半導(dǎo)體材料一直以來都是芯片制造的“基石”,是推動集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。在整個集成電路制造過程中,不管是制造還是封測都會用到半導(dǎo)體材料。
半導(dǎo)體材料在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中處于上游環(huán)節(jié),技術(shù)門檻高,客戶認(rèn)證周期長,與供應(yīng)鏈之間的聯(lián)系也頗為密切。本文中將重點(diǎn)講解芯片制造中的幾種關(guān)鍵材料,并對該材料領(lǐng)域的代表企業(yè)逐一盤點(diǎn)。
硅片
代表企業(yè):信越華學(xué)(日本)、勝高(日本)、世創(chuàng)電子(德國)
硅片是指由單晶硅切割成的薄片,直徑有6英寸、8英寸、12英寸等規(guī)格,主要用來生產(chǎn)集成電路。硅片是制作集成電路的重要材料,通過對硅片進(jìn)行光刻、離子注入等手段,可以制成各種半導(dǎo)體器件。
最常見的硅元素存在于地殼中,含量高達(dá)25.8%,為單晶硅的生產(chǎn)提供了取之不盡的源泉。這也是為什么芯片得以大規(guī)模生產(chǎn)制造的原因。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步,自動化和計算機(jī)等技術(shù)發(fā)展,使硅片的造價已降到十分低廉的程度。這使得硅片已廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防。
目前的硅片工藝面臨著切割線直徑、荷載、切割速度、維護(hù)性等挑戰(zhàn)。硅片廠商必須平衡這些相關(guān)的因素使生產(chǎn)力達(dá)到最大化。硅片厚度也是影響生產(chǎn)力的一個因素,因?yàn)樗P(guān)系到每個硅棒所生產(chǎn)出的硅片數(shù)量。越薄的硅片生產(chǎn)難度越大,超薄硅片線鋸系統(tǒng)必須對工藝線性、切割線速度和壓力、以及切割冷卻液進(jìn)行精密控制。
一塊合格的硅片,表面不能有損傷(細(xì)微裂紋、線鋸印記),形貌上不能有缺陷(彎曲、凹凸、厚薄不均),對額外后端處理如拋光等的要求也要降到最低。
掩膜板
代表企業(yè):DNP(日本)、Photronics(美國)
即光掩模版,英文名稱PHOTOMASK。掩膜板的材質(zhì)是由石英玻璃、金屬鉻和感光膠組成。在芯片制造過程中,掩膜板就是光罩,也可理解為包含芯片版圖信息的膠片,經(jīng)過曝光以后,掩膜版里的版圖就被刻到了晶圓上。
一般來說,掩膜板由石英玻璃作為襯底,在其上面鍍上一層金屬鉻和感光膠,成為一種感光材料。再把設(shè)計好的電路圖形通過電子激光設(shè)備曝光在感光膠上,被曝光的區(qū)域會被顯影出來,在金屬鉻上形成電路圖形,成為類似曝光后的底片的光掩模版,然后應(yīng)用于對集成電路進(jìn)行投影定位,通過集成電路光刻機(jī)對所投影的電路進(jìn)行光蝕刻,其生產(chǎn)加工工序?yàn)椋浩毓猓@影,去感光膠,最后應(yīng)用于光蝕刻。
電子氣體
代表企業(yè):空氣化工(美國)、林德集團(tuán)(德國)、大陽日酸(日本)
半導(dǎo)體工業(yè)用的氣體統(tǒng)稱電子氣體。按其門類可分為純氣,高純氣和半導(dǎo)體特殊材料氣體三大類。特殊材料氣體主要用于半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的外延,摻雜和蝕刻工藝;高純氣體主要用作稀釋氣和運(yùn)載氣。電子氣體是特種氣體的一個重要分支。電子氣體按純度等級和使用場合,可分為電子級,LSI(大規(guī)模集成電路)級,VLSI(超大規(guī)模集成電路)級和ULSI(特大規(guī)模集成電路)級。
超大規(guī)模集成電路、平面顯示器件、化合物半導(dǎo)體、太陽能電池等都少不了電子氣體,它們被廣泛應(yīng)用在薄膜、刻蝕、摻雜、沉積、擴(kuò)散等工藝中。在目前最先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路工廠的晶圓片制造過程中,全部工藝步驟超過450道,其中大約要使用50種不同種類的電子氣體。
CMP拋光材料
代表企業(yè):卡博特(美國)、陶氏(美國)、杜邦(美國)、Fujimi(日本)
CMP拋光是晶圓制造的重要流程之一,對高精度、高性能晶圓的制造至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的純機(jī)械或純化學(xué)的拋光方法不同,CMP拋光工藝是通過表面化學(xué)作用和機(jī)械研磨的技術(shù)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)晶圓表面微米/納米級不同材料的去除,從而達(dá)到晶圓表面的高度(納米級)平坦化效應(yīng),使下一步的光刻工藝得以進(jìn)行。
