半導(dǎo)體襯底材料發(fā)展進(jìn)程

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半導(dǎo)體主要制造材料及封裝材料

半導(dǎo)體材料行業(yè)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中細(xì)分領(lǐng)域最多的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，根據(jù)SEMI的分類與數(shù)據(jù)，晶圓制造材料包括硅片、光掩膜、光刻膠及輔助材料、工藝化學(xué)品、電子特氣、拋光液和拋光墊、靶材及其他材料，封裝材料包括引線框架、封裝基板、陶瓷基板、鍵合絲、包封材料、芯片粘結(jié)材料及其他封裝材料，每一大類材料又包括幾十種甚至上百種具體產(chǎn)品，細(xì)分子行業(yè)多達(dá)上百個(gè)。

圖1：半導(dǎo)體主要制造材料及封裝材料

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半導(dǎo)體材料的成本拆分

根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，2021年半導(dǎo)體前道制造材料的成本占比為62.8%，后道封裝材料成本占比為37.2%。進(jìn)一步對(duì)前道制造材料成本以及后道封裝材料成本進(jìn)行拆分，其中成本占比最大的為硅片/其他襯底成本（20.72%）；其余材料成本占比從大至小排序分別為封裝基板（14.88%）、濕電子化學(xué)品（8.79%）、光刻膠及配套材料（8.29%）、掩膜版（8.10%）、鍵合絲（5.58%）、引線框架（5.58%）、封裝樹脂（4.84%）、CMP材料（4.46%）、陶瓷封裝（4.09%）、電子特氣（2.51%）、靶材（1.82%）、芯片粘結(jié)材料（1.49%）。

圖2：2021年半導(dǎo)體材料成本拆分

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半導(dǎo)體全工藝流程涉及金屬環(huán)節(jié)

硅片及其他襯底材料是半導(dǎo)體芯片的關(guān)鍵底層材料。從芯片的制造流程來(lái)看，需要的步驟包括生產(chǎn)晶圓、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測(cè)試、封裝等。以硅片半導(dǎo)體為例，自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，需要進(jìn)行提煉后使用。將提煉后得到的高純硅熔化成液體，再利用提拉法得到原子排列整齊的晶錠，再將其切割成一定厚度的薄片，切割后獲得的薄片便是未經(jīng)加工的“原料晶圓”。

第二步即為氧化過(guò)程，其作用是在晶圓表面形成保護(hù)膜，保護(hù)晶圓不受化學(xué)雜質(zhì)影響、避免漏電電流進(jìn)入電路、預(yù)防離子植入過(guò)程中的擴(kuò)散以及防止晶圓在刻蝕時(shí)滑脫；第三步為光刻，即使用光線將電路圖案“印刷”到晶圓上。

第四步為刻蝕，在晶圓上完成電路圖的光刻后，用該工藝來(lái)去除任何多余的氧化膜且只留下半導(dǎo)體電路圖；在刻蝕的同時(shí)，也需要進(jìn)行第五步薄膜沉積/離子注入：通過(guò)不斷沉積薄膜以及刻蝕去除掉器件中多余的部分，同時(shí)添加一些材料將不同的器件分離開來(lái)，每個(gè)晶體管或存儲(chǔ)單元就是在這個(gè)過(guò)程中構(gòu)建起來(lái)的；在上述過(guò)程完成后，需要將器件互連并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試無(wú)誤后才能進(jìn)行最后的封裝，得到最后的半導(dǎo)體芯片。

由于半導(dǎo)體（集成電路）制造的過(guò)程十分復(fù)雜，涉及的金屬材料品種包羅萬(wàn)象，本節(jié)中我們以SEMI對(duì)半導(dǎo)體材料的分類為脈絡(luò)，逐個(gè)分析涉及金屬的半導(dǎo)體材料，主要包括襯底及外延、掩膜版、電子特氣、靶材、其他材料（高K材料及電鍍液）、鍵合絲、引線框架、焊料，下文將分別對(duì)這些半導(dǎo)體材料涉及的金屬做進(jìn)一步闡述。

圖3：半導(dǎo)體全工藝流程涉及金屬環(huán)節(jié)介紹

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半導(dǎo)體襯底材料更新迭代

從半導(dǎo)體的發(fā)展歷史看，半導(dǎo)體襯底材料經(jīng)歷了三代的更新迭代，并正在向著第四代材料穩(wěn)步邁進(jìn)。其中第一代半導(dǎo)體材料以鍺（Ge）和硅（Si）為主，其中鍺目前半導(dǎo)體應(yīng)用較少，而硅仍是目前最主流的半導(dǎo)體襯底材料；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)和硫化鎘(CdS)等I-V族化合物材料為主，由于化合物半導(dǎo)體的寬禁帶優(yōu)勢(shì)以及下游應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，砷化鎵與磷化銦未來(lái)的使用量將提升；第三代半導(dǎo)體材料則是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AIN)等為代表的寬禁帶(禁帶寬度大于2.2eV)半導(dǎo)體材料，其中碳化硅與氮化鎵備受關(guān)注；而第四代半導(dǎo)體材料主要包括氮化鋁（AlN）、金剛石、氧化鎵（Ga2O3）,它們被稱為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，目前尚處于起步階段。

圖4：半導(dǎo)體襯底材料更新迭代

從四代半導(dǎo)體的性能參數(shù)對(duì)比看，第一代半導(dǎo)體表現(xiàn)出較低的禁帶寬度、介電常數(shù)以及擊穿電場(chǎng)，其優(yōu)勢(shì)在于低廉的成本以及成熟的工藝，因此更加適應(yīng)低壓、低頻、低溫的工況。

表一：四代半導(dǎo)體參數(shù)對(duì)比

表二：四代半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域

圖4：各種半導(dǎo)體襯底材料適用功率范圍及頻率范圍

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適用功率范圍及頻率范圍

圖5：各種半導(dǎo)體襯底材料適用功率范圍及頻率范圍

目前主要使用的半導(dǎo)體襯底材料所適用的功率范圍及頻率范圍，可以較為清晰地比較各種半導(dǎo)體襯底材料的優(yōu)劣勢(shì)。雖然下圖對(duì)各種半導(dǎo)體襯底材料 的適用范圍進(jìn)行了區(qū)分，但是從目前的使用情況來(lái)看，仍未出現(xiàn)明顯的替代現(xiàn)象，目前硅仍然是半導(dǎo)體器件最重要的材料。