中國先進半導體材料及輔助材料發展戰略研究

經過 60 多年的發展,全球半導體材料出現了三次突破性的發展進程。第一代半導體材料 Si 和 Ge 奠定了計算機、網絡和自動化技術發展的基礎,第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)奠定了信息技術的發展基礎,而目前正在快速發展的第三代半導體材料碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鎵(Ga2O3)、氮化鋁(AlN)、金剛石(C)等,主要面向新一代電力電子、微波射頻和光電子應用,在新一代移動通信、新能源并網、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子、新一代顯示等領域有廣闊的應用前景,成為全球半導體產業發展新的戰略高地 。

我國的半導體材料和器件,長期依賴進口,其中高性能芯片完全依賴進口,受制于人的問題突出。除芯片設計與制造能力薄弱外,半導體單晶硅和大量輔助材料的國產化水平不足,進口依賴程度較高,如在電子氣體、光刻膠和拋光材料等 3 種典型輔助材料領域,國內企業生產的產品市場占有率分別僅占 30%、10%、10%,亟需提升我國半導體關鍵原輔材料的自主保障能力。中美貿易摩擦的升級和 2020 年新型冠狀病毒肺炎疫情的出現,將對全球先進半導體材料和輔助材料供應鏈安全與產業鏈分工產生持續影響。目前,美國及其伙伴國將一些關鍵材料、生產裝備列入管制清單,危及我國半導體產業和相關工業體系的安全。因此,實現先進半導體材料、輔助材料、關鍵技術、重要裝備等的自主可控刻不容緩。

當然,隨著以 SiC、GaN 為代表的第三代半導體技術和產業發展,未來高質量 SiC 單晶襯底及其同質 / 異質外延材料、大尺寸 Si 上 GaN 外延材料將在光電子、電力電子和微波 / 射頻領域發揮重要作用。在新一代半導體材料領域,我國已經具備良好的產業化基礎。新的半導體材料體系的出現,是一次與發達國家同臺競爭的極佳機會,及時把握這一歷史機遇,通過整合優質資源、突破核心技術、打造本土產業鏈,以期實現新一代半導體產業的自主可控。

 

二、全球半導體材料及輔助材料的研發與產業發展現狀

 

(一)國外研發與產業發展現狀

在半導體 Si 晶圓領域,全球約有 94% 的市場份額由少數企業占據,如信越化學工業株式會社、勝高科技株式會社、環球晶圓股份有限公司、德國世創(Siltronic)公司和韓國海力士(SK Siltron)公司。在半絕緣 GaAs 單晶及其外延材料領域,全球約有 95% 的市場份額來自住友電氣工業株式會社、弗萊貝格化合物材料公司和美國晶體技術(AXT)有限公司。

在 GaN 體單晶材料領域,住友電氣工業株式會社、日立電線株式會社、古河機械金屬株式會社和三菱化學控股集團等的代表性企業可批量提供 2~3 in(1 in=2.54 cm)GaN 體單晶材料,約占全球市場份額的 85% 以上,同時,這幾家企業還可提供小批量 4 in GaN 體單晶材料。盡管我國已成為白光 LED 芯片及半導體照明燈具的生產大國,但在 LED 外延材料生產及其芯片制備技術方面較為薄弱,70% 以上的核心專利技術由美國、日本、德國等國家掌握,如汽車前燈等高端應用所需的功率型白光 LED 芯片主要是由美國流明(Lumileds)公司提供。

目前,SiC 單晶襯底領域形成了美國、歐洲、日本三方壟斷的局面。其中,全球最大的 SiC 單晶供應商是美國科銳公司,占 85% 以上的全球市場份額。

在集成電路輔助材料方面,光刻膠的市場集中度非常高,少數企業基本壟斷了全球光刻膠市場,代表性的企業有日本合成橡膠株式會社(JSR)、東京應化工業株式會社、住友化學株式會社、信越化學工業株式會社、羅門哈斯公司等。在掩膜版方面,美國福尼克斯(Photronics)公司、日本印刷(DNP)株式會社、日本凸版印刷(Toppan)株式會社三家公司占據了全球 80% 以上的市場份額。在集成電路用拋光液方面,市場主要由美國卡博特(Cabot Microelectronics)公司、荷蘭阿克蘇諾貝爾公司、德國拜耳公司、日本富士美株式會社等企業壟斷,占據了全球 90% 以上的市場份額。

 

(二)國內研發及產業發展現狀

到目前為止,在晶圓制造方面,我國新增 8 in 硅片設計產能將超過 3.5×106 片 / 月,新增 12 in 硅片設計產能將接近 5×106 片 / 月,芯片制造能力達到全球的 30% 左右。