CMP工藝過程中所采用的設(shè)備及消耗品包括:拋光機(jī)、拋光液、拋光墊、后 CMP清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測設(shè)備等。其中CMP材料主要包括拋光液、拋光墊、調(diào)節(jié)器、CMP清洗以及其他等耗材。其中,拋光液和拋光墊占CMP材料細(xì)分市場的80%以上,是CMP工藝的核心材料。
拋光液對拋光過程所產(chǎn)生的影響體現(xiàn)在物理作用與化學(xué)作用兩個方面。物理作用方面,拋光液中的磨料對工件表面材料進(jìn)行機(jī)械去除,拋光液對拋光區(qū)域進(jìn)行潤滑以減小摩擦,并且能夠吸收加工過程所產(chǎn)生的熱量,使加工區(qū)域恒溫;化學(xué)作用方面,常使用能夠?qū)Ρ粧伖獠牧线M(jìn)行微量化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)作為拋光液組分,對拋光工件表層材料進(jìn)行軟化和腐蝕,從而輔助機(jī)械材料去除過程。通常根據(jù)被加工材料以及所選用的拋光墊材質(zhì)對拋光液成分進(jìn)行配置。常用的拋光液分為二氧化硅拋光液、鎢拋光液、鋁拋光液和銅拋光液。
拋光墊具有儲存和運(yùn)輸拋光液、去除加工殘余物質(zhì)、維持拋光環(huán)境等功能。目前的拋光墊一般都是高分子材料,如合成革拋光墊、聚氨醋拋光墊、金絲絨拋光墊等,其表面一般含有大小不一的孔狀結(jié)構(gòu),有利于拋光漿料的存儲與流動。
光刻膠
代表企業(yè):JSR(日本)、信越華學(xué)(日本)、陶氏(美國)
光刻膠是光刻成像的承載介質(zhì),其作用是利用光化學(xué)反應(yīng)的原理將光刻系統(tǒng)中經(jīng)過衍射、濾波后的光信息轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量,進(jìn)而完成掩模圖形的復(fù)制。
光刻膠一般由聚合物骨架、光致酸產(chǎn)生劑或光敏化合物、溶劑,以及顯影保護(hù)基團(tuán)、刻蝕保護(hù)基團(tuán)等其他輔助成分組成。光刻膠是微電子技術(shù)中微細(xì)圖形加工的關(guān)鍵材料之一,特別是近年來大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,更是大大促進(jìn)了光刻膠的研究開發(fā)和應(yīng)用。印刷工業(yè)是光刻膠應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域。
濕化學(xué)品
代表企業(yè):巴斯夫(德國)、霍尼韋爾(美國)、住友化學(xué)(日本)
濕化學(xué)品是微電子、光電子濕法工藝制程中使用的各種液體化工材料。在顯示面板、半導(dǎo)體、太陽能電池等制作過程中,濕化學(xué)品是不可缺少的關(guān)鍵性材料之一。
濕電子化學(xué)品一般可劃分為通用濕電子化學(xué)品和功能濕電子化學(xué)品,通用濕電子化學(xué)品指在半導(dǎo)體、顯示面板、太陽能電池等制造工藝中被大量使用的液體化學(xué)品,一般為單成份、單功能化學(xué)品,例如氫氟酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。功能濕電子化學(xué)品指通過復(fù)配手段達(dá)到特殊功能、滿足制造中特殊工藝需求的復(fù)配類化學(xué)品,例如顯影液、剝離液、蝕刻液、稀釋液、清洗液等。
靶材
代表企業(yè):日礦金屬(日本)、東曹(日本)、霍尼韋爾(美國)、普萊克斯(美國)
靶材就是高速荷能粒子轟擊的目標(biāo)材料。有金屬類、合金類、氧化物類等等。例如:蒸發(fā)磁控濺射鍍膜是加熱蒸發(fā)鍍膜、鋁膜等。更換不同的靶材(如鋁、銅、不銹鋼、鈦、鎳靶等),即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)。靶材是制備薄膜的主要材料之一,在集成電路、平板顯示、太陽能電池、記錄媒體、智能玻璃中受到諸多應(yīng)用,靶材對材料純度和穩(wěn)定性要求高。
靶材由“靶坯”和“背板”焊接而成。未來,高濺射率、晶粒晶向控制、大尺寸、高純金屬將會是靶材的發(fā)展趨勢。
小結(jié)
不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)前主流的半導(dǎo)體材料市場份額多為海外供應(yīng)商所壟斷,國產(chǎn)化率仍處在較低層次。如今,旺盛的市場需求以及廣闊的國產(chǎn)替代空間,本土的半導(dǎo)體材料企業(yè)受政策大力扶持影響下,有望迎來更多發(fā)展機(jī)會。
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原文標(biāo)題:芯片制造工藝中需要用到的半導(dǎo)體材料及其代表企業(yè)盤點(diǎn)
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