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芯片制造工艺中需要用到的半导体材料及其龙头企业盘点

半导体材料一直以来都是芯片制造的“基石”,是推动集成电路产业发展创新的重要基础。在整个集成电路制造过程中,不管是制造还是封测都会用到半导体材料。

半导体材料在集成电路产业链中处于上游环节,技术门槛高,客户认证周期长,与供应链之间的联系也颇为密切。本文中将重点讲解芯片制造中的几种关键材料,并对该材料领域的龙头企业逐一盘点。

硅片

代表企业:信越华学(日本)、胜高(日本)、世创电子(德国)

硅片是指由单晶硅切割成的薄片,直径有6英寸、8英寸、12英寸等规格,主要用来生产集成电路。硅片是制作集成电路的重要材料,通过对硅片进行光刻、离子注入等手段,可以制成各种半导体器件。

最常见的硅元素存在于地壳中,含量高达25.8%,为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。这也是为什么芯片得以大规模生产制造的原因。随着科学技术不断进步,自动化和计算机等技术发展,使硅片的造价已降到十分低廉的程度。这使得硅片已广泛应用于航空航天、工业、农业和国防。

目前的硅片工艺面临着切割线直径、荷载、切割速度、维护性等挑战。硅片厂商必须平衡这些相关的因素使生产力达到最大化。硅片厚度也是影响生产力的一个因素,因为它关系到每个硅棒所生产出的硅片数量。越薄的硅片生产难度越大,超薄硅片线锯系统必须对工艺线性、切割线速度和压力、以及切割冷却液进行精密控制。

一块合格的硅片,表面不能有损伤(细微裂纹、线锯印记),形貌上不能有缺陷(弯曲、凹凸、厚薄不均),对额外后端处理如抛光等的要求也要降到最低。

掩膜板

代表企业:DNP(日本)、Photronics(美国)

即光掩模版,英文名称PHOTOMASK。掩膜板的材质是由石英玻璃、金属铬和感光胶组成。在芯片制造过程中,掩膜板就是光罩,也可理解为包含芯片版图信息的胶片,经过曝光以后,掩膜版里的版图就被刻到了晶圆上。

一般来说,掩膜板由石英玻璃作为衬底,在其上面镀上一层金属铬和感光胶,成为一种感光材料。再把设计好的电路图形通过电子激光设备曝光在感光胶上,被曝光的区域会被显影出来,在金属铬上形成电路图形,成为类似曝光后的底片的光掩模版,然后应用于对集成电路进行投影定位,通过集成电路光刻机对所投影的电路进行光蚀刻,其生产加工工序为:曝光,显影,去感光胶,最后应用于光蚀刻。

电子气体

代表企业:空气化工(美国)、林德集团(德国)、大阳日酸(日本)

半导体工业用的气体统称电子气体。按其门类可分为纯气,高纯气和半导体特殊材料气体三大类。特殊材料气体主要用于半导体生产过程中的外延,掺杂和蚀刻工艺;高纯气体主要用作稀释气和运载气。电子气体是特种气体的一个重要分支。电子气体按纯度等级和使用场合,可分为电子级,LSI(大规模集成电路)级,VLSI(超大规模集成电路)级和ULSI(特大规模集成电路)级。

超大规模集成电路、平面显示器件、化合物半导体、太阳能电池等都少不了电子气体,它们被广泛应用在薄膜、刻蚀、掺杂、沉积、扩散等工艺中。在目前最先进的超大规模集成电路工厂的晶圆片制造过程中,全部工艺步骤超过450道,其中大约要使用50种不同种类的电子气体。

CMP抛光材料

代表企业:卡博特(美国)、陶氏(美国)、杜邦(美国)、Fujimi(日本)

CMP抛光是晶圆制造的重要流程之一,对高精度、高性能晶圆的制造至关重要。与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同,CMP抛光工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除,从而达到晶圆表面的高度(纳米级)平坦化效应,使下一步的光刻工艺得以进行。

CMP工艺过程中所采用的设备及消耗品包括:抛光机、抛光液、抛光垫、后 CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。其中CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、CMP清洗以及其他等耗材。其中,抛光液和抛光垫占CMP材料细分市场的80%以上,是CMP工艺的核心材料。

抛光液对抛光过程所产生的影响体现在物理作用与化学作用两个方面。物理作用方面,抛光液中的磨料对工件表面材料进行机械去除,抛光液对抛光区域进行润滑以减小摩擦,并且能够吸收加工过程所产生的热量,使加工区域恒温;化学作用方面,常使用能够对被抛光材料进行微量化学反应的化学物质作为抛光液组分,对抛光工件表层材料进行软化和腐蚀,从而辅助机械材料去除过程。通常根据被加工材料以及所选用的抛光垫材质对抛光液成分进行配置。常用的抛光液分为二氧化硅抛光液、钨抛光液、铝抛光液和铜抛光液。

抛光垫具有储存和运输抛光液、去除加工残余物质、维持抛光环境等功能。目前的抛光垫一般都是高分子材料,如合成革拋光垫、聚氨醋抛光垫、金丝绒抛光垫等,其表面一般含有大小不一的孔状结构,有利于抛光浆料的存储与流动。

光刻胶

代表企业:JSR(日本)、信越华学(日本)、陶氏(美国)

光刻胶是光刻成像的承载介质,其作用是利用光化学反应的原理将光刻系统中经过衍射、滤波后的光信息转化为化学能量,进而完成掩模图形的复制。

光刻胶一般由聚合物骨架、光致酸产生剂或光敏化合物、溶剂,以及显影保护基团、刻蚀保护基团等其他辅助成分组成。光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一,特别是近年来大规模和超大规模集成电路的发展,更是大大促进了光刻胶的研究开发和应用。印刷工业是光刻胶应用的另一重要领域。

湿化学品

代表企业:巴斯夫(德国)、霍尼韦尔(美国)、住友化学(日本)

湿化学品是微电子、光电子湿法工艺制程中使用的各种液体化工材料。在显示面板、半导体、太阳能电池等制作过程中,湿化学品是不可缺少的关键性材料之一。

湿电子化学品一般可划分为通用湿电子化学品和功能湿电子化学品,通用湿电子化学品指在半导体、显示面板、太阳能电池等制造工艺中被大量使用的液体化学品,一般为单成份、单功能化学品,例如氢氟酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等。功能湿电子化学品指通过复配手段达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的复配类化学品,例如显影液、剥离液、蚀刻液、稀释液、清洗液等。

靶材

代表企业:日矿金属(日本)、东曹(日本)、霍尼韦尔(美国)、普莱克斯(美国)

靶材就是高速荷能粒子轰击的目标材料。有金属类、合金类、氧化物类等等。例如:蒸发磁控溅射镀膜是加热蒸发镀膜、铝膜等。更换不同的靶材(如铝、铜、不锈钢、钛、镍靶等),即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)。靶材是制备薄膜的主要材料之一,在集成电路、平板显示、太阳能电池、记录媒体、智能玻璃中受到诸多应用,靶材对材料纯度和稳定性要求高。

靶材由“靶坯”和“背板”焊接而成。未来,高溅射率、晶粒晶向控制、大尺寸、高纯金属将会是靶材的发展趋势。

小结

不难发现,当前主流的半导体材料市场份额多为海外供应商所垄断,国产化率仍处在较低层次。如今,旺盛的市场需求以及广阔的国产替代空间,本土的半导体材料企业受政策大力扶持影响下,有望迎来更多发展机会。

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