来源：中国先进半导体材料及辅助材料发展战略研究[J].中国工程科学,2020,22(5):10-19.

　　先进半导体材料是全球半导体产业发展新的战略高地。当前，美国及其伙伴国将一些关键材料、生产装备列入管制清单，危及我国半导体产业和相关工业体系的安全。实现我国先进半导体材料、辅助材料、关键技术、重要装备等的自主可控刻不容缓。

　　本文在分析全球半导体材料及辅助材料研发与产业发展现状的基础上，客观分析我国半导体材料及辅助材料发展面临的挑战，提出了构建半导体材料及辅助材料体系化发展、上下游协同发展和可持续发展的发展思路，制定了面向2025年和2035年的发展目标，同时，要推动先进半导体材料及辅助材料重大工程建设。最后，从坚持政策推动，企业和机构主导，整合国内优势资源；把握“超越摩尔”的历史机遇，布局下一代集成电路技术；构建创新链，进行创新生态建设等方面提出了对策建议。

　　经过60多年的发展，全球半导体材料出现了三次突破性的发展进程。第一代半导体材料Si和Ge奠定了计算机、网络和自动化技术发展的基础，第二代半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）奠定了信息技术的发展基础，目前正在快速发展的第三代半导体材料碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）等，主要面向新一代电力电子、微波射频和光电子应用，在新一代移动通信、新能源并网、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子、新一代显示等领域有广阔的应用前景，成为全球半导体产业发展新的战略高地。

　　我国的半导体材料和器件，长期依赖进口，其中高性能芯片完全依赖进口，受制于人的问题突出。除芯片设计与制造能力薄弱外，半导体单晶硅和大量辅助材料的国产化水平不足，进口依赖程度较高，如在电子气体、光刻胶和抛光材料等3种典型辅助材料领域，国内企业生产的产品市场占有率分别仅占30%、10%、10%，亟需提升我国半导体关键原辅材料的自主保障能力。中美贸易摩擦的升级和2020年新型冠状病毒肺炎疫情的出现，将对全球先进半导体材料和辅助材料供应链安全与产业链分工产生持续影响。目前，美国及其伙伴国将一些关键材料、生产装备列入管制清单，危及我国半导体产业和相关工业体系的安全。因此，实现先进半导体材料、辅助材料、关键技术、重要装备等的自主可控刻不容缓。

　　当然，随着以SiC、GaN为代表的第三代半导体技术和产业发展，未来高质量SiC单晶衬底及其同质/异质外延材料、大尺寸Si上GaN外延材料将在光电子、电力电子和微波/射频领域发挥重要作用。在新一代半导体材料领域，我国已经具备良好的产业化基础。新的半导体材料体系的出现，是一次与发达国家同台竞争的极佳机会，及时把握这一历史机遇，通过整合优质资源、突破核心技术、打造本土产业链，以期实现新一代半导体产业的自主可控。

　　在半导体 Si 晶圆领域，全球约有 94% 的市场份额由少数企业占据，如信越化学工业株式会社、胜高科技株式会社、环球晶圆股份有限公司、德国世创（Siltronic）公司和韩国海力士（SK Siltron）公司。在半绝缘 GaAs 单晶及其外延材料领域，全球约有 95% 的市场份额来自住友电气工业株式会社、弗莱贝格化合物材料公司和美国晶体技术（AXT）有限公司。

　　在 GaN 体单晶材料领域，住友电气工业株式会社、日立电线株式会社、古河机械金属株式会社和三菱化学控股集团等的代表性企业可批量提供 2~3 in（1 in=2.54 cm）GaN 体单晶材料，约占全球市场份额的 85% 以上，同时，这几家企业还可提供小批量 4 in GaN 体单晶材料。尽管我国已成为白光 LED 芯片及半导体照明灯具的生产大国，但在 LED 外延材料生产及其芯片制备技术方面较为薄弱，70% 以上的核心专利技术由美国、日本、德国等国家掌握，如汽车前灯等高端应用所需的功率型白光 LED 芯片主要是由美国流明（Lumileds）公司提供。