依托寬禁帶半導體 GaN 和 SiC 材料的發展,我國在襯底單晶生長、外延材料等方面已具有了較強的技術研發和產業化競爭力,藍寶石基 GaN 外延材料已形成具有 7000 億市場規模的半導體照明產業,Si 基 GaN 外延材料開始在快充產品中應用;4 in SiC 高純半絕緣和導電襯底及其異質(GaN)外延和同質(SiC)外延材料已實現量產,分別在微波射頻和電力電子領域得到廣泛應用。在光纖通信技術的推動下,我國在 GaAs 單晶及外延材料技術方面取得突破,為近紅外激光器以及光纖通信產業的發展提供了有力支撐。

在光刻膠方面,我國的代表性生產企業有北京科華微電子材料有限公司、蘇州瑞紅電子化學品有限公司和濰坊星泰克微電子材料有限公司,生產的產品已經批量用于集成電路制造領域。目前已經實現量產的是 G/I 線光刻膠,正逐步通過芯片企業認證并開始小批量生產 KrF 光刻膠,2020 年 ArF 光刻膠能取得突破并完成認證。但是,國內尚未具備極紫外光刻(EUV)和電子束光刻膠的研發與生產能力,亟需突破。

在超凈高純試劑方面,上海新陽半導體材料股份有限公司生產的超純電鍍硫酸銅電鍍液已進入中芯國際集成電路制造有限公司的量產工藝制程,浙江凱圣氟化學有限公司生產的高純氫氟酸已通過多條 8 in 和 12 in 生產線的認證并供貨,蘇州晶瑞化學股份有限公司開發的鈦鎢蝕刻液已實現進口替代。

經過多年努力,國產電子氣體也取得明顯突破,WF6、C2F6、AsH3、PH3 等氣體品種已大批量應用于國內 8 in 生產線,Cl2、HCl、HF、N2O 等一批產品正在 8~12 in 生產線進行應用驗證,部分品種的激光氣體也開始供應國內晶圓制造企業。

在化學機械拋光(CMP)材料方面,國內企業研發的銅 / 銅阻擋層拋光液已進入國內外多家集成電路制造企業的最新技術節點制程;三維(3D)硅通孔(TSV)拋光液在全球處于領先地位,鎢拋光液逐步開始供應全球各大晶圓制造企業;CMP 墊、修整盤也進入評價驗證階段。

我國靶材產業發展速度很快,以寧波江豐電子材料股份有限公司、有研億金新材料有限公司為代表,實現了半導體行業用全系列高純金屬材料、濺射靶材和蒸發膜材的產業化,包括 Ta、 Cu、Ti、Co、Al、Ni、Au、Ag、Pt、Ru 及其合金。其中,超高純金屬 Ta、Cu 等濺射靶材已成功通過臺灣積體電路制造股份有限公司的考核,在 14 nm / 16 nm 技術節點的生產線實現了批量應用,在 10 nm / 7 nm 技術節點進行評價試用。

總體而言,近年來我國半導體產業基礎化學品產業取得了較大進展,伴隨著國內對集成電路和半導體產業的高度關注,在晶圓制造、寬禁帶半導體材料、光刻膠、超凈高純試劑、電子氣體、CMP 材料、靶材等方面產業發展勢頭良好,但與高速發展的產業需求相比,仍存在整體生產能力較弱、研發能力不足等問題未得到根本改變,亟需進一步突破。

 

三、我國先進半導體材料及輔助材料的發展思路與目標

 

(一)發展思路

為促進半導體產業的發展,我國先進半導體材料及輔助材料今后的發展思路為:構建梯次發展的半導體材料體系,每一個材料體系做到單晶、外延、芯片工藝、封裝等上下游協同,不斷創新,推動先進半導體材料及其輔助材料的可持續發展。

第一,成體系發展。自半導體材料誕生以來,從 Si、Ge 到 GaAs、InP,再到 SiC、GaN,可以看出,半導體相關技術和產業的發展都是圍繞主要材料制備、器件工藝需要和芯片來進行的,并逐漸發展為一個完整的材料體系?;诖?,在不斷完善我國 Si 基材料體系的同時,要及時把握各種新型化合物半導體材料的技術突破和產業化應用的機會,構建自主可控的新型半導體材料體系。

第二,上下游協同發展。半導體產業鏈包含原材料、單晶生長和外延、芯片設計與制備工藝、封測與應用以及支撐各環節的核心裝備與關鍵零部件等環節,產業鏈長且各環節工藝復雜,任一環節出現問題都將導致最終的器件性能不達標。因此,要以提供滿足應用需求的器件為目標,通過上下游協同發展實現全產業鏈的整體技術突破。

