《集成电路材料科学与工程基础》第六章随笔

书籍信息：《集成电路材料科学与工程基础》科学出版社 ISBN 978-7-03-071423-7
第六章包含：集成电路基础、集成电路制造工艺以及集成电路材料与工艺
前五章内容为材料科学基础内容，包含绪论、材料结构基础、材料组成与结构、材料的性能以及材料的制备与成型加工，本文不再赘述，有需求请另外修习。

6.1 集成电路制造工艺

集成电路（IC）
一种微型电子器件或部件。将电路所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件通过布线互连，集成在一小块或几小块半导体晶片或其他介质上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型器件。
集成电路产业链
单晶硅生产、IC设计、IC芯片生产、封测等环节。
单晶硅生产：粗硅制备、提纯、单晶拉制、切片、磨片、抛光。
IC设计：根据功能要求设计出集成电路的结构和分层布线的方案、版图。
IC芯片生产：通过扩散、注入、淀积薄膜、光刻等过程形成芯片。
封测：对芯片进行封装、引出芯片电极、性能筛选、合格品达标出厂。

6.2 集成电路衬底材料与工艺

6.2.1 半导体材料基础

如何导电？——能带理论。
价带、禁带、导带
满带、半满带、空带
根据导电性不同对材料进行分类
导体、绝缘体、半导体
重点讲解半导体：
半导体的电导率介于导体与绝缘体之间，通过空穴和电子导电，而金属中只有电子一种载流子。
2.1 本征半导体：可以分为元素本征半导体与化合物本证半导体。电导率由材料本身决定。
2.2 非本征半导体：主要分为P型半导体和N型半导体。电导率主要取决于杂质，是杂质掺入本征半导体材料中形成的固溶体。温度也会影响电导率。
PN结
P、N型半导体接触，在交界面处形成所谓的PN结
制造PN结的工艺： 可以分为合金法与扩散法，个人认为扩散法更加重要。
扩散法：
在n型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的PN结，因此也叫做扩散结，其杂质分布是由扩散过程以及杂质补偿决定的。杂质浓度从一侧到另一侧是逐渐变化的，因此也叫做缓变结。
- 半导体制造中，PN结的深度和精度是关键，特别是随着器件的小型化、集成化，精确控制PN结中杂质浓度的能力称为了芯片制造一大挑战。

6.2.2 衬底材料的分类

按照演进过程可以分为三代：
第一代： 以硅、锗等元素半导体材料为代表的第一代，奠定了微电子产业的基础。
第二代： 以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等化合物材料为代表的第二代，奠定信息产业的基础。
第三代： 以氮化镓（GaN）与碳化硅(SiC)等宽禁带半导体材料为代表的第三代，支撑战略性新兴产业的发展。
- 2017年，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料，化合物半导体市场占比5%以内，硅衬底年销售额87亿美元，GaAs约8亿，GaN约1亿，SiC约3亿。
硅衬底
主流硅片尺寸在300mm（12英寸）、200mm（8英寸）以及150mm（6英寸）。其中12英寸在2022年就已经在硅片市场超过80%份额，是硅片市场首要产品。
硅片主要供应商： 日本的信越化学和盛高、中国台湾的环球晶圆、德国的siltronic以及韩国的SK siltron。五大厂商占据全球94%的市场份额（截止到2022年）。
大陆情况： 截止到2022年中旬，硅片生产商较为零散并且主要产品集中在6—8英寸，12英寸晶圆的研发和生产处于起步阶段。当前，有研半导体、浙江金瑞泓、天津中环、洛阳麦克斯、合晶/晶盟、中环环欧等公司可以批量供应6英寸硅片，可满足国内小尺寸硅片市场需求。对于8英寸，浙江金瑞泓、有研半导体、上海新昇等拥有一定的产品力。对于12英寸，上海新昇、有研半导体等少量企业能够供给适用于28nm以上工艺节点的硅片产线。
- 经搜索，截止到2025年3月6日，综合网络上内容，在12英寸硅片上，奕斯伟材料（西安）、沪硅产业（上海新昇）、中环股份、立昂微、有研硅（山东有研艾斯）已形成一定规模，8英寸和6英寸硅片上，工艺更成熟，产量更高。
GaAs衬底
半绝缘高阻砷化镓抛光片和外延片衬底具有高功率和高线性度的特点，在射频应用领域占有一定的市场份额。
具体市场情况待施工。
InP衬底
磷化铟衬底是数据通信收发器不可或缺的材料。
GaN衬底
氮化镓体单晶的生长需要高温、高压等极端的物理条件，因此不能使用传统晶体生长方法直接合成。
市场状况待更新…
SiC衬底
碳化硅衬底在电力电子和微波射频领域具有广阔的应用前景。

