中国工程院院士吴澄：研发半导体硅单晶，对我国高端制造业发展意义重大
来源：环球网
【环球时报-环球网记者 陈子帅 邓孝慈】7月2日，在第二十六届中国科协年会主论坛上，中国科协发布2024重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。“大尺寸半导体硅单晶品质管控理论与技术”入选十大工程技术难题，《环球时报》记者采访了中国工程院院士，中国自动化学会特聘顾问、会士，清华大学教授吴澄，对该课题进行解读。
半导体硅单晶是制造集成电路芯片最重要的基础性材料，90%以上的集成电路芯片都是制作在硅单晶上，因此，高品质半导体硅单晶的重要性不言而喻。突破相关技术，对于打破国外垄断，解决此领域的“卡脖子”问题，实现我国在集成电路硅材料领域核心技术自主可控具有重大意义。
制备半导体硅单晶的主要方法是直拉法，所采用的设备称为硅单晶生长炉，简称单晶炉。近百年来，依据此方法，集成电路材料经历了由锗单晶向硅单晶的发展历程，实现了由生长直径不足1英寸到12英寸及以上、制造的芯片由微米制程到纳米制程的发展阶段。随着集成电路芯片线宽的不断降低，目前线宽可低至3纳米，进而对半导体硅单晶材料的品质指标提出了更高的要求，如无缺陷、低杂质、大尺寸等方面。如何在直拉硅单晶制备过程中实现对硅单晶材料宏观和微观品质的精准控制，是我国半导体硅单晶产业发展面临的难题。
目前，半导体硅单晶材料制备产业仍具有高度集中的特点，以直径12英寸硅片为例，日、德、韩等境外5家企业占据90%以上的全球市场份额，形成了世界范围的垄断。代表当今集成电路芯片主流制造水平的20nm及以下制程工艺所要求的高品质、大尺寸半导体硅片，我国主要依赖进口。该课题由西安理工大学教授、晶体生长国家工程研究中心主任刘丁等专家提出，据介绍，当前我国的大尺寸半导体级硅单晶材料制备已进入产业化进程，但在硅片品质的一致性、良品率、生长设备的可靠性以及生长工艺的适应性等方面与世界先进水平存在一定差距。
“晶体材料并且是高品质、高良品率的晶体材料，是所有芯片的第一道难关。”中国工程院院士，中国自动化学会特聘顾问、会士，清华大学教授吴澄告诉《环球时报》记者，目前世界主流企业的晶体材料良品率在80%左右，我国也接近这一水平，处在世界前列。我们有了好的基础，接下来，还要投入大量精力调试工艺，降低缺陷和杂质。
不过，半导体硅单晶材料从技术研发、产业生产到市场销售具有投资规模大、建设周期长、技术门槛高、产业垄断强的突出特点。“这是高投入、高风险、高回报的工程，国家、科研单位和企业要合力推动这项研究。”吴澄说，这对我国高端制造业发展意义重大。
专家认为，信息技术的新成果、多学科交叉融合推进创新驱动，形成新质生产力的新技术为解决此问题提供了先进、可行途径。将专家经验和半导体硅单晶生长的基本理论、核心工艺与信息化技术深度融合、集成创新，从中探索和形成能够指导半导体硅单晶生长和实现硅单晶品质管控的科学理论和技术方法，是发展我国半导体硅单晶材料制备产业面临的关键工程技术难点和挑战。
吴澄也提醒称，目前全球对于芯片的竞争处在一种“无序”状态，这种竞争是一把双刃剑，尽管推动了科技进步，但也造成了资源浪费。
中国工程院院士，中国自动化学会特聘顾问、会士，清华大学教授吴澄
2023年5月，吴澄院士在西安理工大学国家地方联合工程研究中心指导半导体硅单晶生长与品质管控工程实验。
（图片由受访对象提供）
光伏设备厂商跨界半导体，这四家公司已取得一定进展
晶盛机电——隐形半导体大佬
在国内所有光伏设备公司中，晶盛机电（300316.SZ）无疑是介入集成电路行业最深的公司。公司甚至在2021年底引入了中芯国际（688981.SH）执行董事、长电科技董事长周子学加入董事会。