　　目前，SiC 单晶衬底领域形成了美国、欧洲、日本三方垄断的局面。其中，全球最大的 SiC 单晶供应商是美国科锐公司，占 85% 以上的全球市场份额。

　　在集成电路辅助材料方面，光刻胶的市场集中度非常高，少数企业基本垄断了全球光刻胶市场，代表性的企业有日本合成橡胶株式会社（JSR）、东京应化工业株式会社、住友化学株式会社、信越化学工业株式会社、罗门哈斯公司等。在掩膜版方面，美国福尼克斯（Photronics）公司、日本印刷（DNP）株式会社、日本凸版印刷（Toppan）株式会社三家公司占据了全球 80% 以上的市场份额。在集成电路用抛光液方面，市场主要由美国卡博特（Cabot Microelectronics）公司、荷兰阿克苏诺贝尔公司、德国拜耳公司、日本富士美株式会社等企业垄断，占据了全球 90% 以上的市场份额。

　　到目前为止，在晶圆制造方面，我国新增 8 in 硅片设计产能将超过 3.5×106 片/月，新增 12 in 硅片设计产能将接近 5×106片/月，芯片制造能力达到全球的 30% 左右。

　　依托宽禁带半导体 GaN 和 SiC 材料的发展，我国在衬底单晶生长、外延材料等方面已具有了较强的技术研发和产业化竞争力，蓝宝石基 GaN 外延材料已形成具有 7000 亿市场规模的半导体照明产业，Si 基 GaN 外延材料开始在快充产品中应用；4 in SiC 高纯半绝缘和导电衬底及其异质（GaN）外延和同质（SiC）外延材料已实现量产，分别在微波射频和电力电子领域得到广泛应用。在光纤通信技术的推动下，我国在 GaAs 单晶及外延材料技术方面取得突破，为近红外激光器以及光纤通信产业的发展提供了有力支撑。

　　在光刻胶方面，我国的代表性生产企业有北京科华微电子材料有限公司、苏州瑞红电子化学品有限公司和潍坊星泰克微电子材料有限公司，生产的产品已经批量用于集成电路制造领域。目前已经实现量产的是 G/I 线光刻胶，正逐步通过芯片企业认证并开始小批量生产 KrF 光刻胶，2020 年 ArF 光刻胶能取得突破并完成认证。但是，国内尚未具备极紫外光刻（EUV）和电子束光刻胶的研发与生产能力，亟需突破。

　　在超净高纯试剂方面，上海新阳半导体材料股份有限公司生产的超纯电镀硫酸铜电镀液已进入中芯国际集成电路制造有限公司的量产工艺制程，浙江凯圣氟化学有限公司生产的高纯氢氟酸已通过多条 8 in 和 12 in 生产线的认证并供货，苏州晶瑞化学股份有限公司开发的钛钨蚀刻液已实现进口替代。

　　经过多年努力，国产电子气体也取得明显突破，WF6、C2F6、AsH3、PH3 等气体品种已大批量应用于国内 8 in 生产线 in 生产线进行应用验证，部分品种的激光气体也开始供应国内晶圆制造企业。

　　在化学机械抛光（CMP）材料方面，国内企业研发的铜/铜阻挡层抛光液已进入国内外多家集成电路制造企业的最新技术节点制程；三维（3D）硅通孔（TSV）抛光液在全球处于领先地位，钨抛光液逐步开始供应全球各大晶圆制造企业；CMP 垫、修整盘也进入评价验证阶段。

　　我国靶材产业发展速度很快，以宁波江丰电子材料股份有限公司、有研亿金新材料有限公司为代表，实现了半导体行业用全系列高纯金属材料、溅射靶材和蒸发膜材的产业化，包括 Ta、 Cu、Ti、Co、Al、Ni、Au、Ag、Pt、Ru 及其合金。其中，超高纯金属 Ta、Cu 等溅射靶材已成功通过积体电路制造股份有限公司的考核，在 14 nm / 16 nm 技术节点的生产线 nm 技术节点进行评价试用。

　　总体而言，近年来我国半导体产业基础化学品产业取得了较大进展，伴随着国内对集成电路和半导体产业的高度关注，在晶圆制造、宽禁带半导体材料、光刻胶、超净高纯试剂、电子气体、CMP 材料、靶材等方面产业发展势头良好，但与高速发展的产业需求相比，仍存在整体生产能力较弱、研发能力不足等问题未得到根本改变，亟需进一步突破。