6.2.3 衬底材料的制备原理与加工工艺

直拉法制备单晶硅
1.1 单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中的基础材料，属于半导体材料类。常温下化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱。高温下化学性质活泼，能与多种元素化合。并且，硅的禁带宽度和电子迁移率适中，硅器件的最高工作温度可达250°C。初次之外，硅材料资源丰富，又无毒，较易制作大直径无位错低微缺陷的单晶。
1.2 想要制造单晶硅，需要先从自然中提取出多晶硅——多晶硅可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级和电子级。（一般是根据硅的纯度来分级的。
冶金级硅（MG）：由硅的氧化物在电弧炉中碳还原制成。一般含硅量90%以上，甚至高达99.8%。
太阳能级硅（SG）：纯度介于冶金级硅和电子级硅之间，未有明确界定，一般认为含硅量99.99%-99.9999%（4-6个9）。
电子级硅（EG）：一般要求含硅量大于5N以上（5个9），超高纯度达到9N-11N(9-11个9)，导电性介于10^-4 - 10^10 Ωcm。
1.3 多晶硅生产技术主要有改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子法占据了85%及以上的产量。
1.4 获得多晶硅后，较为传统的方式是采用直拉法进行生产，即丘克拉斯基法。基本流程：引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾、降温。
悬浮区熔法制备单晶硅
磁控直拉技术

6.3 集成电路就工艺材料与制备工艺

6.3.1 光刻胶

光刻胶是微细图形加工关键材料之一，由成膜树脂、感光组分、微量添加剂（染料、增粘剂等）和溶剂等组分组成的对光明敏感的混合液体。具有纯度高、工艺复杂、生产与检测设备投资大、技术积累时间长等特征，属于资本技术双密集型产业。
1.1 光刻胶市场状况：随着光刻工艺的发展，目前常用工艺节点在G线（436nm）、I线（365nm）、KrF（248nm）、ArF(193nm)以及最先进的EUV（13.5nm），其中G/I线光刻胶占比24%，KrF占比22%，ArF占比41%（截止到2022年中）可以预见，在读者读到这篇文章时，EUV光刻胶一定已经在市场拥有不可替代的地位。
1.2 光刻胶供应情况：主要被美企、日企垄断，日本的JSR、东京应化、住友化学、信越化学，美国的罗门哈斯等。目前，国内企业正不断向着28nm及以下的工艺节点发展，对于高端光刻胶，仍处于受制于人，国产化率低的状况。
- 我国光刻胶的发展面临着高纯光刻胶原材料的国产化问题。高端光刻胶所需的树脂主体材料、光敏剂、抗反射涂层等基本依赖进口。

6.3.2 掩膜版

掩膜版就像胶片，在行业中有着特殊的地位。
1.1 掩膜版市场情况：通常，芯片制造厂都有配套的专业掩膜版工厂。据统计，先进芯片厂附属的掩膜版厂的收入占据了这个市场的流程。另外，对于非先进制程，特别是60、90nm以上制程的产品，掩膜版外包趋势明显，这个工艺制程下，独立掩膜版制造厂的市场比较高。
1.2 掩膜版的主要原材料包括掩模基板、掩膜保护膜等。基板通常是高纯度、低反射率、低热膨胀系数的石英玻璃，成本占到掩膜版原材料的90%左右。我国国内尚不具备制造高档高纯石英掩模基板的能力。掩膜保护膜可以起到增加良率，减少掩膜版清洗次数与磨损的作用，这种保护膜可以降低光刻工艺的成本，主要被美国日本垄断。