第三,可持續發展。在實施追趕戰略的同時,我國先進半導體材料及輔助材料的發展還需要把握未來技術發展趨勢,在不斷積累已有技術經驗的同時,關注新的材料體系、芯片結構和工藝的發展變化,積極探索與創新,確??沙掷m發展。

 

(二)發展目標

1. 2025 年發展目標

我國半導體材料及輔助材料 2025 年的發展目標是:核心半導體材料技術達到國際先進水平,相關產品滿足產業鏈的安全供應需要,建立起全產業鏈能力,解除關鍵行業的“卡脖子”問題。

(1)集成電路用半導體材料

加強 12 in Si 單晶及其外延材料的技術研究,逐步擴大國產材料的市場應用份額。實現 8 in Si 材料國內市場的完全自主供應,確保 12 in 單晶 Si 及其外延材料產能及市場占有率,同時發展更大尺寸單晶 Si 及其外延材料的制造技術,確保我國集成電路產業的可持續發展。

(2)功率器件用半導體材料

抓住 Si 基電力電子器件產業轉移的契機,做大電力電子器件的產業規模,加緊推進 SiC、GaN 電力電子器件產業化。實現 6 in 無微管缺陷 SiC 單晶的產業化制造,并突破 8 in 無微管缺陷 SiC 單晶制造瓶頸;實現 8 in Si 基 GaN 電力電子器件產業化,突破 12 in Si 基 GaN 材料關鍵技術,Si 基 GaN 電力電子器件滿足消費類電子、數據中心服務器電源、工業電源和電動汽車對高效電源管理的更高需求。

實現 6 in 半絕緣 GaAs 單晶襯底和 6 in 半絕緣 SiC 單晶襯底的自主供貨,確保射頻 / 微波器件用 GaAs 和 GaN 材料相關產業鏈的供應安全;突破 6 in GaAs 高電子遷移率晶體管(HEMT)外延材料的量產制造,達到“開盒即用”的技術水平;突破 6 in 半絕緣 SiC 襯底上 GaN HEMT 外延材料的生長和器件技術,為未來雷達、移動通信技術的發展提供技術支持。

進一步提高 6 in InP 襯底拋光片的質量,擴大產能,并掌握毫米波器件所需外延材料的量產技術,達到“開盒即用”的技術水平,為第五代移動通信(5G)技術相關毫米波系統(如汽車防撞雷達、車間互連與通信系統)的產業鏈供應安全提供材料支持。實現 2 in 金剛石自支撐材料和 2 in Ga2O3 單晶襯底的量產,解決金剛石的 n 型摻雜和 Ga2O3 的 p 型摻雜問題。

(3)發光器件用半導體材料

應重視基于 GaN 的照明用發光器件以及基于 GaAs、InP 的光纖通信用半導體激光器,適當兼顧激光投影顯示對 GaN 可見光激光器以及消毒殺菌用 GaN 紫外發光二極管,尤其是深紫外發光器件的發展;積極推動應用于顯示領域的 Mini LED 和 Micro LED 技術產業化。

(4)光電探測材料

重點發展對特種光波長產生響應的光電探測器件、具有超快響應特性的光電探測器件以及超高靈敏的光電探測器件(單光子探測為超高靈敏光電探測的極限要求)。實現 GaN 紫外探測材料的完全自主保障,實現大尺寸 CdZnTe 單晶材料、HgCdTe 外延材料、GaAs / AlGaAs 量子阱材料、GaAs / InSb Ⅱ類超晶格材料的產業化,實現短波、中波紅外探測器件及焦平面成像芯片的技術突破,突破長波紅外探測材料、器件和成像芯片的發展,滿足 100 萬像素長波紅外焦平面成像芯片以及 16 μm 甚長波紅外探測器件的研制需要。保障超快響應光電探測器件及材料的供應鏈安全,滿足我國高速光網的建設需要。

(5)半導體產業制造 / 封裝工藝和材料

國產光刻膠、超高純化學試劑及電子氣體主要品種的市場應用占有率達到 30% 左右,實現特種品種的產業化認證,實現進口產品的部分替代,形成全品種、全系列產業能力。其中,KrF 光刻膠實現批量生產,ArF 光刻膠完成認證并進行小批量生產,突破高端光刻膠所需的樹脂主體材料、光敏劑、抗反射涂層(ARC)等的關鍵技術。0.25 μm 到 0.18 μm 掩膜版實現完全自主可控,高檔高純石英掩膜基板突破關鍵技術。

