芯片所需的各類材料；

封裝材料則是將制得的芯片封裝切割過程中所用到的材料。

3.1 基底材料

3.1.1 硅晶圓

• 硅晶圓片全部采用單晶硅片，對硅料的純度要求較高，一般要求硅片純度在 99.9999999%以上
• 一般可以按照尺寸不同分為4-18英寸，目前主流尺寸是8英寸（200mm）和12英寸（300mm），最大尺寸為18英寸（450mm）。
  • 一般而言，硅片尺寸越大，硅片切割的邊緣損失就越小，每片晶圓能切割的芯片數量就越多，半導體生產效率越高，相應成本越低。
• 從下游應用來看，12英寸大硅片主要應用于90nm以下制程的集成電路芯片，如邏輯芯片(GPA、CPU、FGPA)、存儲芯片(SSD、DRAM)等先進制程的芯片，直接受益于智能手機、計算機、云計算、人工智能等終端半導體產品的需求拉動；8 英寸硅片主要應用于90nm以上制程的特色工藝芯片，包括模擬電路、射頻芯片、嵌入式存儲器、圖像傳感器等，主要驅動力來自汽車電子、工業電子等物聯網應用增加。

3.1.2 化合物半導體

• 主要是指砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等第二、三代半導體。
  • 砷化鎵（GaAs）具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發光效率、抗輻射、擊穿電壓高等特性，廣泛應用于射頻、功率器件、微電子、光電子及國防軍工等領域。
  • 氮化鎵（GaN）能夠承載更高的能量密度，且可靠性更高，其在手機、衛星、航天等通信領域，以及光電子、微電子、高溫大功率器件和高頻微波器件等非通信領域具有廣泛應用；
  • 碳化硅（SiC）具有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高熱導率等特性，主要作為高功率半導體材料，通常應用于汽車及工業電力電子等領域，在大功率轉換領域應用較為廣泛。

3.2 制造材料

3.2.1 光刻膠

• 光刻膠是光刻工藝的核心材料，其主要是通過紫外光、準分子激光、電子束、離子束、X 射線等光源的照射或輻射，其溶解度發生變化的耐蝕刻材料。
• 在光刻工藝中，光刻膠被涂抹在襯底上，光照或輻射通過掩膜板照射到襯底后，光刻膠在顯影溶液中的溶解度便發生變化，經溶液溶解可溶部分后，光刻膠層形成與掩膜版完全相同的圖形，再通過刻蝕在襯底上完成圖形轉移。根據下游應用的不同，襯底可以為印刷電路板、面板和集成電路板。光刻工藝的成本約占整個芯片制造工藝的35%，耗時占整個芯片工藝的40%到60%，是半導體制造中的核心工藝。

3.2.2 濺射靶材

• 靶材是制備電子薄膜材料的濺射工藝必不可少的原材料。濺射工藝主要利用離子源產生的離子，在真空中加速聚集成高速度流的離子束流，轟擊固體表面，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面，被轟擊的固體稱為濺射靶材。

3.2.3 拋光材料

• 化學機械拋光（CMP）是目前唯一能兼顧表面的全局和局部平坦化技術。
• 其工作原理是在一定壓力及拋光液的存在下，被拋光的晶圓片與拋光墊做相對運動，借助納米磨料的機械研磨作用與各類化學試劑的化學作用之間有機結合，使被拋光的晶圓表面達到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。

3.2.4 電子特氣

• 電子特種氣體是指用特殊工藝生產并在特定領域中應用的，在純度、品種、性能等方面有特殊要求的純氣、高純氣或由高純單質氣體配置的二元或多元混合氣

3.2.5 掩膜版

• 又稱為光罩、光掩膜、光刻掩膜版，是半導體芯片光刻過程中的設計圖形的載體，通過光刻和刻蝕，實現圖形到硅晶圓片上的轉移。

3.2.6 濕電子化學品

• 又稱為超凈高純試劑，主要用于半導體制造過程中的各種高純化學試劑。
• 按照用途可分為通用濕電子化學品和功能性濕電子化學品，其中
  • 通用濕電子化學品一般是指高純度的純化學溶劑，如高純去離子水、氫氟酸、硫酸、磷酸、硝酸等較為常見的試劑。
  • 功能性濕電子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，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。在晶圓制造過程中，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。

3.3 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。
• 封裝過程為：來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應的基板（引線框架）架的小島上，再利用超細的金屬（金錫銅鋁）導線或者導電性樹脂將晶片的接合焊盤（Bond Pad）連接到基板的相應引腳（Lead），并構成所要求的電路；然后再對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護，塑封之后還要進行一系列操作，封裝完成后進行成品測試，通常經過入檢 Incoming、測試 Test 和包裝 Packing等工序，最后入庫出貨。
• 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。

3.3.1 粘結材料

• 采用粘結技術實現管芯與底座或封裝基板連接的材料

3.3.2 陶瓷封裝材料

• 用于承載電子元器件的機械支撐、環境密封和散熱等功能。

3.3.3 封裝基板

• 是封裝材料中成本占比最大的部分，主要起到承載保護芯片與連接上層芯片和下層電路板的作用。
• 完整的芯片是由裸芯片（晶圓片）與封裝體（封裝基板與固封材料、引線等）組合而成。
• 封裝基板能夠保護、固定、支撐芯片，增強芯片的導熱散熱性能，另外還能夠連通芯片與印刷電路板，實現電氣和物理連接、功率分配、信號分配，以及溝通芯片內部與外部電路等功能。

3.3.4 切割材料

• 晶圓切割是半導體芯片制造過程中重要的工序，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。

4 半導體和光伏的區別

• 上游材料：半導體產業主要的上游材料是硅晶圓，而光伏產業主要的上游材料是多晶硅、單晶硅和薄膜材料等。
• 工藝：半導體產業的制造工藝相對來說更為復雜，需要使用更加精細的微納米加工技術，而光伏產業的制造工藝相對來說更為簡單，主要是將硅片或其他材料加工成太陽能電池板。
• 應用領域：半導體產業主要應用于電子器件領域，而光伏產業主要應用于清潔能源領域。
• 下游市場：半導體產業下游主要是電子設備制造商，如計算機、手機、電視等廠商，而光伏產業下游主要是太陽能電站和分布式光伏發電系統。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的半导体（芯片制造）材料概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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