我國(guó)先進(jìn)半導(dǎo)體材料及輔助材料的發(fā)展思路與目標(biāo)-華普通用
我國(guó)先進(jìn)半導(dǎo)體材料及輔助材料的發(fā)展思路與目標(biāo)
1. 發(fā)展思路
為促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)先進(jìn)半導(dǎo)體材料及輔助材料今后的發(fā)展思路為：構(gòu)建梯次發(fā)展的半導(dǎo)體材料體系，每一個(gè)材料體系做到單晶、外延、芯片工藝、封裝等上下游協(xié)同，不斷創(chuàng)新，推動(dòng)先進(jìn)半導(dǎo)體材料及其輔助材料的可持續(xù)發(fā)展。
第一，成體系發(fā)展。自半導(dǎo)體材料誕生以來(lái)，從 Si、Ge 到 GaAs、InP，再到 SiC、GaN，可以看出，半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都是圍繞主要材料制備、器件工藝需要和芯片來(lái)進(jìn)行的，并逐漸發(fā)展為一個(gè)完整的材料體系?；诖?，在不斷完善我國(guó) Si 基材料體系的同時(shí)，要及時(shí)把握各種新型化合物半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的機(jī)會(huì)，構(gòu)建自主可控的新型半導(dǎo)體材料體系。
第二，上下游協(xié)同發(fā)展。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈包含原材料、單晶生長(zhǎng)和外延、芯片設(shè)計(jì)與制備工藝、封測(cè)與應(yīng)用以及支撐各環(huán)節(jié)的核心裝備與關(guān)鍵零部件等環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)且各環(huán)節(jié)工藝復(fù)雜，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都將導(dǎo)致最終的器件性能不達(dá)標(biāo)。因此，要以提供滿足應(yīng)用需求的器件為目標(biāo)，通過(guò)上下游協(xié)同發(fā)展實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的整體技術(shù)突破。
第三，可持續(xù)發(fā)展。在實(shí)施追趕戰(zhàn)略的同時(shí)，我國(guó)先進(jìn)半導(dǎo)體材料及輔助材料的發(fā)展還需要把握未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，在不斷積累已有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，關(guān)注新的材料體系、芯片結(jié)構(gòu)和工藝的發(fā)展變化，積極探索與創(chuàng)新，確?？沙掷m(xù)發(fā)展。
2. 發(fā)展目標(biāo)
2025 年發(fā)展目標(biāo)
我國(guó)半導(dǎo)體材料及輔助材料 2025 年的發(fā)展目標(biāo)是：核心半導(dǎo)體材料技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，相關(guān)產(chǎn)品滿足產(chǎn)業(yè)鏈的安全供應(yīng)需要，建立起全產(chǎn)業(yè)鏈能力，解除關(guān)鍵行業(yè)的“卡脖子”問(wèn)題。
(1)集成電路用半導(dǎo)體材料
加強(qiáng) 12 in Si 單晶及其外延材料的技術(shù)研究，逐步擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)材料的市場(chǎng)應(yīng)用份額。實(shí)現(xiàn) 8 in Si 材料國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的完全自主供應(yīng)，確保 12 in 單晶 Si 及其外延材料產(chǎn)能及市場(chǎng)占有率，同時(shí)發(fā)展更大尺寸單晶 Si 及其外延材料的制造技術(shù)，確保我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
(2)功率器件用半導(dǎo)體材料
抓住 Si 基電力電子器件產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的契機(jī)，做大電力電子器件的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，加緊推進(jìn) SiC、GaN 電力電子器件產(chǎn)業(yè)化。實(shí)現(xiàn) 6 in 無(wú)微管缺陷 SiC 單晶的產(chǎn)業(yè)化制造，并突破 8 in 無(wú)微管缺陷 SiC 單晶制造瓶頸;實(shí)現(xiàn) 8 in Si 基 GaN 電力電子器件產(chǎn)業(yè)化，突破 12 in Si 基 GaN 材料關(guān)鍵技術(shù)，Si 基 GaN 電力電子器件滿足消費(fèi)類電子、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源、工業(yè)電源和電動(dòng)汽車對(duì)高效電源管理的更高需求。
