芯片是用什么材料做的很多人只知道硅来自沙子不知道还有100多种其他材料在芯片制造中扮演关键角色。光刻胶是芯片制造中进口依赖最严重的材料高端ArF和EUV光刻胶几乎被日本垄断。了解半导体材料体系是理解fab工作的基础。这篇讲清楚七大类半导体材料的功能、国产化现状和工程师如何建立材料知识体系。一、芯片是用什么材料做的芯片的原材料是硅硅来自沙子。每千克沙子能提炼出约250克的硅再经过提纯得到电子级硅硅含量要达到99.9999999%以上即9个9的纯度。这个纯度是什么概念相当于方圆几千公里内只有几个灰尘颗粒。地球上的天然材料里没有这么纯的东西都是靠工业提纯得来的。从硅锭到硅片要经过拉晶、切割、研磨、抛光等多道工序。拉晶是把多晶硅在坩埚里加热融化用籽晶引导长出单晶硅锭。单晶的意思是整个硅锭的原子排列是整齐的像一个完整的晶体。切割是把硅锭切成薄片每片厚度约0.7-0.8毫米这个薄片就叫硅片。硅片是芯片的载体芯片做在硅片上。硅片的表面要达到原子级平整光洁度要求是纳米级的。一个凸起或者凹陷都可能影响电路图案的精度。所以硅片抛光后表面粗糙度只有零点几个纳米比镜子还光滑100倍。芯片制造除了硅片还需要几十种材料光刻胶、电子特气、湿化学品、靶材、研磨液等。每种材料都有严格的纯度和洁净度要求材料的品质直接影响芯片良率。材料类型主要功能代表产品关键指标硅片光刻胶电子特气湿化学品靶材硅片芯片基底单晶硅片纯度9N, 缺陷密度光刻胶图案转移ArF/EUV光刻胶分辨率, 灵敏度电子特气工艺反应硅烷/氨气/氯化氢纯度6N, ppb级杂质湿化学品清洗/刻蚀硫酸/氢氟酸/显影液金属杂质ppb靶材金属薄膜沉积铝/钛/铜/钴靶纯度5N, 晶粒度二、七大类半导体材料解析第一类是硅片。硅片是最主要的基底材料8英寸和12英寸是主流尺寸。12英寸硅片面积是8英寸的2.25倍单片能切割的芯片数量更多成本更低是目前的主流。先进制程用12英寸成熟制程用8英寸。硅片供应商主要是日本的信越和SUMCO以及德国的Siltronic和韩国的SK Siltron。第二类是光刻胶。光刻胶是光刻工艺的核心材料分为g线、i线、KrF、ArF和EUV光刻胶。g线和i线是早期制程用的KrF和ArF是深紫外光刻用的EUV光刻胶是7nm以下制程用的。光刻胶是国产化率最低的材料之一高端ArF和EUV光刻胶几乎被日本和美国垄断是半导体材料里卡脖子最严重的环节。第三类是电子特气。电子特气是芯片制造过程中用到的各种气体约有100多种。常见的有硅烷、氨气、氯化氢、氦气、氩气等。电子特气的纯度要求极高杂质含量要控制在ppb甚至ppt级别。空气里的微量杂质就可能让芯片失效。电子特气供应商主要有空气化工、林德、普莱克斯等国际巨头国内也在追赶。第四类是湿化学品。湿化学品是清洗和蚀刻用的化学液体包括硫酸、盐酸、氢氟酸、硝酸等强酸强碱以及显影液、剥离液等。光刻后清洗、刻蚀后处理都要用湿化学品。湿化学品的洁净度要求极高金属杂质含量要控制在ppb级别。第五类是靶材。靶材是物理气相沉积用的材料常见的有铝靶、钛靶、铜靶、钴靶等。PVD工艺把靶材蒸发或者溅射出来沉积在晶圆上形成金属薄膜。先进制程对靶材的纯度和晶粒度要求很高晶粒越细小越均匀沉积的薄膜质量越好。第六类是CMP研磨液。CMP是化学机械平坦化用研磨液和研磨垫把晶圆表面磨平。研磨液里有磨料颗粒和化学试剂两者配合完成平坦化。研磨液的配方是各家厂商的核心机密磨料颗粒的尺寸、硬度、浓度都会影响平坦化效果。第七类是光罩。光罩是光刻的模具上面有芯片设计的图案。先进制程的光罩制造精度要求极高线宽误差要控制在纳米级。光罩是掩模板不是芯片但精度要求不比芯片低。国产化难点说明当前状态光刻胶硅片电子特气光刻胶配方复杂高端ArF/EUV几乎为零ArF在验证中硅片12英寸稳定性和量产能力不足部分fab在测试电子特气部分高纯度气体依赖进口国产化率约30%三、半导体材料国产化现状半导体材料国产化率整体偏低。硅片国产化率约20%主要集中在8英寸12英寸硅片的国产化率很低大部分靠进口。光刻胶国产化率更低高端ArF和EUV光刻胶几乎为零。电子特气国产化率约30%湿化学品约40%靶材约30%。