集成电路材料科学与工程基础

第1章绪论 1.1引言 材料、能源和信息是构成社会文明和国民经济的三大支柱。其中材料的革新是人类 技术进步的标志，常常被用来区分人类文明史的不同阶段。早期人类文明由材料的发展 水平决定（石器时代、青铜时代、铁器时代）。现代工农业生产的发展、科学技术的进步 和人民生活水平的提高，均离不开品种繁多且性能各异的材料。 材料既是国民经济的物质基础，也是保障国家安全的战略支撑。进入21世纪以来， 在经济全球化和社会信息化的背景下，国际制造业竞争日益激烈，对先进材料及制造技 术的需求更加迫切。 云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能等新兴信息技术与制造业的深度 融合，正在引发对制造业研发设计、生产制造、产业形态和商业模式的深刻变革，材料 的创新已成为推动制造业发展的主要驱动力。集成电路产业不仅是信息化社会的基石， 更是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。尽管我国集成 电路材料产业持续壮大，但相对我国市场的需求和发展，材料自给能力还远远不够。近 几年，受国家政策支持以及国内市场需求的双重驱动，我国集成电路材料产业发展到了 一个新的高度，关键材料逐渐实现从无到有，产业增长进一步加快。 集成电路材料，按照产业链主要分为衬底材料（硅晶圆等）、工艺材料（光刻胶、掩模 版、工艺化学品、电子气体、抛光材料、靶材等）以及封装材料（引线框架、封装基板、 陶瓷基板、键合丝、包封材料、芯片黏结材料等）三大板块，涉及金属材料、无机非金属 材料、高分子材料、复合材料等，十分庞杂。人们在使用材料的同时，一直在不断地研 究影响材料性能的各种因素和材料结构元素与其性能之间的关系。只有了解了这些，人 们才能有目的地塑造材料的特性。因此，发展集成电路材料，首先需要深入了解材料基 本结构和性质。 除了结构和性质外，在材料科学与工程中还有两个重要的要素，即“加工”和“使 用性能”。这四要素之间的关系，可以描述为：材料的结构取决于它的加工方式，材料的 使用性能是它的性质的函数。我们将贯穿全书阐述材料四要素间的关联，并结合集成电 路材料特点，讲述制备与加工工艺。 1.2材料的定义、分类及基本性质 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质，是组成生产 工具的物质基础。 材料有多种分类方法，包括按状态、化学组成和结合键性能、性能以及应用领域分 类等。按材料状态，材料分为气态、液态和固态三类。按材料化学组成和结合键的性能， 将材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料四类。按材料性能， 将其分为金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料。金属材料包括各种纯金属及其 合金。塑料、合成橡胶、合成纤维等称为有机高分子材料。对于像陶瓷、玻璃、水泥等， 既不是金属材料，又不是有机高分子材料，统称为无机非金属材料。按材料应用领域的 不同，则可分为建筑材料、医用材料、能源材料、仪表材料、集成电路材料等。 1.2.1金属材料 金属材料通常由一种或多种金属元素组成，其特征是存在大量的离域电子，也就是 说，这些电子并不键合在特定原子上。金属的很多特性都可归因于这些离域电子，例如 良好的导电性、导热性、抛光表面的反光性、金属光泽、延展性、可塑性等。除汞外， 所有金属在常温下都是固体。青铜和铁作为金属材料已有数千年的使用历史。钢材被广 泛用作结构材料，铜材则常常作为导电材料。当今材料科学的发展赋予了金属材料更多新 特性，能够形成各种各样的新型金属材料，如超塑性合金、形状记忆合金、储氢合金等。 金属材料通常分为黑色金属材料和有色金属材料（非铁材料）两类。黑色金属材料包 括钢和铸铁。钢铁是现代工业中的主要金属材料，在机械产品中占整个用材消耗的60% 以上。有色金属材料是指除铁以外的其他金属及其合金。这些金属有80余种，分为轻金 属、重金属、贵金属、类金属和稀有金属五类。工程上*重要的有色金属包括铝、铜、锌、 锡、铅、镁、镍、钛及其合金。在集成电路产业领域，金属材料常用在厚膜电路和焊料中。 金属材料的基本特性： （1）结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构。 （2）在常温下金属一般为固体，熔点较高。 （3）具有金属光泽。 （4）纯金属塑性大，展性、延性也大。 （5）强度较高。 （6）导热和导电性好（存在自由电子）。 （7）在空气中多数金属易氧化。 1.2.2无机非金属材料 无机非金属材料又称硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料，以及由无机 元素组成的单质材料，如单晶硅、金刚石、石墨，如图1-1所示。陶瓷是*早使用的无机 材料。由于大多无机非金属材料的生产过程与传统的陶瓷生产过程类似，无机非金属材 料又常被统称为“陶瓷”。 陶瓷是由金属与非金属组成的化合物（氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、硅酸盐以 及碳酸盐等）。此类材料通常是电和热的不良导体，材质硬而脆，可用作结构材料、光学 材料、电子材料等。传统陶瓷材料一般以天然原料通过锻烧等手段进行加工制造而得， 其制品如洁具、器皿等已在日常生活中广泛应用。现今的陶瓷材料研究及应用侧重于以精制的高纯天然无机物或人工合成无机化合物为原料，采用特殊工艺烧结制造而成。此 类陶瓷称为精细陶瓷，其具有各种优异性能或特殊应用功能，主要用于化工、机械、动 力、电子、能源等领域。在集成电路产业领域，无机非金属材料主要应用于陶瓷封装（氧 化铝陶瓷封装、陶瓷气密封装等）和刻蚀保护（玻璃粉）等。 无机非金属材料的基本特性： （1）结合键主要是离子键、共价键以及它们的混合键。 （2）硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感。 （3）熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能。 （4）导热性和导电性较差。 （5）耐化学腐蚀性。 （6）耐磨损。 （7）成型方式为粉末制坯、烧结成型。 1.2.3高分子材料 高分子材料是指以碳、氢、氧、氮、硫等元素为基础，由许多结构相同的小单位（链 节）重复连接组成，原子数目多、分子量足够大的有机化合物。常用高分子材料的分子量 在几千到几百万之间，一般为长链结构，以碳链居多。 高分子材料分类方法有多种。根据来源，分为天然和人工合成两类。木材、天然橡 胶、棉花、动物皮毛等属于天然高分子材料。人工合成高分子材料包括塑料、合成橡胶 和合成纤维三大类。根据使用性能，分为塑料、橡胶、纤维、黏合剂、涂料等。根据高 分子化合物的主链结构，分为碳链、杂链、元素高聚物三类。根据其对热的性质，分为 热塑性、热固性及热稳定性高聚物三类。按照材料的用途，分为高分子结构材料、高分子电绝缘材料、耐高温高聚物、导电高分子、高分子建筑材料、生物医用高分子材料、 离子交换树脂、液晶高分子、高分子催化剂、包装材料等。 塑料是极重要的一类高分子材料，除树脂外，塑料还含有增塑剂、填料、防老剂、 固化剂等各种添加剂。从使用的角度，塑料分为通用塑料和工程塑料。通用塑料是指产 量大、用途广、成型性好、价格低的一类塑料，主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、 聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料是指具有高强度、高模量，并能在较高温度下 长期使用的塑料。常见的工程塑料有耐冲击的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚体）、聚 酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯等。在集成电路产业领域，高分子材料主要应用于塑料封装、 清洁清洗、封胶涂封、光固化树脂等。 高分子材料的基本特性： （1）分子链内为共价键，分子间为范德华键和氢键。 （2）分子量大。 （3）力学状态有玻璃态、高弹态和黏流态，强度较高。 （4）重量轻。 （5）良好的电绝缘性。 （6）良好的化学稳定性。 （7）成型方法较多。 1.2.4复合材料 复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的材料。复合材料中各组分在性能上互 相取长补短，产生协同效应，使复合材料既保留原组分材料特性，又具有单一组分材料 所无法获得的或更优异的性能。 