半导体材料的应用及发展趋势

半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

一、半导体材料主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。

（半导体材料）

2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。

（半导体材料元素结构图）

半导体材料

三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更复杂的无机化合物。

3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

二、半导体材料实际运用

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

（半导体材料）

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

三、半导体材料发展现状

相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，

半导体材料日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

（半导体材料）

美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。

日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。

芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。

半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。

与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。

四、半导体材料战略地位

20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式

摩尔定律的延伸受到物理极限、巨额资金投入等多重压力，迫切需要别开蹊径延续工艺进步。而通过先进封装集成技术，可以更轻松地实现高密度集成、体积微型化和更低的成本。封装行业将在集成电路整体系统整合中扮演更重要的角色，也将对产业的格局形成更多影响。随着先进封装的推进，集成电路产业将展现出一些新的发展趋势，有先进封装的集成电路产业样貎将会有所不同。

先进封装增速远超传统封装

当前 社会 正处于新技术与新应用全面爆发的背景下，移动设备、大数据、人工智能、5G通信、高性能计算、物联网、智能 汽车 、智能工业等快速发展。这些技术与应用必将对底层芯片技术产生新的需求。据麦姆斯咨询的介绍，支持这些新兴大趋势的电子硬件需要高计算能力、高速度、更多带宽、低延迟、低功耗、更多功能、更多内存、系统级集成、更精密的传感器，以及最重要的低成本。这些新兴趋势将为各种封装平台创造商机，而先进封装技术是满足各种性能要求和复杂异构集成需求的理想选择。

系统级封装可以将一个或多个IC芯片及被动元件整合在一个模块中，从而实现具有完整功能的电路集成，它也可以降低成本，缩短上市时间，同时克服了SoC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等难题。

3D封装通过晶圆级互连技术实现芯片间的高密度封装，可以有效满足高功能芯片超轻、超薄、高性能、低功耗及低成本的需求，被大多半导体厂商认为是最具有潜力的封装方法。

总之，在市场需求的带动下，越来越多先进封装技术被开发出来，先进封装的市场占比将会进一步扩大。统计数据显示，从2017年到2023年，整个半导体封装市场的营收将以5.2%的年复合增长率增长，而先进封装市场将以7%的年复合增长率增长，市场规模到2023年将增长至390亿美元，传统封装市场的复合年增长率则低于3.3%。

展现三大发展趋势

随着先进封装技术的发展以及市场规模的扩大，其对于整个集成电路产业结构将产生越来越大的影响。首先是中段工艺的出现并逐渐形成规模。随着传统封装技术向先进封装过渡，有别于传统封装技术的凸块(Bumping)、再布线(RDL)、硅通孔(TSV)等中段工艺被开发出来，并且开始发挥重要作用。中芯长电半导体首席执行官崔东表示，仅靠缩小线宽的办法已经无法同时满足性能、功耗、面积，以及信号传输速度等多方面的要求，因此半导体企业开始把注意力放在系统集成层面来寻找解决方案，也就是通过先进的硅片级封装技术，把不同工艺技术代的裸芯封装在一个硅片级的系统里，兼顾性能、功耗和传输速度的要求。这就产生了在硅片级进行芯片之间互联的需要，进而产生了凸块、再布线、硅通孔等中段工艺。而中段硅片加工的出现，也打破了前后段芯片加工的传统分工方式。

其次，制造与封装将形成新的竞合关系。由于先进封装带来的中段工艺，封测业和晶圆制造业有了更紧密的联系，在带来发展机遇的同时，也面临着新的挑战。中段封装的崛起必然挤压晶圆制造或者封装测试业的份额。有迹象表明，部分晶圆厂已加大在中段封装工艺上的布局。晶圆厂有着技术和资本的领先优势，将对封测厂形成较大的竞争压力。传统封测厂较晶圆制造业相比属于轻资产，引入中段工艺后，设备资产比重较传统封装大大增加，封测业的先进技术研发和扩产将面临较大的资金压力。

最后，推动集成电路整体实力的提升。后摩尔时代的集成电路产业更强调产业链的紧密合作，强化产业链上下游之间的内在联系，要求各个环节不再是割裂地单独进行生产加工，而是要求从系统设计、产品设计、前段工艺技术和封测各个环节开展更加紧密的合作。企业对于先进封装业务的竞争，最终还需表现为产业链之间综合实力的竞争。

中国应加快虚拟IDM生态链建设

近几年中国集成电路封测产业实现了高速发展，有了长足的进步，然而国内集成电路封测产业链整体技术水平不高也是不争的事实。半导体专家莫大康认为，中国现在非常重视集成电路产业，推动先进封装业的发展就是非常必要的了。中国的封装测试是集成电路三业(设计、制造、封测)中起步最早的，与国际水平差距也比较小，因此完全有能力发展起来。

华进半导体总经理曹立强在近日的演讲中再次提出，推动国内“EDA软件—芯片设计—芯片制造—芯片封测—整机应用”集成电路产业链虚拟IDM生态链的建设，以市场需求牵引我国集成电路封测产业快速发展。集成电路的竞争最终会表现为产业链之间综合实力的竞争，先进封装的发展需要从工艺、设备和材料等方面的协同。

在新的技术趋势和竞争环境下，集成电路产业越来越表现为产业链整体实力的竞争。过去几年，国际半导体制造公司纷纷加大力度向先进工艺挺进，在持续大规模资本投入扩建产能的带动下，一些半导体制造大厂同样具备了完整的先进封装制造能力。

应对这样的产业形势，曹立强指出，重点在于突破一些关键性技术，如高密度封装关键工艺、三维封装关键技术、多功能芯片叠层集成关键技术、系统级封装关键技术等。建设立足应用、重在转化、多功能、高起点的虚拟IDM产业链，解决集成电路产业领域的关键技术，突破技术瓶颈。

光刻胶的要求比光刻机的要好

光刻胶是光刻机研发的重要材料，换句话说光刻机就是利用特殊光线将集成电路映射到硅片的表面，如果想要硅片的表面不留下痕迹，就需要网硅片上涂一层光刻胶。

简单的说光刻胶是用于保护硅片的，光刻机是用来制作芯片的。光刻胶的性能指标要求极高，如感光的性能、抗蚀性、表面的张力等。

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