晶盛机电业务主要集中在半导体设备和碳化硅材料，随着近期定增落地，公司还将进入硅片制造环节。
当前，光伏和集成电路大多是以单晶硅为基础制造的，这是两者相同点。而不同点则在于硅纯度的不同。因此两者所需设备相近，差别在于设备精度不同。
晶盛机电是全球光伏单晶炉的龙头企业，全市场份额为50%到60%。以长晶设备为核心，公司半导体设备延伸覆盖至切片、抛光、外延等环节，包括单晶炉、滚圆机、切断机、线切割机、倒角机（在研）、研磨机、减薄机、边缘抛光机、抛光机和外延炉。
据悉，一条年产120万片集成电路专用8英寸硅外延片所需设备投资共5.1亿元，其中价值量相对较高的设备有外延炉、单晶炉和抛光机，分别占设备总投资的24.45%、17.41%和12.02%。除单晶炉和切断机外，进口设备占据主导地位。
晶盛机电未来在半导体设备主要突破方向为减薄设备和抛光设备。
根据晶盛机电2022年5月发布的《向特定对象发行股票募集说明书》，公司拟募集14.2亿元，分别用于12英寸集成电路大硅片设备测试实验线项目和年产80台套半导体材料抛光及减薄设备生产制造项目，其中包含年产45台减薄设备和35台抛光设备。
根据2022年一季报，晶盛机电在手订单222.4 亿元（含税），其中半导体设备在手订单13.4亿元（含税），较2021年底10.7亿元（含税）的半导体设备在手订单有明显增长。同时，公司在2021年报中提出，2022年目标实现半导体设备及服务新签订单超30亿元(含税)。
目前晶盛机电半导体设备销售仍以单晶炉为主。从近期中标情况看，公司分别中标了山东有研的边缘抛光机和沪硅产业（688126.SH）子公司上海新昇半导体的外径研磨机。
碳化硅衬底则是晶盛机电由设备公司转向设备+制造一体公司的重要尝试。碳化硅功率器件广泛应用于新能源汽车、充电桩、光伏等领域，其中，碳化硅衬底约占功率器件价值的一半，是难度最高的环节。
由于碳化硅晶体采用物理气相传输（PVT）的生长方法，需要在高温（>2,200℃）、真空环境中生长，相比硅晶体的生长温度更高，对温场稳定性的要求更高。因此长晶是碳化硅衬底制备的关键环节，一定程度上可以发挥公司再长晶炉方面的技术积累。
目前公司中试线产出的6英寸碳化硅衬底在直径、多型面积、电阻率、弯曲度和翘曲度均达到业内指标范围，衬底片总厚度变化率（TTV）可稳定达到＜3μm， 微管密度（MPD）可稳定达到
晶盛机电在2022年3月12日《审核问询函回复报告》中提到，2月7日，客户A已与晶盛机电形成采购意向，2022-2025年他们将优先向客户A提供碳化硅衬底合计不低于23万片，客户A在满足同等技术参数和价格的前提下，优先采购晶盛机电的碳化硅衬底产品。不过需要注意的是，该协议仅为意向，碳化硅衬底从中试走向量产，还需经历良率爬坡的过程。
奥特维——国产键合机“独苗”
奥特维（688516.SH）主营业务为光伏组件串焊机，在全球市占率超过70%。公司近年来开始向半导体封测设备领域拓展。
在通富微电（002156.SZ）2021年底披露的《非公开发行股票申请文件的反馈意见的回复》中，通富微电列举了封测领域各环节所需的设备，以及相对应设备的供应商，在键合机上，奥特维成为唯一入选的“国内可提供同类设备的供应商”。奥特维也因此收获了通富微电的批量订单。
引线键合（WireBonding） 是封装中的关键环节，是使用细金属线，利用热、压力、超声波能量使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信号互通。奥特维作为组件串焊机龙头，在自动化、焊接等底层技术积累了较为深厚的基础，在向键合机拓展时具备一定的技术延展性。