在拋光材料方面,進一步推進主要品種材料進入生產線。其中,Cu 及其阻擋層拋光液、TSV 拋光液和 Si 的粗拋液等全面進入 8 in 和 12 in 芯片生產線,市場份額從目前的 5% 提升至 50%;針對硅片的精拋和化合物半導體拋光,14 nm 及以下鰭式場效應晶體管(FinFET)工藝拋光,Co、Rb 等金屬互聯材料和淺槽隔離(STI)工藝拋光等所需的拋光液,實現關鍵技術突破并小批量生產;CMP 墊(聚亞氨脂)產品在 8 in 和 12 in CMP 工藝中通過應用評估,實現產品供貨。另一方面,針對金剛石、Ga2O3、AlN 為代表的新興半導體材料加工需要,開發特種品種的拋光材料,并獲得試用認證,形成初步產業能力。

需大力發展大板級扇出(Fan Out)、TSV / 玻璃通孔(TGV)等新型封裝工藝。開發出適用于 SiC、GaN、Ga2O3、金剛石等材料,滿足高溫、高壓、高頻和大功率需求的封裝材料和工藝。

全面發展新型、更高熔點溫度的軟釬料技術;開發高效、低成本瞬時液相擴散連接技術、低溫燒結低溫連接工藝技術,解決好銀電化學遷移問題;突破具有良好導熱和高溫可靠性的封裝基板材料技術,包括 AlN 和 Si3N4 及其他具備良好導熱和高溫可靠性的封裝基板材料,突破活性金屬釬焊在陶瓷材料上覆蓋金屬的陶瓷覆銅板(DBC)技術,解決陶瓷與金屬的連接問題。突破新型制冷底板及與熱沉連接技術,大幅度降低功率模塊熱阻,提升性能。

2. 2035 年發展目標

我國半導體材料及輔助材料 2035 年的發展目標是:半導體材料整體技術水平達到國際先進,產業水平完全滿足產業鏈供應安全的需要。

(1)集成電路用半導體材料

具備 18 in 單晶 Si 材料量產能力,完成 5 nm / 3 nm 節點集成電路材料的量產技術儲備,突破關鍵裝備技術,掌握材料批量生產技術,打通器件制造的全流程關鍵節點技術。

(2)功率和高頻器件用半導體材料

實現 SiC、GaN、AlN、Ga2O3、金剛石等單晶材料的產業化制造。具體包括:6 in GaN 單晶襯底、 8 in SiC 單晶襯底、6 in AlN 單晶襯底、4 in 金剛石單晶襯底、6 in / 8 in Ga2O3 單晶襯底,確保整個功率和高頻半導體產業多層次發展的技術需求;實現 8 in高質量SiC襯底上GaN HEMT外延材料的量產。解決金剛石的 n 型摻雜和 Ga2O3 的 p 型摻雜及其制備工藝難題,為下一代更高性能功率和高頻半導體器件的產業化及大范圍推廣應用做好技術儲備。

(3)發光器件用半導體材料

實現 AlN 單晶襯底上高 Al 組分 AlGaN 外延材料的產業化制造,突破深紫外發光國產器件制造技術,并實現產業化。

(4)光電探測材料

滿足 1000 萬像素長波紅外焦平面成像芯片的研制需要,突破 18~20 μm 甚長波紅外探測器件技術。

(5)半導體產業制造 / 封裝工藝和材料

對于常規品種的光刻膠、超高純化學試劑及電子氣體,國產材料的市場占有率達到 50% 以上;對于特種品種的光刻膠、超高純化學試劑及電子氣體,國產材料的市場占有率達到 30% 左右,形成全品種、全系列產品的供應產業鏈。在拋光材料方面,國產常規品種產品的市場占有率超過 50%;為滿足金剛石、Ga2O3、AlN 等新興半導體材料加工需要所開發的特種拋光材料,國產化產品的市場占有率達到 30%。

 

四、推動先進半導體材料及輔助材料重大工程建設

 

(一)集成電路關鍵材料及裝備自主可控工程

1. 需求與必要性

集成電路關鍵材料及裝備是影響集成電路產業發展的決定性因素。我國集成電路關鍵材料自主可控能力差,對先進集成電路發展需求極為迫切。在國家集成電路產業投資基金和現實需求的推動下,以市場為導向,“政產學研用金服”結合,著力實施集成電路關鍵材料及裝備自主可控工程迫在眉睫。為此,需著重加強兩方面建設:一是人才隊伍建設,包括設置集成電路人才專項基金,加大核心技術人才的吸引力度;加強具有示范性微電子學院的高校支持,進行集成電路人才的可持續培養。二是穩定的資金供給。硅片制造屬于重資產產業,產品驗證周期長,周期性特點明顯,約每 5 年一個周期,因此要對發展重點進行謹慎判斷。

