中國電科第二研究所：勇于創(chuàng)新 打破壟斷 緊握SiC材料自主研發(fā)技術(shù)

魏汝省 張 峰 姚俊怡

軍民融合是興國之舉、強(qiáng)軍之策，把軍民融合發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，是我們黨長期探索經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)律的重大成果，習(xí)近平總書記的強(qiáng)軍思想為構(gòu)建新時(shí)代軍民融合發(fā)展體系提出了新的思路和方向。近年來，中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所（以下簡稱“電科2所”）圍繞國家深化軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略，聚焦第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）單晶材料，搶抓新機(jī)遇、打造新動(dòng)能，不斷突破技術(shù)壁壘，大力發(fā)展自主裝備支撐下的碳化硅材料產(chǎn)業(yè)，矢志成為國內(nèi)三代半導(dǎo)體材料主力軍。

久久為功 展現(xiàn)電子制造裝備新作為

1962年9月，電科2所在北京成立，原稱無線電工藝研究所，1965年所區(qū)整體遷往山西太原。在艱苦卓絕的創(chuàng)業(yè)初期，電科2所一批科研人員成功研制出我國第一臺(tái)波峰焊接機(jī)、第一條C型鐵芯生產(chǎn)線和鉭電容生產(chǎn)線。1970年，在我國第一顆人造衛(wèi)星上播放的音樂“東方紅”正是由電科2所自主研制的CJ-16臥式磁帶機(jī)傳來的。

50多年來，秉承著老一輩軍工人科技報(bào)國、艱苦奮斗的精神，電科2所迎難而上、拼搏奮斗，著力鑄就電子制造關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化基石，著力裝備支撐下的光伏新能源等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以自主裝備為基礎(chǔ)，以智能制造為核心，積極投身中國制造2025，打造電子制造新業(yè)態(tài)，努力成為引領(lǐng)我國電子制造裝備創(chuàng)新型領(lǐng)軍企業(yè)。在集成電路高端裝備領(lǐng)域，為打造智能制造裝備國家隊(duì)、三代半導(dǎo)體材料主力軍不懈奮斗。

真抓實(shí)干 “核心技術(shù)”就是生命力

大禁帶寬度、高臨界擊穿場強(qiáng)、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率，這是第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）單晶材料最響亮的“名片”。作為新一代雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動(dòng)汽車、通訊基站等重要領(lǐng)域的核心材料，碳化硅(SiC)單晶在航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。它彌補(bǔ)了第一、二代半導(dǎo)體材料在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，成為制作高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波發(fā)光及光電集成器件的理想材料，并在眾多戰(zhàn)略行業(yè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

SiC單晶的制備是全球性難題，而高穩(wěn)定性的長晶工藝技術(shù)是其核心。如今，這一“心臟技術(shù)”只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握在手，極少數(shù)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。而在中國，SiC單晶襯底材料長期依賴進(jìn)口，其高昂的售價(jià)和不穩(wěn)定的供貨情況大大限制了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

“沒有極具競爭力的核心技術(shù)，一旦被國外采取措施，高科技行業(yè)就會(huì)‘休克’”。自2007年，電科2所著手布局SiC單晶襯底材料的研制規(guī)劃，依靠自身在電子專用設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，李斌帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)潛心鉆研著SiC單晶生長爐的研制。“千錘百煉乃成剛”，上千爐的工藝試驗(yàn)為設(shè)備的改進(jìn)升級(jí)提供了大量的數(shù)據(jù)支持，也逐步實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與工藝的融合發(fā)展。

經(jīng)過多年的不懈努力，團(tuán)隊(duì)率先突破了高潔凈密封技術(shù)、超高真空度真空管路設(shè)計(jì)等單晶生長爐關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備型號(hào)從第一代2英寸SiC單晶生長爐發(fā)展至第五代全自動(dòng)6-8英寸SiC單晶生長爐。目前，最新型的單晶生長爐技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)100余臺(tái)套的優(yōu)異成績。

責(zé)任扛在肩 誓當(dāng)技術(shù)實(shí)力“領(lǐng)跑者”

“十年磨一劍、霜刃未曾試”，歷經(jīng)十余年的艱苦攻關(guān)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積極與國內(nèi)外SiC材料制備專家團(tuán)隊(duì)開展交流互動(dòng)，在粉料生長、晶體生長和晶體加工方面取得了長足進(jìn)步，成功突破了國外企業(yè)在SiC材料方面的技術(shù)壟斷。

