半導體襯底材料發展進程

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半導體主要制造材料及封裝材料

半導體材料行業是半導體產業鏈中細分領域最多的產業鏈環節，根據SEMI的分類與數據，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品，細分子行業多達上百個。

圖1：半導體主要制造材料及封裝材料

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半導體材料的成本拆分

根據SEMI的數據，2021年半導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%。進一步對前道制造材料成本以及后道封裝材料成本進行拆分，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%）、芯片粘結材料（1.49%）。

圖2：2021年半導體材料成本拆分

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半導體全工藝流程涉及金屬環節

硅片及其他襯底材料是半導體芯片的關鍵底層材料。從芯片的制造流程來看，需要的步驟包括生產晶圓、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測試、封裝等。以硅片半導體為例，自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質太多，需要進行提煉后使用。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加工的“原料晶圓”。

第二步即為氧化過程，其作用是在晶圓表面形成保護膜，保護晶圓不受化學雜質影響、避免漏電電流進入電路、預防離子植入過程中的擴散以及防止晶圓在刻蝕時滑脫；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，用該工藝來去除任何多余的氧化膜且只留下半導體電路圖；在刻蝕的同時，也需要進行第五步薄膜沉積/離子注入：通過不斷沉積薄膜以及刻蝕去除掉器件中多余的部分，同時添加一些材料將不同的器件分離開來，每個晶體管或存儲單元就是在這個過程中構建起來的；在上述過程完成后，需要將器件互連并進行測試，測試無誤后才能進行最后的封裝，得到最后的半導體芯片。

由于半導體（集成電路）制造的過程十分復雜，涉及的金屬材料品種包羅萬象，本節中我們以SEMI對半導體材料的分類為脈絡，逐個分析涉及金屬的半導體材料，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，下文將分別對這些半導體材料涉及的金屬做進一步闡述。

圖3：半導體全工藝流程涉及金屬環節介紹

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半導體襯底材料更新迭代

從半導體的發展歷史看，半導體襯底材料經歷了三代的更新迭代，并正在向著第四代材料穩步邁進。其中第一代半導體材料以鍺（Ge）和硅（Si）為主，其中鍺目前半導體應用較少，而硅仍是目前最主流的半導體襯底材料；第二代半導體材料以砷化鎵(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，由于化合物半導體的寬禁帶優勢以及下游應用領域的進一步發展，砷化鎵與磷化銦未來的使用量將提升；第三代半導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)半導體材料，其中碳化硅與氮化鎵備受關注；而第四代半導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體材料，目前尚處于起步階段。

圖4：半導體襯底材料更新迭代

從四代半導體的性能參數對比看，第一代半導體表現出較低的禁帶寬度、介電常數以及擊穿電場，其優勢在于低廉的成本以及成熟的工藝，因此更加適應低壓、低頻、低溫的工況。

表一：四代半導體參數對比

表二：四代半導體材料應用領域

圖4：各種半導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體襯底材料的優劣勢。雖然下圖對各種半導體襯底材料 的適用范圍進行了區分，但是從目前的使用情況來看，仍未出現明顯的替代現象，目前硅仍然是半導體器件最重要的材料。