6.3.3 工艺化学品

高纯化学工艺品主要包括无机酸类、无机碱类、有机溶剂类等通用化学品以及配方型化学品。通常用于芯片生产中的清洗、光刻、刻蚀、显影、互联等工艺。
在集成电路行业，对于高纯化学试剂的微量金属杂质含量、颗粒粒径数量、阴离子杂质含量等方面有严格要求。根据SEMI标准，应用在集成电路领域的高纯化学品集中在Grade 3、Grade 4水平，并且随着线宽越窄，标准越高，纯度和洁净度的要求越高。

6.3.4 电子气体

在集成电路制造业中，气体的使用非常广泛。气体的纯度和洁净度直接决定了电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率。目前，大部分气体可以达到4N以上，部分气体纯度达5N以上。在集成电路就工业中应用的有110余种气体，常用超过30种。
按照化学成分可以分为：硅系、砷系、磷系、硼系、金属氢化物、卤化物和金属烃化物七类。按照用途可以分为：掺杂气体、外延气体、刻蚀气体、化学气相沉积气等。
供应商内容待补充…

6.3.5 抛光材料

化学机械抛光（CMP）的抛光材料是集成电路制造业中重要的耗材，主要包括抛光液、抛光垫、修整盘等。其中抛光垫和抛光液占主要。
抛光液：
2.1 抛光液是决定CMP工艺性能最终良率的关键材料，约占整个CMP材料市场的50%，主要由纳米级研磨颗粒、化学剂和去离子水组成。针对具体工艺和被抛光材料的要求，选择不同种类的研磨颗粒（二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈等）、多种化学试剂（金属络合剂、表面抑制剂、氧化还原剂、分散剂以及其他助剂等）。除了CMP，抛光液也可以使用在其他前/后道的各个工序中，如FinFET栅极、浅沟道隔离、钨栓塞、铜互连等，以及，用于先进封装的硅通孔（TSV）工艺中。抛光液市场主要被欧美日国家垄断。
2.2 国内外具体情况待更新…

6.3.6 靶材

高纯溅射靶材（包括蒸发材料）作为集成电路芯片制造过程中重要的配套材料之一。主要用于互连线、阻挡层、通孔、背面金属化层等薄膜的制备。使用的靶材原材料主要有超高纯铝及其合金，铜、钛、钽、钨、钨钛合金，镍及其合金，钴，金、银、铂及其合金等。
分类：
2.1 根据化学成分不同，溅射靶材可以分为金属靶材、合金靶材（镍铬合金、镍钴合金等）、陶瓷复合靶材（氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等。
2.2 根据应用领域不同，分为半导体芯片靶材、平面显示器靶材、太阳能电池靶材、信息存储靶材、电子器件靶材以及其他靶材。其中半导体芯片行业对于靶材的纯度、内部微观结构等方面有着最严格的标准，一般而言，纯度要求5.5N（99.9995%）以上。
在半导体工艺中，晶圆制作和芯片封装环节都需要用到溅射靶材制备导电层、阻挡层栅极、凸点下金属层和布线层，靶材的好坏直接决定了导电性和均匀性，进而影响芯片的传输速度和稳定性。
随着工艺制程的发展，对溅射靶材的要求只高不低，目前已有需要纯度高达6N的产线。
国内情况：对于靶材，是我国最先打破国外垄断的产品，目前靶材行业已初具规模。整体上，高纯靶材生产技术已跻身国际第一梯队。

