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半导体清洗材料公司合明分享:氧化镓,第四代半导体材料

发布日期:2022-06-16 发布者:合明科技Unibright 浏览次数:280

半导体清洗材料公司合明分享:氧化镓,第四代半导体材料

清洗剂_洗板水_水基清洗剂_电路板清洗_半导体清洗_治具清洗_芯片清洗_助焊剂_助焊剂清洗_锡膏清洗_合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商。精密电子清洗除焊后助焊剂、锡膏、焊膏、球焊膏、焊锡膏、锡渣等残留物。水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封装到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳. 先进封装包括倒装芯片、WLCSP晶圆级芯片封装、3D IC集成电路封装、SiP系统级封装、细间距封装等等。


自从手机厂商在快充中用到了氮化镓(GaN),这种第三代半导体材料便几乎成为快充标配。

在你刚用上氮化镓制成的充电头时,科学家与产业界便已瞄准更强的第四代半导体材料:氧化镓(Ga2O3),它能造出更强的充电头。

当前国内超三分之二的半导体产品完全依赖进口,高端半导体材料更是遭遇卡脖子。但氧化镓不同,这种新兴材料在国内外均在产业化前夜,我们有突破和超越的潜力,因此值得重点关注。

01出生即巅峰

第四代半导体材料有不少“潜力股”,但其中氮化铝(AlN)和金刚石仍面临大量科学问题亟待解决,氧化镓则成为继第三代半导体碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)之后最具市场潜力的材料,很有可能在未来10年左右称霸市场。

氧化镓有5种同分异构体,分别为α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3(β相氧化镓)最为稳定,当加热至1000℃或水热条件(即湿法)加热至300℃以上时,其他所有亚稳相的异构体都会被转换为β相异构体。[1]

β相氧化镓材料是目前半导体界研究最多,也是离应用最近的材料,目前产业化均以β相氧化镓为主,下文讨论内容也均指代β相氧化镓。

β相氧化镓的熔点为1820 ℃,其粉末呈白色三角形结晶颗粒,密度为5.95g/cm3,不溶于水[2]。其单晶具有一定的电导率,不易被化学腐蚀,且机械强度高,高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其在紫外和蓝光区域透明,这是传统的透明导电材料所不具备的优点。[3]

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氧化镓不同同分异构体具体参数

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氧化镓各同分异构体相互转换关系,图源丨《物理学报》[4]

氧化镓天资卓越,材料属性天生丽质,出生就注定能够成为市场热捧。它拥有着超宽带隙(4.2~4.9eV)、超高临界击穿场强(8MV/cm)、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能。氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅(SiC)的10倍,理论击穿场强是碳化硅的3倍多。

不止如此,它的化学和热稳定性也较为良好,同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。

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第一代~第四代半导体材料特性对比

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氧化镓对比硅、氮化硅和碳化硅,图源丨《新材料产业》[5]

材料领域从来没有十全十美,也从来不存在单兵作战。一方面,氧化镓的迁移率和导热率低,不及碳化硅和氮化镓,可能受到自热效应影响,从而导致设备性能下降;另一方面,实现p型掺杂难度较大,难以制造p型半导体,成为实现高性能器件的主要障碍。[6]

好在研究人员发现,当温度由室温升高至250℃时,氧化镓制造的器件性能不会出现明显的衰退,实际应用中很少会超过250℃,并且氧化镓器件可以非常小、非常薄,所以即使热导率低,也可以非常有效地进行热管理[7]。同时,业界已设计多样的器件构型,有效规避了p型参杂困难的问题,实现了良好的器件性能。

虽然这两个缺陷可以避免,但实际应用中仍需进一步探讨。

使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗,因此它在光电探测、功率器件、射频器件、气敏传感、光催化、信息存储和太阳能利用等都有潜在应用价值。目前为止,日盲紫外光电探测器件和功率器件(SBD、MOSFET)是氧化镓商业化趋势明朗的两个领域。

02制备是问题

既然优势多多,那为什么这一赛道还没爆发?这是因为氧化镓的路一直卡在大规模制备这一步,随着研究深入和器件应用明朗,产业化的路逐渐铺平。

氧化镓的研究主要以应用为导向发展,而从氧化镓材料转换为芯片,与碳化硅的“衬底→外延→器件”的产业体系类似。


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氧化镓材料研究历史

衬底指的是由半导体单晶材料制造而成的晶圆,在经过切、磨、抛等仔细加工后便是芯片制造的基础材料抛光片;外延指的是在抛光后的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程,外延片相当于是半导体器件的功能性部分;器件就是能实现具体功能的某种芯片,晶圆先会经历光刻、刻蚀、离子注入、CMP、金属化、测试等工艺,再经历切割、封装等复杂工艺。

氧化镓在这一过程中,既可以充当衬底材料,也可以充当外延材料。

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不同种类晶圆优势和应用

晶圆按直径分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格,芯片是从加工后的晶圆上切割下来的,但晶圆与芯片却是一圆一方,因此只有晶圆越大才能切出更多完整的芯片。晶圆尺寸与制程也息息相关,目前14nm或更先进制程的芯片基本都采用12英寸晶圆制造,因为晶圆越大,衬底成本就越低。[8]

因此只有当氧化镓被制成一定尺寸的晶圆,才能真正投入产业化,并且晶圆尺寸还要越做越大。

03单晶生长

大尺寸高质量的β相氧化镓晶圆生产非常困难,这是因为其单晶熔点达1820℃,高温生长过程中极易分解挥发,容易产生大量的氧空位,进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷,此外高温下分解生成的GaO、Ga2O和Ga等气体会严重腐蚀铱金坩埚。[9]