實(shí)現(xiàn) 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(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)安全;突破 6 in GaAs 高電子遷移率晶體管(HEMT)外延材料的量產(chǎn)制造，達(dá)到“開(kāi)盒即用”的技術(shù)水平;突破 6 in 半絕緣 SiC 襯底上 GaN HEMT 外延材料的生長(zhǎng)和器件技術(shù)，為未來(lái)雷達(dá)、移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支持。
進(jìn)一步提高 6 in InP 襯底拋光片的質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)能，并掌握毫米波器件所需外延材料的量產(chǎn)技術(shù)，達(dá)到“開(kāi)盒即用”的技術(shù)水平，為第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)相關(guān)毫米波系統(tǒng)(如汽車防撞雷達(dá)、車間互連與通信系統(tǒng))的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)安全提供材料支持。實(shí)現(xiàn) 2 in 金剛石自支撐材料和 2 in Ga2O3 單晶襯底的量產(chǎn)，解決金剛石的 n 型摻雜和 Ga2O3 的 p 型摻雜問(wèn)題。
(3)發(fā)光器件用半導(dǎo)體材料
應(yīng)重視基于 GaN 的照明用發(fā)光器件以及基于 GaAs、InP 的光纖通信用半導(dǎo)體激光器，適當(dāng)兼顧激光投影顯示對(duì) GaN 可見(jiàn)光激光器以及消毒殺菌用 GaN 紫外發(fā)光二極管，尤其是深紫外發(fā)光器件的發(fā)展;積極推動(dòng)應(yīng)用于顯示領(lǐng)域的 Mini LED 和 Micro LED 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
(4)光電探測(cè)材料
重點(diǎn)發(fā)展對(duì)特種光波長(zhǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的光電探測(cè)器件、具有超快響應(yīng)特性的光電探測(cè)器件以及超高靈敏的光電探測(cè)器件(單光子探測(cè)為超高靈敏光電探測(cè)的極限要求)。實(shí)現(xiàn) GaN 紫外探測(cè)材料的完全自主保障，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)短波、中波紅外探測(cè)器件及焦平面成像芯片的技術(shù)突破，突破長(zhǎng)波紅外探測(cè)材料、器件和成像芯片的發(fā)展，滿足 100 萬(wàn)像素長(zhǎng)波紅外焦平面成像芯片以及 16 μm 甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器件的研制需要。保障超快響應(yīng)光電探測(cè)器件及材料的供應(yīng)鏈安全，滿足我國(guó)高速光網(wǎng)的建設(shè)需要。
(5)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制造/封裝工藝和材料
國(guó)產(chǎn)光刻膠、超高純化學(xué)試劑及電子氣體主要品種的市場(chǎng)應(yīng)用占有率達(dá)到 30% 左右，實(shí)現(xiàn)特種品種的產(chǎn)業(yè)化認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口產(chǎn)品的部分替代，形成全品種、全系列產(chǎn)業(yè)能力。其中，KrF 光刻膠實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，ArF 光刻膠完成認(rèn)證并進(jìn)行小批量生產(chǎn)，突破高端光刻膠所需的樹(shù)脂主體材料、光敏劑、抗反射涂層(ARC)等的關(guān)鍵技術(shù)。0.25 μm 到 0.18 μm 掩膜版實(shí)現(xiàn)完全自主可控，高檔高純石英掩膜基板突破關(guān)鍵技術(shù)。
在拋光材料方面，進(jìn)一步推進(jìn)主要品種材料進(jìn)入生產(chǎn)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(jìn)入 8 in 和 12 in 芯片生產(chǎn)線，市場(chǎng)份額從目前的 5% 提升至 50%;針對(duì)硅片的精拋和化合物半導(dǎo)體拋光，14 nm 及以下鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)工藝拋光，Co、Rb 等金屬互聯(lián)材料和淺槽隔離(STI)工藝拋光等所需的拋光液，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破并小批量生產(chǎn)。