6.4 集成电路封装材料与工艺

6.4.1 集成电路封装概念与分类

狭义的封装：集成电路芯片封装是指利用膜技术以及微细加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接，引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。此概念称为狭义的封装。
更广意义上的“封装”：是指封装工程，即将封装体与基板连接固定，装配成完整的系统或电子设备，并确保整个系统综合性能的工程。将上述两个层次的封装的含义合并，即为广义封装概念。
电子封装工程：将基板技术、芯片封装体、分立器件等全部要素，按电子设备整机要求进行连接和装配，实现电子的、物理的性能，使之转变为适用于整机或系统的形式，成为整机装置或设备的工程称为电子封装工程。
集成电路封装的目的：保护芯片不受或少受外界环境的影响，为之提供一个良好的工作条件，以使集成电路具有稳定、正常的功能。
芯片封装后需要进行测试：一是进入封装前的晶圆测试，主要测试电性。二是封装后的IC成品测试，主要测试IC功能、电性与散热是否正常。因此集成电路的封装和测试环节的材料往往放在一起进行讨论，统称封测材料。
芯片封装所实现的功能
集成电路的封装结构应具有一定的机械强度、良好的电气性能、散热性能，以及化学稳定性。
2.1 传递电能：主要是指电源电压的分配与导通。首先要接通电源，其次应根据不同部位所需的电压不同而分配合适的电压，以减少电压损耗，同时还需要考虑接地线的分配问题。
2.2 传递电路信号：主要是将电信号的延迟尽可能缩小，布线时应尽可能使信号线与芯片的互联路径以及通过封装的I/O接口引出的路径最短。对于高频信号还应考虑信号的串扰。
2.3 提供散热路径：主要指考虑如何将部件长时间工作产生的热量散出的问题。不同的封装结构与材料有着不同的散热效果
2.4 结构保护与支持：主要指芯片封装可以为芯片和其他连接部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。特别是要在极端恶劣的环境下工作的芯片，该功能显得格外重要。
集成电路封装时应注意以下因素
3.1 成本：电路在最佳性能指标下的最低价格。
3.2 外形与结构：考虑到整机安装、器件布局、空间利用与外形、维修更换以及同类产品的型号替代等。
3.3 可靠性：考虑到机械冲击、温度循环、加速度等对电路的机械强度，以及各种物理、化学性能产生的影响，因此必须根据产品的适用场所和环境要求，合理选用集成电路的外形和封装结构。
- 除此之外，在选择具体的封装形式时，主要考虑：性能、尺寸、质量、可靠性和成本目标。其中，性能和可靠性指标在高性能芯片中考虑的比较多，对于大部分消费类应用，更多注重的是成本连同尺寸、质量的控制，使芯片可以被更广泛地应用。
封装技术与封装材料概述
封装的形态以及使用什么技术、材料去完成，取决于产品电性、热传导、可靠性需求、材料与工艺技术、成本价格等因素决定。相同形态的封装可使用不同的技术与材料实现。
4.1 封装工艺技术包括：芯片封装工艺流程、厚膜/薄膜技术、焊接材料、印刷电路板、元器件与电路板的连接、封胶材料与技术、陶瓷封装、塑料封装、气密性封装、封装可靠性工程、封装过程中的缺陷分析以及先进封装技术等。
4.2 芯片封装所使用的材料：金属、陶瓷、玻璃、高分子等。其中，金属主要为电热传导材料，陶瓷和玻璃为陶瓷封装基板的主要成分，玻璃同时是重要的密封材料，高分子用于塑料封装，也是许多封装工艺的主要添加物。材料的选择也需要综合多方需求。
4.3 按照封装中组合集成电路芯片的数目：可分为单芯片封装与多芯片封装。按照密封材料：可分为高分子材料和陶瓷为主。按照器件与电路板互连方式：可分为引脚插入型和表面贴装型。按照引脚分布形态：可分为单边引脚、双边引脚、四边引脚和底部引脚。
封装技术与封装材料发展阶段
虽然国际上对于划分有不同的标准，国内主要是采取封装芯片与基板连接方式划分。总体上可分为四个阶段。
5.1 第一阶段：约1980年以前，插孔原件时代。
5.2 第二阶段：约1980年代中期，表面贴装时代。
5.3 第三阶段：约1990年，面积阵列封装时代。
5.4 第四阶段：约2000年，微电子封装技术堆叠式封装时代

6.4.2 集成电路封装工艺流程

一般来说，芯片制造和封装不是在同一工厂内完成的，它们可能在同一工厂不同区域也可能在不同地区甚至不同国家。
封装流程一般分为两个部分：前段操作（用塑料封装，也就是固封，之前的工艺步骤）和后段操作（固封之后）
归纳起来，芯片封装技术的基本工艺流程：硅片减薄、硅片切割、芯片贴装、芯片互连、成型技术、去飞边毛刺、切筋成型、上焊锡、打码等工序。
芯片封装技术分为四个层次：第一层次，零级，芯片级封装，芯片级集成即片上系统（SOC，System-on-Chip）芯片上的互连，得到芯片。第二层次，一级，封装级封装，封装级集成即系统级封装（SOP，System-on-Package），芯片与封装基板的互连并进行保护性包封，得到封装好的电子器件。第三层次，二级，板级封装，板级集成即板上系统（SOB，System-on-Board），将一级封装和其他电子元件安装在印制电路板表面，得到电子系统。第四层次，三级，将印制电路板组装到一个主板上，形成一个子系统。
芯片倒装技术
晶圆级封装PIWLP、POWLP
TSV封装
SiP封装