2. 工程目標

通過本工程的實施,加強集成電路關鍵材料的產業化能力和可持續研發能力,擴大集成電路材料人才培養規模、豐富人才層次體系,主要的集成電路材料技術水平達到國際先進,產業水平基本滿足產業鏈供應安全的需要,建立起全產業鏈供貨能力,解除關鍵行業的“卡脖子”隱憂。

(1)提升 12 in Si 單晶及其外延材料的技術水平,以滿足并進入主流代工廠 14 nm 及以下工藝節點為目標,在確保集成電路產業鏈安全的前提下,逐步擴大國產材料的市場份額。

(2)開展 18 in Si 單晶及其外延材料研究,重點突破 18 in 單晶 Si 及其外延材料的制造技術,確保我國集成電路產業的可持續發展。

(3)通過 TSV、TGV 等新型 3D 集成技術研究,完成后硅時代集成電路的技術路線篩選,在掌握其材料制備技術的同時,打通后硅時代集成電路的全產業鏈技術,確保 2035 年后,我國在后硅時代集成電路領域的產業技術水平和關鍵行業的供應鏈安全。

(4)實現 12 in 及以下大尺寸 Si 單晶生長設備及大尺寸晶圓的加工設備自主可控;開發 18 in 單晶 Si 生長設備,為 18 in 單晶 Si 研制和產業化提供裝備支持。

3. 工程任務

(1)在大硅片方面,結合大數據和云計算等技術發展需求背景,在國家集成電路專項科技計劃資助的基礎上,一方面,提升常規 12 in 高品質(滿足 14 nm 工藝)硅片的制造能力,在 2025 年確保國內實現量產供應,同時打開國際市場,滿足現階段經濟和社會發展需求;另一方面,進一步加強新技術的研發,建設 12 in SOI(絕緣襯底上的 Si)、射頻微波用大尺寸高阻硅(HR-Si)襯底的生產能力;同時對 18 in Si 襯底進行技術儲備,實現集成電路技術的可持續發展。

(2)在集成電路輔助材料方面,針對品種多、用量小、生產工藝穩定性差等問題,建立若干集成電路輔助材料工程中心,兼顧市場規律和產業供應鏈安全兩方面因素,不斷強化自主保障意識,優先實現量大面廣的關鍵品種的全產業鏈自主保障,如 G 線、I 線、ArF 光刻膠及配套試劑、Cu 及其阻擋層拋光液、TSV 拋光液、Si 粗拋液、60 nm 及 90 nm 以上制程產品的掩膜版等,確保產業供應鏈的相對安全。對標集成電路先進制程,開發 ArF、 EUV 和電子束光刻膠,高檔高純石英掩膜基板、掩膜保護膜,以及 Si 片精拋和化合物半導體拋光液, 14 nm 以下 FinFET 工藝和 Co、Rb 等金屬互聯材料、 STI 等拋光液,為半導體產業的發展提供技術及產業支持。

(3)在半導體關鍵設備方面,對國產品牌還需進行產業鏈及政策的重點培育。在國家科技重大專項“極大規模集成電路制造技術及成套工藝”項目(02 專項)成果的基礎上,加強對裝備與材料、工藝一體化的研制,通過國產化裝備驗證平臺,開展對裝備可靠性和工藝穩定性的驗證與考核,加速開展高端裝備研制??傊?,在解決有無問題的基礎上,解決做大做強的問題。

(4)在人才培養方面,半導體專業人才特別是高端人才短缺,一直是制約我國半導體產業可持續發展的關鍵因素。設置半導體人才專項基金,加大核心人才引進力度;加快建設微電子產教融合協同育人平臺,保障我國半導體產業的可持續發展。

 

(二)SiC 和 GaN 半導體材料、輔助材料、工藝及裝備驗證平臺

1. 需求與必要性

經過近 10 年的發展,我國基本建立了以 SiC 和 GaN 為代表的第三代半導體材料、工藝和裝備產業體系。該類材料緊密圍繞光電子、新能源、 5G 等熱點應用,在未來 5 年內將迎來產業化發展的重要機遇。然而,同第一代半導體產業類似,我國第三代半導體產業的發展依然面臨諸多問題,如產業鏈各環節所用的關鍵裝備、儀器、耗材等多為進口,尚未實現技術、裝備的自主可控,增加了產業供應鏈的不安全性;國產化裝備、儀器、耗材難以與產業應用對接,不利于產業生態和各環節的健康發展;進口材料和裝備一次性投入和后續維護價格昂貴等。為此,需要建立化合物半導體材料、輔助材料、工藝和裝備國產化驗證平臺。