根据海关数据，2021年国内引线键合机进口总金额为15.86亿美金。考虑国产设备的价格优势，引线键合机国产替代空间约75亿元。
根据MIR DATABANK的统计，在中国大陆封测设备市场中，键合机是仅次于测试机的市场规模第二大的设备，以下依次是贴片机、探针台、分选机和划片机。
根据公司2022年5月13日发布的定增公告，拟募集2.9亿元用于高端智能装备研发及产业化，部分用于研发半导体封装测试核心设备。公司在现有铝线键合机产品的基础上，将延伸至金铜线键合机和倒装芯片键合机，同时还拓展品类至装片机（贴片机）。
在奥特维2021年年报中，半导体设备收入并未单独披露，短期内对公司业绩贡献还比较有限。
迈为股份、捷佳伟创——小荷才露尖尖角
迈为股份（300751.SZ）是全球电池片生产设备的龙头企业，在丝网印刷设备环节市占率超过70%。
在迈为股份的官网上，目前有半导体晶圆激光改质切割、半导体激光开槽设备和半导体晶圆研磨三款设备，适用于封装中的划片和减薄两个环节。
划片机作为半导体芯片后道工序的加工设备，用于晶圆的划片、分割或开槽等微细加工，其切割的质量与效率直接影响到芯片的质量和生产成本。划片机可分为砂轮划片机与激光划片机两种，分别对应刀片切割工艺与激光切割工艺。研磨机用于晶圆减薄，晶圆制造有几百道工艺流程，需要采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片，在晶圆封装前，需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度。
2021年全球划片机市场规模约为20亿美元，考虑到我国封测产能占比约为全球1/4，合理推测2021年我国半导体划片机市场约为5亿美元，约合32-36亿元，国内尚无绝对龙头，但其较小市场规模对于迈为股份这样体量的公司，更多是试水作用。
目前，迈为股份与半导体芯片封装制造企业长电科技、三安光电就半导体晶圆激光开槽设备先后签订了供货协议，并与其他五家企业签订了试用订单。
5月20日，迈为股份公告拟与珠海高新区管委会签署投资合作协议，拟投资建设“迈为半导体装备项目”，该项目计划投资总额不低于21亿元。至于具体投资项目，还有待公司进一步披露。
捷佳伟创（300724.SZ）是全球电池片清洗制绒设备龙头。公司在2021年年报中提到，在半导体设备领域，全资子公司创微微电子自主开发了6吋、8吋、12吋湿法刻蚀清洗设备，包括有篮和无篮的槽式设备及单片设备，涵盖多种前道湿法工艺。
捷佳伟创公众号信息显示，创微微电子于2021年7月21日成功交付3套集成电路全自动槽式湿法清洗设备，同时正在设计制造中的设备还包含了用于MicroLED、第三代化合物半导体及集成电路IDM厂的槽式清洗设备及相关附属设备，涵盖了集成电路200mm以下近70%湿法工艺步骤。
2022年中国本土半导体清洗设备市场空间约为80亿元，盛美上海（688082.SH）在该领域是国产替代的龙头，创微微电子在技术上和盛美上海还存在一定差距。
根据捷佳伟创近期发布的定增方案，公司拟募集25亿元，其中6.46亿元用于先进半导体装备（半导体清洗设备及炉管类设备）研发项目。该项目主要内容为Cassette-Less刻蚀设备和单晶圆清洗设备技术的改进与研发，立式炉管长压化学气相沉积设备、立式炉管低压化学气相沉积设备、立式炉管低压原子气相沉积设备以及立式炉管HK ALO/HFO2工艺设备技术的改进与研发。
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