氧化镓单晶生长研究最早可以追溯到20世纪60年代,制备方法主要包括焰熔法、提拉法、导模法、光浮区法、布里奇曼法。

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氧化镓单晶生长技术情况

目前国际上走得最远的是日本NCT公司,是全球氧化镓衬底的供应主力,该公司采用导模法成功生长最大6英寸氧化镓单晶,而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底。

但导模法制造的氧化镓患有严重的“贵金属依赖症”,在制造过程中需要使用基于贵金属铱(Ir)的坩埚。铱元素全球储量稀少,每克铱的价格高达上千元,约是黄金价格的3倍,长晶设备中仅一个坩埚价格就超500万元 。

成本对国外产业来说已是核心问题,普遍会采取增大铸锭尺寸、提高加工率、延长坩埚寿命来降低铱坩埚成本,更彻底的解决方案就是研究其他转换路线。

这对国内产业来说更是棘手问题。虽然中国镓元素储量全球第三位,高纯度氧化镓原料储备丰富,生长晶体能耗降低80%,成品率可达50%及以上[10],但我国铱矿藏并不丰富,依赖进口,有断供风险。更为雪上加霜的是,坩埚易损坏且有使用次数限制。贵就造不起,高价造出来又坏不起,成了死循环。[11]

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不同氧化镣晶体制备方法的优缺点对比,图源丨《机械工程学报》[9]

国内开展氧化镓单晶生长研究只有十余年,成熟度和稳定性不及国外。中电科46所、西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、浙江大学等研究机构已开发出自主知识产权的生长技术,打技术垄断,不过最高只能加工到4英寸衬底。

为了让这项技术逐渐产业化,国内主要策略是减少贵金属铱的使用,并推动无铱工艺的摸索研究,这种趋势在产业化脚步加快之际越来越明显:初创公司进化半导体宣称,已开发出独创的“无铱法”特色工艺,解决成本痛点[12];2022年5月,浙江大学杭州国际科创中心则宣称,已发明全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆,减少了贵金属铱的使用,目前已经成功制备直径2英寸的氧化镓晶圆。[13]

04薄膜外延

外延生长是制备半导体器件的核心工艺之一,与器件性能息息相关。当衬底材料和外延材料均为氧化镓时,此时的外延被称为同质外延,反之则称为异质外延。

受限于氧化镓单晶衬底尺寸、质量、电学性能等因素,目前氧化镓外延生长研究集中在异质外延,为数不多的同质外延也是基于最为稳定和最强解理面的(100)面衬底。[14]


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外延的分类

目前用于氧化镓的外延薄膜沉积技术包括分子束外延技术(MBE)、分子有机气相沉积(MOCVD)、喷雾化学气相沉积(mist-CVD)、卤化物气相外延沉积技术(HVPE)。

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氧化镓外延技术情况

国际上两个主流技术当道:NCT公司的EFG结合HVPE技术和IKZ研究所的Cz结合MOVPE技术。但在竞争过程中,由于EFG比Cz拥有更大的晶体尺寸,HVPE的外延沉积速率约为MOVPE的10倍,因此EFG结合HVPE技术路线成为了主流,并实现了产业化。

虽然国内氧化镓体单晶制备技术已取得显著进步,但国内氧化镓外延技术较为薄弱。中电科46所是国内氧化镓技术较为领先的:2019年中电科46所用导模法制备了4英寸氧化镓晶圆,2021年12月又成功制备出HVPE氧化镓同质外延片,突破了HVPE同质外延氧化镓过程中气相成核和外延层质量控制等难题,填补国内空白。[15]

05器件应用

产出晶圆并不意味着万事大吉,还涉及许多问题。

由于氧化镓晶体脆性较大、易解理属性较强、断裂韧性较低,传统的游离磨料研磨加工很容易在表面产生裂纹和凹坑等缺陷,晶圆的超精密加工,包括研磨、抛光等都会牵扯出一系列工艺研究,产业化过程将带动整个链条。[16]

在器件应用上,氧化镓生长单晶前期主要针对日盲深紫外探测器,2012年氧化镓同质外延片应用至功率器件后,才正式开启了产业化新纪元。

目前氧化镓研究集中在肖特基势垒二极管(SBD)和金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)两种器件形态,通过增强器件结构,不断刷新着击穿电压数值。

器件发展上,日本入局较早,三菱重工、丰田、日本电装、田村制造(与NICT合作成立NCT)、日本光波等企业早已介入氧化镓的产业发展和布局,发展态势迅猛。美国相对缓慢,Kyma公司2020年推出1英寸氧化镓晶圆。[17]


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国际公司/机构氧化镓产业化历史

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付斌丨作者,

想了解更多关于半导体芯片封装清洗的内容,请访问我们的半导体芯片封装清洗应用与产品。


针对电子制程精密焊后清洗的不同要求,合明科技在水基清洗方面有比较丰富的经验,对于有着低表面张力、低离子残留、配合不同清洗工艺使用的情况,自主开发了较为完整的水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封装到PCBA组件终端,包括有水基清洗剂和半水基清洗剂,碱性水基清洗剂和中性水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多(测试过的锡膏品种有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌;测试过的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分),清洗速度更快,离子残留低、干净度更好。


【阅读提示】

以上为本公司一些经验的累积,因工艺问题内容广泛,没有面面俱到,只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断的追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。

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