　　（一）发展思路为促进半导体产业的发展，我国先进半导体材料及辅助材料今后的发展思路为：构建梯次发展的半导体材料体系，每一个材料体系做到单晶、外延、芯片工艺、封装等上下游协同，不断创新，推动先进半导体材料及其辅助材料的可持续发展。

　　第一，成体系发展。自半导体材料诞生以来，从 Si、Ge 到 GaAs、InP，再到 SiC、GaN，可以看出，半导体相关技术和产业的发展都是围绕主要材料制备、器件工艺需要和芯片来进行的，并逐渐发展为一个完整的材料体系。基于此，在不断完善我国 Si 基材料体系的同时，要及时把握各种新型化合物半导体材料的技术突破和产业化应用的机会，构建自主可控的新型半导体材料体系。

　　第二，上下游协同发展。半导体产业链包含原材料、单晶生长和外延、芯片设计与制备工艺、封测与应用以及支撑各环节的核心装备与关键零部件等环节，产业链长且各环节工艺复杂，任一环节出现问题都将导致最终的器件性能不达标。因此，要以提供满足应用需求的器件为目标，通过上下游协同发展实现全产业链的整体技术突破。

　　第三，可持续发展。在实施追赶战略的同时，我国先进半导体材料及辅助材料的发展还需要把握未来技术发展趋势，在不断积累已有技术经验的同时，关注新的材料体系、芯片结构和工艺的发展变化，积极探索与创新，确保可持续发展。（二）发展目标1. 2025 年发展目标

　　我国半导体材料及辅助材料 2025 年的发展目标是：核心半导体材料技术达到国际先进水平，相关产品满足产业链的安全供应需要，建立起全产业链能力，解除关键行业的“卡脖子”问题。

　　加强 12 in Si 单晶及其外延材料的技术研究，逐步扩大国产材料的市场应用份额。实现 8 in Si 材料国内市场的完全自主供应，确保 12 in 单晶 Si 及其外延材料产能及市场占有率，同时发展更大尺寸单晶 Si 及其外延材料的制造技术，确保我国集成电路产业的可持续发展。

　　抓住 Si 基电力电子器件产业转移的契机，做大电力电子器件的产业规模，加紧推进 SiC、GaN 电力电子器件产业化。实现 6 in 无微管缺陷 SiC 单晶的产业化制造，并突破 8 in 无微管缺陷 SiC 单晶制造瓶颈；实现 8 in Si 基 GaN 电力电子器件产业化，突破 12 in Si 基 GaN 材料关键技术，Si 基 GaN 电力电子器件满足消费类电子、数据中心服务器电源、工业电源和电动汽车对高效电源管理的更高需求。

　　实现 6 in 半绝缘 GaAs 单晶衬底和 6 in 半绝缘 SiC 单晶衬底的自主供货，确保射频 / 微波器件用 GaAs 和 GaN 材料相关产业链的供应安全；突破 6 in GaAs 高电子迁移率晶体管（HEMT）外延材料的量产制造，达到“开盒即用”的技术水平；突破 6 in 半绝缘 SiC 衬底上 GaN HEMT 外延材料的生长和器件技术，为未来雷达、移动通信技术的发展提供技术支持。

　　进一步提高 6 in InP 衬底抛光片的质量，扩大产能，并掌握毫米波器件所需外延材料的量产技术，达到“开盒即用”的技术水平，为第五代移动通信（5G）技术相关毫米波系统（如汽车防撞雷达、车间互连与通信系统）的产业链供应安全提供材料支持。实现 2 in 金刚石自支撑材料和 2 in Ga2O3 单晶衬底的量产，解决金刚石的 n 型掺杂和 Ga2O3 的 p 型掺杂问题。

　　应重视基于 GaN 的照明用发光器件以及基于 GaAs、InP 的光纤通信用半导体激光器，适当兼顾激光投影显示对 GaN 可见光激光器以及消毒杀菌用 GaN 紫外发光二极。