2. 工程目標

建立 SiC 和 GaN 半導體材料生長、加工、芯片工藝和封裝檢測公共驗證平臺,實現 6 in / 8 in SiC 單晶襯底和外延材料生長的批量生產,國產化率達到 70%;6 in SiC 上 GaN 外延材料與高功率射頻器件和 8 in Si 上 GaN 外延材料與功率器件實現量產,國產化率達到 70%;部分 6 in / 8 in 材料生長及加工裝備、配套原材料和零部件實現國產化批量替代,裝備國產化率達到 70%。

3. 工程任務

化合物半導體材料、輔助材料、工藝和裝備國產化驗證平臺的工程任務主要包括:晶體材料生長設備及其輔助原材料、零部件驗證,晶體材料切、磨、拋加工材料與設備驗證,芯片工藝裝備、工藝流程、原輔料與關鍵零部件驗證,封裝與檢測裝備、流程、原輔料與關鍵零部件驗證。

(1)晶體材料生長設備及其輔助原材料、零部件驗證

多數化合物半導體材料仍處于技術開發與突破、產業化驗證的階段,相關企業和研發機構對于單晶生長技術與設備、各類原材料、零部件等的驗證有很大需求。特別是隨著技術的發展,新材料、新技術、新結構不斷涌現,該驗證平臺將會促進協同研究,加速技術升級和完善,降低研發和驗證成本。通過建立針對不同材料采用不同原理(如 SiC 單晶籽晶升華法、液相外延法,GaN 的氫化物氣相外延法、金屬有機物化學氣相外延法、氨熱法等)的單晶生長爐,開展對長晶新技術、新裝備、輔助原材料和關鍵零部件的研究與驗證。

(2)晶體的切、磨、拋加工材料與設備驗證

化合物半導體普遍具有硬度高、化學性能穩定的特點,加工難度大,而后續的外延和芯片工藝又對晶體加工提出了更高要求。因此,建立晶體的切、磨、拋加工材料與設備驗證平臺,具備不同材料和不同原理加工能力,并能對加工材料、加工方法和裝備進行驗證。

(3)芯片工藝裝備、工藝流程、原輔料與關鍵零部件驗證

新建 6 in / 8 in SiC、6 in / 8 inGaN 工藝平臺,或者運用政府采購的服務方式將已有工藝平臺變為公共工藝平臺,為研發機構和企業提供相應服務。這些平臺需具備的功能和能力為:提供小批量芯片工藝代工,定制化工藝流程開發,國產化原輔料、零部件和工藝裝備等新技術、新產品測試和驗證,并根據需要進行長期運行考核。

(4)封裝與檢測裝備、流程、原輔料與關鍵零部件驗證

面向電力電子、微波射頻等不同應用需求,建立具備高壓、大功率、高頻、高溫封裝等特性的能力,構建器件與模塊燒結、焊接、壓接、3D 封裝等多種封裝技術平臺。研發具備國際領先水平的燒結、焊接、壓接、3D 封裝設備、輔助設備和測試設備,并能夠開展模具設計、材料(如絕緣材料、互聯材料、底板材料等)選擇、技術開發、設備保障、測試分析以及可靠性驗證。進行平臺系統軟件的開發以及數據庫建設,聯合上下游企業開展共性技術研發,共享專利和服務成果,形成開放、共享的運行機制。平臺需提供小批量的封裝和測試代工,定制化的封裝技術開發,國產化原輔料、零部件和封裝裝備等新技術、新產品的測試和驗證,并根據需要安排長期運行考核。

 

(三)先進半導體材料在 5G、能源互聯網及新能源汽車領域的應用示范工程

1. 需求與必要性

化合物半導體材料和器件在 5G、能源互聯網、新能源汽車、光伏逆變器等領域的應用,符合智能化發展、節能減排、產業自主可控等國家重大戰略需求,能夠為相關產業搶占未來發展的戰略性和引領性技術制高點提供關鍵技術和產業支撐 [10,11]。未來 5 年,GaN 射頻器件將在 5G 基站、微基站和移動終端中迎來巨大市場,GaN 功率器件將在消費類電子、數據中心服務器電源和光伏逆變器領域得到廣泛應用;SiC 功率器件將在能源互聯網中的電力路由器、新能源汽車中得到廣泛應用。未來 5 年,上述 3 個發展方向的國內市場規模將超過千億元。

現階段,化合物半導體相關技術已經具備產業化基礎,在 5G、新能源并網、新能源汽車等領域的應用市場已經啟動。國際上,為提高未來的競爭力,美國科銳公司、德國英飛凌科技公司、日本羅姆半導體集團等產業龍頭企業已經開始了產業與市場布局。相對而言,國內的機構和企業布局分散、技術和產業化能力較弱,面對即將到來的產業競爭,國內企業還需要政府通過應用示范工程,達到技術和產業協同發展、產業化技術快速成熟、產業能力快速壯大的目的。