整体来看国产化率有提升但高端产品差距仍然很大。差距主要在纯度和洁净度。以硅片为例国产硅片和进口硅片的纯度差异不大但表面缺陷密度、平整度、翘曲度等指标的稳定性有差距。这些指标影响芯片良率fab宁愿用贵一点的进口货也不愿承担良率波动的风险。光刻胶是最难突破的材料。高端ArF和EUV光刻胶被日本JSR、信越、东京应化垄断EUV光刻胶更只有日本企业能生产。光刻胶的配方涉及复杂的化学和物理过程配方是多年积累出来的不是仿制能赶上的。国产ArF光刻胶已经有进展部分fab开始验证但EUV光刻胶差距更大。但也要看到进步。近年来国家大力扶持半导体材料国产化很多材料企业拿到了投资产能和技术都在提升。硅片、靶材、湿化学品的国产化推进最快已经在部分fab实现批量供货。光刻胶难度最大但也在逐步突破。材料知识学习来源实用价值材料规格书技术支持故障案例材料规格书供应商文档理解选材依据技术支持供应商应用工程师掌握材料特性故障案例fab内部报告积累经验四、材料选择对工艺的影响fab选材料主要看四个维度纯度、洁净度、稳定性、供应能力。纯度不够材料本身带杂质洁度度不够引入外源污染稳定性不够批次间波动大供应能力不够影响生产连续性。四个维度缺一不可。纯度对工艺的影响最直接。以电子特气为例纯度99.99%和99.9999%的差异看起来不大但99.99%意味着每万份气体里有一份杂质99.9999%意味着每百万份里有一份杂质。先进制程的工艺窗口已经很窄杂质可能直接影响良率。批次稳定性比单批纯度更重要。fab希望材料批次之间的差异尽可能小这样工艺参数调一次就能稳定跑。材料批次波动大意味着每次换料都要重新调参数增加工作量也增加良率波动的风险。所以fab选择供应商时会优先选稳定性好的即使纯度略低一点也能接受。供应能力包括供货速度和库存深度。fab的生产计划会因为各种原因调整材料要能跟上这个节奏。紧急订单要能快速供货常规订单要能稳定供货。供应能力弱的供应商即使材料质量好也很难成为fab的主供应商。五、工程师如何理解材料的重要性很多fab工程师觉得材料是采购的事和自己无关。这种想法要改。材料是工艺的输入材料质量直接影响工艺结果。材料批次换了工艺参数可能要重新调材料质量波动良率跟着波动材料出了问题整个批次可能报废。材料的重要性不比设备低。工程师要建立材料知识体系。知道用什么材料、为什么用这种材料、材料的哪些特性影响工艺、不同供应商的材料有什么差异。这些知识能帮助工程师更好地理解工艺也能在材料出现问题时快速定位根因。材料知识从哪里来最好的来源是材料供应商的技术支持。供应商有专职的应用工程师他们最了解自家材料的特性。fab工程师可以定期和供应商工程师交流了解材料的最新进展和注意事项。很多供应商会提供技术培训和现场支持这是很好的学习机会。另一个来源是工艺文档和故障报告。当材料批次出问题导致良率异常时解决问题的过程就是学习材料知识的过程。把每次材料问题的根因和解决方案记录下来时间长了就是很宝贵的材料知识库。六、趋势材料的演进方向材料的演进方向和制程的演进方向一致。先进制程对新材料有需求比如high-k金属栅极用的铪基氧化物鰭式晶体管用的锗沟道材料3D NAND用的钨字节填充材料等。这些新材料是配合新器件结构开发的材料创新是制程创新的前提。chiplet时代对材料有新要求。chiplet是多颗小芯片用封装技术集成在一起对材料的热导率、介电常数、粘接强度有新的要求。2.5D封装需要有机基板材料3D封装需要TSV填充材料和键合材料。这些材料和传统封装材料不同是新的技术方向。国产化是不可逆的趋势。地缘政治加速了半导体材料国产化的进程。不管外部环境怎么变提升自主可控能力是行业共识。fab和材料供应商的合作会越来越紧密国产材料的应用验证会加速。fab工程师在这个过程中要主动参与推动国产材料的验证和应用。收个尾半导体材料是芯片制造的根基没有材料就没有工艺没有工艺就没有芯片。理解七大类材料的功能、国产化现状、选材逻辑和演进方向是fab工程师的专业基础。材料知识可能不如工艺知识那么直接有用但它是理解整个半导体制造体系的底座。这个底座越扎实上层的能力越强。