團(tuán)隊(duì)中，以魏汝省博士領(lǐng)銜的技術(shù)研發(fā)小組攻克了高純SiC粉料的雜質(zhì)控制技術(shù)、晶型控制技術(shù)及粒度控制技術(shù)，成功開發(fā)出超高純SiC粉料的合成工藝，粉料純度優(yōu)于99.9999%，N、B、Al等主要雜質(zhì)元素濃度＜0.1ppm，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并形成了年產(chǎn)5噸高純SiC粉料的高效生產(chǎn)能力。

王英民博士帶頭的技術(shù)研發(fā)小組突破了SiC單晶生長低應(yīng)力控制技術(shù)、深能級(jí)點(diǎn)缺陷控制技術(shù)、高平坦度低翹曲度表面超精密加工技術(shù)等系列關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，在國內(nèi)率先完成4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底材料的工程化和6英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的研發(fā)，4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底N、B、Al等主要雜質(zhì)元素濃度＜1E16atom/cm3，微管密度＜1個(gè)/cm2，電阻率＞1E8歐姆厘米，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合 共贏創(chuàng)造價(jià)值”

2015年8月，電科2所與國內(nèi)某元器件重點(diǎn)科研院所簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，開始了4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底國產(chǎn)化的驗(yàn)證工作。兩年時(shí)間，二十余批次的技術(shù)驗(yàn)證，通過緊密合作，雙方逐步制定出高純半絕緣碳化硅單晶襯底的關(guān)鍵技術(shù)要求、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

2018年， 2所積極開展與某所的對(duì)接工作，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全面對(duì)標(biāo)進(jìn)口晶片。經(jīng)過半年的工藝技術(shù)提升，雙方共同解決了高純半絕緣4H-SiC單晶雜質(zhì)濃度、缺陷密度、電阻率控制、表面形貌控制、超精密加工等一系列關(guān)鍵技術(shù)，4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底成功為軍工項(xiàng)目進(jìn)行配套，并成為特定項(xiàng)目的指定襯底材料。經(jīng)該所批量使用，碳化硅晶片外延成品率已＞95%，外延材料電學(xué)性能、穩(wěn)定性、器件性能指標(biāo)與進(jìn)口襯底相當(dāng)。

為滿足量產(chǎn)需求，電科裝備2所集合資源、優(yōu)化配置，從外圍配套動(dòng)力保障、設(shè)備、人員、資金、政策等方面給予全方位支持，推動(dòng)SiC單晶襯底材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。如今，合格晶片的產(chǎn)能已從50片/月迅速提升至500片/月，充分保證了五十五所的持續(xù)供貨，為國家重大軍工型號(hào)項(xiàng)目順利進(jìn)行提供有力支撐。

勇于革新 形成改革發(fā)展新動(dòng)力

為使碳化硅材料業(yè)務(wù)板塊做優(yōu)、做強(qiáng)、做大，進(jìn)一步激發(fā)勞動(dòng)力和資產(chǎn)的活力，2018年，電科2所對(duì)碳化硅板塊進(jìn)行混合所有制改造，將太原藝星有限責(zé)任公司打造成碳化硅材料產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，資產(chǎn)劃轉(zhuǎn)、戰(zhàn)略投資引進(jìn)、骨干員工持股，在充分利用好地方資源和外部基金的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突破SiC材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，不斷提高產(chǎn)品市場供給力和競爭力。

目前，高純碳化硅單晶襯底產(chǎn)線已滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，但產(chǎn)能仍然無法滿足爆發(fā)式的國內(nèi)市場需求。審時(shí)度勢(shì)、未雨綢繆，2所啟動(dòng)了碳化硅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，在山西省轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū)大力開展碳化硅材料產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)。作為中國電子科技集團(tuán)公司首批啟動(dòng)的重點(diǎn)工程以及中央企業(yè)與山西省地方政府合作的重點(diǎn)工程，碳化硅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目占地面積150畝，投資6億元，擬建成中國最大的SiC產(chǎn)業(yè)化基地，將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)6英寸N型SiC單晶襯底18萬片及6英寸高純半絕緣SiC單晶襯底5萬片的能力。

艱難困苦、玉汝于成。電科2所在SiC單晶襯底材料行業(yè)領(lǐng)域已成功走出了一條自主化的不平凡道路。下一步，電科2所將以4-6英寸高純半絕緣和6英寸N型導(dǎo)電襯底為主要突破方向，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代，成為國內(nèi)核心器件研制單位的主流供應(yīng)商，美好的發(fā)展前景正期待著2所人更加矯健的步伐和昂揚(yáng)的姿態(tài)。