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半导体主要制造材料及封装材料

半导体材料行业是半导体产业链中细分领域最多的产业链环节，根据SEMI的分类与数据，晶圆制造材料包括硅片、光掩膜、光刻胶及辅助材料、工艺化学品、电子特气、抛光液和抛光垫、靶材及其他材料，封装材料包括引线框架、封装基板、陶瓷基板、键合丝、包封材料、芯片粘结材料及其他封装材料，每一大类材料又包括几十种甚至上百种具体产品，细分子行业多达上百个。

图1：半导体主要制造材料及封装材料

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半导体材料的成本拆分

根据SEMI的数据，2021年半导体前道制造材料的成本占比为62.8%，后道封装材料成本占比为37.2%。进一步对前道制造材料成本以及后道封装材料成本进行拆分，其中成本占比最大的为硅片/其他衬底成本（20.72%）；其余材料成本占比从大至小排序分别为封装基板（14.88%）、湿电子化学品（8.79%）、光刻胶及配套材料（8.29%）、掩膜版（8.10%）、键合丝（5.58%）、引线框架（5.58%）、封装树脂（4.84%）、CMP材料（4.46%）、陶瓷封装（4.09%）、电子特气（2.51%）、靶材（1.82%）、芯片粘结材料（1.49%）。

图2：2021年半导体材料成本拆分

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半导体全工艺流程涉及金属环节

硅片及其他衬底材料是半导体芯片的关键底层材料。从芯片的制造流程来看，需要的步骤包括生产晶圆、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试、封装等。以硅片半导体为例，自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，需要进行提炼后使用。将提炼后得到的高纯硅熔化成液体，再利用提拉法得到原子排列整齐的晶锭，再将其切割成一定厚度的薄片，切割后获得的薄片便是未经加工的“原料晶圆”。

第二步即为氧化过程，其作用是在晶圆表面形成保护膜，保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱；第三步为光刻，即使用光线将电路图案“印刷”到晶圆上。

第四步为刻蚀，在晶圆上完成电路图的光刻后，用该工艺来去除任何多余的氧化膜且只留下半导体电路图；在刻蚀的同时，也需要进行第五步薄膜沉积/离子注入：通过不断沉积薄膜以及刻蚀去除掉器件中多余的部分，同时添加一些材料将不同的器件分离开来，每个晶体管或存储单元就是在这个过程中构建起来的；在上述过程完成后，需要将器件互连并进行测试，测试无误后才能进行最后的封装，得到最后的半导体芯片。

由于半导体（集成电路）制造的过程十分复杂，涉及的金属材料品种包罗万象，本节中我们以SEMI对半导体材料的分类为脉络，逐个分析涉及金属的半导体材料，主要包括衬底及外延、掩膜版、电子特气、靶材、其他材料（高K材料及电镀液）、键合丝、引线框架、焊料，下文将分别对这些半导体材料涉及的金属做进一步阐述。

图3：半导体全工艺流程涉及金属环节介绍

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半导体衬底材料更新迭代

从半导体的发展历史看，半导体衬底材料经历了三代的更新迭代，并正在向着第四代材料稳步迈进。其中第一代半导体材料以锗（Ge）和硅（Si）为主，其中锗目前半导体应用较少，而硅仍是目前最主流的半导体衬底材料；第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)和硫化镉(CdS)等I-V族化合物材料为主，由于化合物半导体的宽禁带优势以及下游应用领域的进一步发展，砷化镓与磷化铟未来的使用量将提升；第三代半导体材料则是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)和氮化铝(AIN)等为代表的宽禁带(禁带宽度大于2.2eV)半导体材料，其中碳化硅与氮化镓备受关注；而第四代半导体材料主要包括氮化铝（AlN）、金刚石、氧化镓（Ga2O3）,它们被称为超宽禁带半导体材料，目前尚处于起步阶段。

图4：半导体衬底材料更新迭代

从四代半导体的性能参数对比看，第一代半导体表现出较低的禁带宽度、介电常数以及击穿电场，其优势在于低廉的成本以及成熟的工艺，因此更加适应低压、低频、低温的工况。

第二代半导体材料具有发光效率高、电子迁移率高、适于在较高温度和其它条件恶劣的环境中工作等特点，同时工艺较第三代半导体材料更为成熟，主要被用来制作发光电子、高频、高速以及大功率器件，在制作高性能微波、毫米波器件方面是绝佳的材料。第三代半导体材料随着智能时代的来临而备受青睐，禁带宽度明显增加，击穿电压较高，抗辐射性强，电子饱和速率、热导率都很高。基于上述特性第三代半导体材料不仅能够在高压、高频的条件下稳定运行，还可在较高的温度环境下保持良好的运行状态，并且电能消耗更少，运行效率更高。第四代半导体材料显示出最大的优势便是其更宽的禁带宽度，因此其更适合应用于小尺寸、高功率密度的半导体器件。半导体代际区分的关键指标为“巴利加优值”，它以 IEEE 荣誉勋章获得者B.贾扬特•巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本质上，它表示的是器件的输出在高电压下对输入信号细节的再现程度，优值越高，再现程度越完整。我们假设第一代半导体硅基材料的优值为 1，第二代半导体材料优值需要达到其10 倍以上，第三代半导体材料优值需要达到其 100 倍以上，第四代半导体材料优值需要达到其 1000 倍以上。

表一：四代半导体参数对比

表二：四代半导体材料应用领域

图4：各种半导体衬底材料适用功率范围及频率范围

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适用功率范围及频率范围

图5：各种半导体衬底材料适用功率范围及频率范围

目前主要使用的半导体衬底材料所适用的功率范围及频率范围，可以较为清晰地比较各种半导体衬底材料的优劣势。虽然下图对各种半导体衬底材料 的适用范围进行了区分，但是从目前的使用情况来看，仍未出现明显的替代现象，目前硅仍然是半导体器件最重要的材料。

来源： New Material+New Power

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