CMP 墊(聚亞氨脂)產(chǎn)品在 8 in 和 12 in CMP 工藝中通過(guò)應(yīng)用評(píng)估，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品供貨。另一方面，針對(duì)金剛石、Ga2O3、AlN 為代表的新興半導(dǎo)體材料加工需要，開(kāi)發(fā)特種品種的拋光材料，并獲得試用認(rèn)證，形成初步產(chǎn)業(yè)能力。
需大力發(fā)展大板級(jí)扇出(Fan Out)、TSV / 玻璃通孔(TGV)等新型封裝工藝。開(kāi)發(fā)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(fā)展新型、更高熔點(diǎn)溫度的軟釬料技術(shù);開(kāi)發(fā)高效、低成本瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接技術(shù)、低溫?zé)Y(jié)低溫連接工藝技術(shù)，解決好銀電化學(xué)遷移問(wèn)題;突破具有良好導(dǎo)熱和高溫可靠性的封裝基板材料技術(shù)，包括 AlN 和 Si3N4 及其他具備良好導(dǎo)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(shù)，解決陶瓷與金屬的連接問(wèn)題。突破新型制冷底板及與熱沉連接技術(shù)，大幅度降低功率模塊熱阻，提升性能。
2035 年發(fā)展目標(biāo)
我國(guó)半導(dǎo)體材料及輔助材料 2035 年的發(fā)展目標(biāo)是：半導(dǎo)體材料整體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，產(chǎn)業(yè)水平完全滿足產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)安全的需要。
(1)集成電路用半導(dǎo)體材料
具備 18 in 單晶 Si 材料量產(chǎn)能力，完成 5 nm / 3 nm 節(jié)點(diǎn)集成電路材料的量產(chǎn)技術(shù)儲(chǔ)備，突破關(guān)鍵裝備技術(shù)，掌握材料批量生產(chǎn)技術(shù)，打通器件制造的全流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)。
(2)功率和高頻器件用半導(dǎo)體材料
實(shí)現(xiàn) SiC、GaN、AlN、Ga2O3、金剛石等單晶材料的產(chǎn)業(yè)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(gè)功率和高頻半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)多層次發(fā)展的技術(shù)需求;實(shí)現(xiàn) 8 in高質(zhì)量SiC襯底上GaN HEMT外延材料的量產(chǎn)。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(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)化及大范圍推廣應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。
(3)發(fā)光器件用半導(dǎo)體材料
實(shí)現(xiàn) AlN 單晶襯底上高 Al 組分 AlGaN 外延材料的產(chǎn)業(yè)化制造，突破深紫外發(fā)光國(guó)產(chǎn)器件制造技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
(4)光電探測(cè)材料
滿足 1000 萬(wàn)像素長(zhǎng)波紅外焦平面成像芯片的研制需要，突破 18~20 μm 甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器件技術(shù)。
(5)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制造/封裝工藝和材料
對(duì)于常規(guī)品種的光刻膠、超高純化學(xué)試劑及電子氣體，國(guó)產(chǎn)材料的市場(chǎng)占有率達(dá)到 50% 以上;對(duì)于特種品種的光刻膠、超高純化學(xué)試劑及電子氣體，國(guó)產(chǎn)材料的市場(chǎng)占有率達(dá)到 30% 左右，形成全品種、全系列產(chǎn)品的供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈。
在拋光材料方面，國(guó)產(chǎn)常規(guī)品種產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率超過(guò) 50%;為滿足金剛石、Ga2O3、AlN 等新興半導(dǎo)體材料加工需要所開(kāi)發(fā)的特種拋光材料，國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率達(dá)到 30%。