6.4.3 厚膜与薄膜

厚膜与薄膜技术是电子封装中重要的工艺技术。厚膜技术使用网印与烧结方法，薄膜技术利用镀膜、光刻与刻蚀等方法。厚膜不需要基体，薄膜只能依附在基体上。
膜的功能：电气连接、元件搭载、表面改性。
2.1 电气连接：电路板及膜与基板互为一体，元器件搭载在基板上实现与导体端子相互连接。
2.2 元件搭载：焊接盘与导体端子是膜电路重要部分。并且，不论采用引线键合还是倒装片的方式，芯片的装载都需要焊接盘。元器件搭载在基板上，都依赖导体端子。
2.3 表面改性：通过膜的使用可以使材料在某些性能上得到改性，比如耐磨性、抗腐蚀性等。
薄膜技术与材料
3.1 导体薄膜主要用于形成电路图形，为有源和无源器件提供金属化以及相互引线。
3.2 介质薄膜具有优秀的电学性、机械电性以及光学电性，在电子元器件、光学器件、机械器件等领域有着较多的应用。成膜方法有MO、CVD、射频磁控溅射等。
3.3 电阻薄膜主要方法有真空蒸镀、溅射镀膜、电镀、热分解等。其中溅射是薄膜沉积到基板上的主要方式。、
3.4 薄膜制造技术主要为溅射和蒸发。二者对比，蒸发具有更快的沉积速率，但对于合金，会因为不同金属材料的蒸气压不同而难以达到较好的效果，同时。蒸发仅限于熔点较低的金属，对于难熔金属与陶瓷，是不可能通过蒸发进行沉积的。另外，若使用蒸发，氮化物和氧化物的反应沉积难以控制。
3.5 电镀也是一种成膜的方法。
3.6 成膜的方法可以分为干膜和湿膜。
3.7 电路图形的成型方法包括：填平法、蚀刻法、掩膜法、喷砂法。
厚膜技术与材料
4.1 厚膜技术主要是指用丝网印刷的方法将导体浆料、电阻浆料或介质浆料等材料转移到陶瓷基板上，这些材料经过高温烧结，会在陶瓷电路板上形成粘附牢固的膜。

6.4.4 焊接材料与工艺

芯片封装中常用的焊接材料为焊料和锡膏，原书中这节里除了叙述这两种材料外，对助焊剂的种类和焊接表面的清洁与处理方法，以及无铅焊料在绿色封装中的应用也加以了阐述。
- 由于笔者不需要修习这部分内容，因此未进行记录，如有需求可邮件联系。

6.4.5 封胶材料与技术

IC芯片完成与印制电路板的模块封装后，除了焊接点、指状接合点、开关等位置外，为了使成品表面不受到外来环境因素以及后续封装工艺的损害，通常涂布一层25-125um厚的高分子涂层用于保护。

6.4.6 陶瓷封装

陶瓷封装可以满足各种高需求的封装技术，本节主要叙述以氧化铝及其他重要陶瓷材料为封装基材的工艺技术。
陶瓷封装简介
2.1 陶瓷封装可以提供芯片气密性的密封保护，具有优良的可靠度。陶瓷在热、电、机械特性等方面极为稳定，并且可以通过改变化学成分和工艺来改变特性。陶瓷不仅可以作为封装的封盖材料，也可以作为承载基板。当今的陶瓷技术可以将烧结的尺寸变化控制在0.1%以内，可以结合厚膜印刷技术制成30-60层的多层连线传导结构，因此陶瓷也是制作多芯片组件封装基板的主要材料之一。
2.2 陶瓷封装主要缺点：与塑料封装比较，工艺温度较高，成本较高；工艺自动化与薄型化封装的能力逊于塑料封装；陶瓷材料具有较高的脆性，容易导致应力损伤；
氧化铝陶瓷封装材料
陶瓷封装工艺
其他陶瓷封装材料：氮化铝等

6.4.7 塑料封装材料与工艺

应用范围极广，低成本、可以做薄、工艺简单、适合自动化生产。
材料与工艺不在赘述。