浅谈半导体材料的研磨抛光

浅谈半导体材料的研磨抛光

2022-07-01 16:42:51 0

一、半导体的发展

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体一般分为两类,元素半导体和化合物半导体,即在元素周期表的位置是4族的元素半导体和2族与6族的化合物所得。半导体还可以根据组成元素数量不同分为双元素化合物半导体、三元素化合物半导体,即通常意义上的第一代、第二代、第三代半导体

(一)单元素半导体/第一代半导体

以单一元素组成的半导体,属于这一材料的有硼、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等,其中以硅(Si)、锗(Ge)为代表,特别是硅,构成了一切逻辑器件的基础。第一代半导体材料引发了集成电路(IC)为核心的微电子领域迅速发展。但由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低,Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。不过第一代半导体具有技术成熟度较高且具有成本优势,仍广泛应用在电子信息领域及新能源、硅光伏产业中。

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图片来源:CPIA


(二)二、六或者三、五族化合物双元素半导体/第二代半导体

二、六或者三、五族化合物双元素半导体,即是指由两种确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。第二代半导体材料是化合物半导体;如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);GaAsAlGaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-SiGaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。20世纪九十年代以来,因信息高速公路和互联网的兴起,还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。如相比于第一代半导体,砷化镓(GaAs)能够应用在光电子领域,尤其在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。以砷化镓为例,相比于第一代半导体,砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性,因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上。

21世纪开始,智能手机、新能源汽车、机器人等新兴的电子科技发展迅速,同时全球能源和环境危机突出,能源利用趋向低功耗和精细管理,传统的第一、二代半导体材料由于自身的性能限制已经无法满足科技的需求,这就呼唤需要出现新的材料来进行替代。

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(三)三元素化合物半导体/第三代半导体

三元化合物半导体材料是指由三种已确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。美国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件,而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所在1995年也起步该方面的研究,并于2000年做出HEMT结构材料。第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg2.3eV)半导体材料。

与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度(>2.2eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域,包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。在5G通信、新能源汽车、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下,目前,应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术,也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

第三代半导体中,SiC 与 GaN 相比较,前者相对 GaN 发展更早一些,技术成熟度也更高一些;两者有一个很大的区别是热导率,这使得在高功率应用中,SiC占据统治地位;同时由于GaN具有更高的电子迁移率,因而能够比SiC 或Si 具有更高的开关速度,在高频率应用领域,GaN具备优势。目前碳化硅衬底技术相对简单,国内已实现4英寸量产,6英寸的研发也已经完成。 氮化镓(GaN)制备技术仍有待提升,国内企业目前可以小批量生产2英寸衬底,具备了4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸样品。

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二、半导体材料的研磨抛光

磨削和研磨等磨料处理是生产半导体芯片的必要方式,然而研磨会导致芯片表面的完整性变差。因此,抛光的一致性、均匀性和表面粗糙度对生产芯片来说是十分重要的。北京国瑞升科技股份有限公司(以下简称“国瑞升”)作为一家专业从事超精密研磨抛光材料、研磨工艺及相关设备的研发、生产和经营的中日合资企业,针对三代半导体均有不同的研磨抛光解决方案,完美解决了目前市面上的半导体的磨抛问题。

第一代半导体材料,以硅片和锗片为代表,针对这两种材料的研磨和抛光,国瑞升主要有如下几种产品对应:化合物半导体研磨液系列、CMP抛光液以及所匹配的研磨垫和精抛垫等。

第二代半导体材料,以磷化铟和砷化镓为代表,针对这两种材料的背抛工艺,国瑞升主要有如下几种产品对应:化合物半导体抛光液和CMP抛光液以及所匹配的精抛垫。国瑞升的抛光耗材具有抛光效率快、表面状态好(RaTTVLTV)、良率高等显著特点,在提高抛光效果的同时,能有效降低成本,可完全替代国际知名品牌产品。目前已获得业内标杆客户的认可和批量采购,获得了较大的经济效益和市场占有率。

 

第三代半导体材料,以碳化硅和氮化镓为代表,针对这两种材料的研磨和抛光,国瑞升可提供全套的产品和整体的解决方案,可向衬底客户提供化合物半导体粗磨液、精磨液、粗抛液和CMP抛光液;可向后道外延芯片背面减薄客户提供减薄耗材产品,以及匹配的粗抛垫和精抛垫。能够有效降低被加工晶片的划伤率,成品合格率高达95%以上,损伤层<5μm,表面光洁效果好,研磨抛光效率能提高2-3倍,耗材使用量较传统工艺节省30-40%,与国际知名品牌产品相比,拥有明显性价比优势!(以上数据来源于国瑞升实验室)。

针对碳化硅衬底的精密研磨抛光,传统研磨抛光工艺需要四步工序:双面研磨-精磨-粗抛-精抛,总的研磨时间比较长,在6.5小时以上。而采用国瑞升自产的新型粗抛液和精抛液,只需三步研磨工序,即完成双面研磨后,直接进行粗抛、精抛,整体研磨时间降低到3.5小时以下,研磨加工效率提高了近50%,同时产品表面的加工质量也得到了提升

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化合物半导体行业配套研磨耗材

 三、国瑞升公司介绍

北京国瑞升科技股份有限公司(以下简称“国瑞升”),是一家专业从事超精密研磨抛光材料、研磨工艺及相关设备的研发、生产和经营的中日合资企业。公司成立于20016月,总部位于北京中关村科技园区,是国家级高新技术企业,北京市“专精特新”中小企业和北京市专精特新“小巨人”企业。(https://bjgrish.com/

国瑞升旗下拥有北京保利世达科技有限公司、北京国瑞升精机科技有限公司、南阳国瑞升新材料有限公司、盘锦国瑞升科技有限公司、日本Summit Super Abrasive Co., Ltd.五家全资子公司。

国瑞升始终坚持以技术研发引领销售,密切关注客户需求及行业发展动态,目前公司拥有49件国内外发明专利,主持并参与了5项行业标准的编写,成为国内行业技术的排头兵。其研发生产的产品包括精密抛光膜、多晶金刚石微粉、金刚石研磨液等,可广泛应用于半导体、光通信、LED、汽车、LCD、电子、微电机、光学晶体、医疗器械等领域。是半导体材料、光纤连接器、蓝宝石衬底辊轴和凸轮轴、液晶显示屏、微电机、手机边框、特种陶瓷、光学镜片人工晶体、牙科材料等精密研磨抛光所必需产品,是高品质、高精度产品的可靠保证。公司国际合作广泛,其产品已出口到德国、美国、日本、韩国、英国、印度等几十个国家和地区,并与行业核心客户深度合作,技术和服务水平持续提升。

尤其是针对半导体领域,国瑞升研发出多套研磨抛光工艺和一系列专用的化合物半导体精密研磨抛光材料,包括粗磨液、精磨液、粗抛液、精抛液以及配套的抛光垫等,适用于碳化硅、氮化铝、氮化硅、磷化铟、砷化镓、氮化镓等半导体材料的精密研磨抛光。这些工艺和产品的研发,凝聚了国瑞升人将近二十年的心血。 

新的航程呼唤新的激情,新的使命蕴含新的期冀。凭借公司多年的技术研发经验及众多客户的应用实践积累,公司将一如继往的顺应各种行业的发展和精密研磨抛光需要,不断构思并创造新技术和新产品,开发各种工艺方法及整体配套解决方案,以满足和解决客户对超精密研磨抛光的高端需求,支持客户发展,助力客户成功!

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我们的工厂实景图

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