复合材料按性能分为结构复合材料和功能复合材料。前者的研究较充分、应用也较 多，后者近年来发展迅速。*常见的复合材料之一是玻璃纤维增强高分子复合材料（俗称 玻璃钢）。玻璃钢就是将细小的玻璃纤维嵌入高分子材料中。玻璃纤维通常比较坚硬且脆， 而高分子材料韧性好。因此合成后的玻璃钢既坚硬又有韧性。碳纤维增强高分子复合材 料是另一种典型复合材料。这种材料在高分子中嵌入了碳纤维，其硬度和强度比玻璃纤 维增强复合材料的还要高。碳纤维增强高分子复合材料主要应用在航天航空领域，以及 高科技体育用品和汽车保险杠，例如，波音787机身材料、比赛用自行车、网球拍等。 复合材料在集成电路领域有大量应用，例如，玻璃纤维强化材料（S1O2、AI2O3、CaO、 MgO、B2O3等复合物）和封装浆料（陶瓷粉末、黏着剂、塑化剂与有机溶剂的混合）等。 1.3材料科学与工程的研究内容 “材料科学与工程”学科的明确提出要追溯到20世纪中叶。1957年苏联发射了** 颗人造卫星，重80 kg，同年11月又发射了第二颗人造卫星，重500 kg。美国于次年发 射的“探测者1号”人造卫星仅8 kg，重量远不及苏联的卫星。对此美国有关部门联合 向总统提出报告，认为在科技竞争中美国之所以落后于苏联，关键在先进材料的研究方面。1958年3月，美国总统艾森豪威尔通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”，决 定在12所大学成立材料研究实验室，随后又扩大到17所。从那时起出现了包括多领 域的综合性学科一“材料科学与工程”。 “材料科学与工程”学科的形成主要归功于如下五个方面的基础发展： （1）各类材料大规模的应用发展是材料科学的重要基础之一。18世纪蒸汽机的发明 和19世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃，如1856 年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢，大大促进了机械制造、铁路交通的发展。随之 不同类型的特殊钢种也相继出现，如1887年高锰钢、1903年硅钢及1910年镍铬不锈钢 等，与此同时，铜、铅、锌也得到大量应用，随后铝、镁、钛和稀有金属相继问世。20 世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂（胶木），1925年的聚苯乙烯， 1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龙等，发展十分迅速。如今人工合成高分子材料世 界年产量在1亿吨以上，年产量已超过钢。无机非金属材料门类较多，一直占有特殊的 地位，其中一些传统材料资源丰富，性能价格比在所有材料中*有竞争力。20世纪中后 期，通过合成原料和特殊制备方法，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先进 结构材料，如电子陶瓷、铁氧体、光学玻璃、透明陶瓷、敏感及光电功能薄膜材料等。 先进结构陶瓷由于高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及质轻等特点，在能源、信息等领 域具有广泛的应用，成为近三四十年来研究的热点，且用途还在不断扩大。 （2）基础学科发展为材料科学理论体系的形成打下了坚实的基础。量子力学、固体物 理、断裂力学、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，以及现代分析测试技术 和设备的更新，使人类对物质结构和物理化学性质有了更深层次的理解。同时，冶金学、 金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展也对材料本身的研究大大加强和系统化，从而对材料 的组成、制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入系统。 （3）学科理论的交叉融合日益突出。在“材料科学与工程”学科确立以前，金属材料、 无机非金属材料与高分子材料等都已自成体系。但人们在长期研究中发现，它们在制备 和使用过程中许多概念、现象和变化都存在着颇多相似之处。例如，相变理论中，马氏 体相变*初是金属学