2. 工程目標

以應用示范工程為牽引,帶動 GaN 和 SiC 材料、芯片工藝和器件封裝與系統集成技術加速發展,實現產業化。GaN 射頻器件在 5G 基站和微基站的國產化率達到 50%,在移動終端領域的國產化率達到 70%;GaN 功率器件在消費類電子領域的國產化率達到 80%,SiC 功率器件在電力路由器、新能源汽車應用領域的國產化率達到 50%。

3. 工程任務

開展 SiC 基 GaN 外延材料與 GaN 射頻器件、Si 基 GaN 外延材料與 GaN 功率器件、SiC 功率器件及其模塊封裝與系統集成等方面的技術研發和產業化。

(1)在 GaN 外延材料方面,突破 6 in 高質量 SiC 基 GaN 外延材料生長技術,進一步降低異質外延 GaN HEMT 材料中的位錯和缺陷密度,顯著提升 AlGaN / GaN、AlN / GaN、InAlGaN / GaN 異質結材料質量、電學性能和可靠性。通過材料體系、生長技術和電路設計技術的創新,GaN 微波大功率器件工作電壓提高到 100 V 以上,開發 10 kW 以上 GaN 微波功率器件,在 175℃結溫下的平均失效時間(MTTF)達到千萬小時,GaN 微波功率器件和單片電路性能達到國際先進水平。

(2)在 GaN 功率器件方面,首先實現 8 in Si 基 GaN 外延材料和功率器件技術產業化。GaN 功率器件的額定電壓達到 650 V,導通電阻低于 10 mΩ,封裝后功率模塊的電流達到 100 A,滿足各類電源適配器、光伏逆變器、車載充電器等應用需求。

(3)開發 SiC 高壓器件所需的大尺寸、高均勻性、低缺陷密度襯底和超厚 SiC 外延材料。開發萬伏級 SiC 二極管、金屬–氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及門極可關斷晶閘管(GTO)等高壓 SiC 電力電子芯片;開發千安級 SiC 高溫、高壓、大功率封裝模塊;建立高壓、大功率 SiC 功率器件與模塊的測試、可靠性評價體系。

(4)采用高壓、大功率全 SiC 模塊,開發新型電力路由器,并具備工程示范應用能力;開發車規級的 1200 V 和 1700 V 全 SiC 功率模塊,開發車載充電和電機驅動控制系統,并通過車規級認證。

 

五、對策建議

 

(一)抓住戰略發展機遇期,堅持政策推動、企業和機構主導,整合國內優勢資源,推動產業有序發展

1. 發揮龍頭企業引領作用,形成“鏈式集聚”

目前,國內具備發展半導體產業的企業和地區并不多,為有效利用財政、人才和社會資源,亟需做好頂層設計和優化布局,遴選出具備行業技術和資源優勢的企業和機構,進行資金重點支持和政策扶植。推動龍頭企業和機構通過技術、管理和商業模式創新,推進產業“鏈式集聚”。發揮龍頭骨干企業在自主創新和產業發展中的創新引領與示范帶動作用,形成研發和品牌優勢,最終鞏固和形成多個區域布局合理、產業優勢明顯的國家半導體技術、人才和產業高地。

2. 器件切入,以點帶面,有序推進

具有技術和工藝領先、滿足市場需求的核心器件,一直是半導體產業發展的“硬道理”。政府相關部門應圍繞未來技術和產業發展的重要方向,如 5G、人工智能(AI)、工業互聯網、新能源等,開展相關芯片設計、芯片工藝、先進封裝等技術攻關和產業化突破。建設國家級的面向高校、科研院所和初創企業的軟件與硬件、單晶生長與外延、芯片工藝、封裝等中試平臺,建設具備先進工藝和運營水平的代工廠,推動建設具有自主可控能力的垂直整合制造企業。

3. 建立分段平臺,加快整線集成

建立分段工藝設備技術研發平臺和工藝驗證平臺。遵循工藝指導材料、設備研發原則,借鑒國外先進技術,同時進行“產學研”結合的協同創新,開發滿足產業要求的半導體關鍵設備。通過分段工藝設備技術研發平臺和工藝驗證平臺,實現關鍵設備牽引,分段工藝局部成套,拓展解決整線成套設備國產化,實現整線集成,掌握一系列相關核心技術,培養一支骨干技術人才隊伍和一支高水平科研與產業化管理隊伍,全面提升研發與制造能力,推動我國半導體產業的自主可控發展。

4. 推動示范應用,提升國產化水平

推動國產裝備、材料與器件的示范應用。國產材料、器件、裝備試驗驗證所需的費用大、時間周期長,批量化生產存在客戶驗證、技術迭代、市場準入等門檻,如果沒有相關政策推動,用戶使用國產材料、裝備和器件的意愿度較低。因此,政府相關部門應以扶植國產化為出發點,通過政策法規、資金獎勵等一系列配套政策,配合和組織政府采購方式的示范應用,鼓勵終端企業積極采用國產材料、器件和裝備,使上游企業積累工藝參數和應用數據,加速提升國產材料、器件和裝備性能,最終實現國產化。

 

(二)把握“超越摩爾”的歷史機遇,布局下一代集成電路技術

半導體技術從誕生開始,一直遵循著摩爾定律的路線快速發展,并通過各種技術創新來延續摩爾定律。但是,傳統的摩爾定律發展到今天,既有路徑已經開始顯現出盡頭。因此,需突破“摩爾定律”所劃定的邊界,在更廣闊的領域探索創新,開啟探尋“超越摩爾”之路 。“超越摩爾”在異質集成、新型計算范式、超越互補金屬氧化物半導體信息處理器件等技術及應用中,已展現出巨大潛力。以此為出發點,我國在半導體和集成電路技術領域需抓住這一歷史機遇。

推動建設國家“超越摩爾”聯合實驗室,開展下一代集成電路基礎理論、技術路線、核心技術研究,為產業化發展提供強有力的理論支撐。加快新材料、新工藝、新裝備人才的培養,建立“產學研”協同創新機制。結合產業發展需求,開展應用驅動的產業化技術研究,瞄準 5G、AI、大數據、工業互聯網、能源互聯網、智能網聯新能源汽車等現實需求,進行產業化示范。

 

(三)構建產業技術創新鏈,加快創新生態建設

1. 繼續加強創新能力建設

加大研發投入力度,重視微電子及半導體材料基礎研究。重點支持一批優勢機構和企業,使其成為具有一定規模、特色鮮明、掌握核心技術的科研和行業龍頭。鼓勵創新性企業在半導體精密加工,新型半導體材料及工藝制備,新工藝制程及先進封裝等方面大膽創新,不斷拓展和延伸產業鏈,提高產品附加值,推動半導體產業向更高層次發展。不斷完善和創新科技管理體制機制,優化配置創新資源,提高創新效率。

2. 加快構建公共研發和科技服務平臺,建設科技創新產業基地

以應用需求為牽引,梳理出具有產業化前景、體系化的關鍵技術,支持工程化試驗與驗證平臺建設。由產業聯盟、研究機構、優勢企業和投資機構等聯合組成新型研發機構,建立體制和機制創新的開放型國際化公共研發與服務平臺,形成核心技術突破、系統集成、測試驗證、可靠性評價等工程試驗驗證能力。建立具備成果轉移、轉化、孵化與服務職能的專業化眾創空間,加速實現科技成果的產業化和以產業鏈為線索的“鏈式集聚”。采取政府購買服務、資助、獎勵等方式,積極扶持創新企業成長和發展。綜合考慮資金、人才、市場和生態環境等因素,按照產業差異化、效益最大化、特色顯著的原則落地創新產業基地。

3. 實施“技術原創、知識產權和標準”戰略

構建以技術原創、知識產權和標準三要素為特征的高技術成果產業模式,提高產業競爭優勢。立足自主創新,構建標準體系,形成標準檢測和認證能力,實施技術創新、知識產權和標準戰略。

4. 促進分層次、多類型、跨界創新人才隊伍的聚集與合作

將人才隊伍建設與研發任務、基地建設相結合,結合已有的人才計劃,形成一批引領半導體材料領域發展的領軍人才。以重點專項和重大工程為依托,實行“人才 + 項目 + 基地”一體化培養,建立全鏈條人才團隊培育機制。加強前瞻性技術人才團隊培養,圍繞半導體材料研究前沿方向,組建技術人才團隊。積極引進產業發展所需的高層次人才和緊缺人才,同時加快建設和發展職業培訓教育,大力培養專業技術人才,提高產業技術隊伍整體素質,完善面向半導體材料產業的人才服務體系。

5. 拓展國際合作空間

采取“走出去和請進來”相結合的方式,創新國際合作模式。鼓勵國內有實力的企業和科研機構在國外設立半導體研發機構,并開展與國外半導體企業、科研院校的研發合作。支持國內企業和機構并購境外半導體企業,積極參與國際技術和產業聯盟,拓展國際合作渠道,提升國際資源整合能力,實現國際化經營。在國內有條件的地區,建立國際技術合作、技術轉移、成果孵化、成果產業化、科技服務等有特色的國際合作區域,吸引有實力的跨國公司和機構以獨資或合資方式在國內建立高水平的研發中心、生產中心和運營中心,以此帶動國內行業和企業對接國際資源。

(來源:中國工程科學)

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