做好半導體材料標準化工作，促進行業可持續發展

賀東江

（有色金屬技術經濟研究院有限責任公司，北京 100080）

2021年是建黨100周年和“十四五”規劃的開局之年，黨中央、國務院印發了《國家標準化發展綱要》，為未來15年中國標準化發展設定了目標和藍圖，提出標準是經濟社會發展的技術支撐和制度建設的重要方面，在推進國家治理體系和治理能力現代化中發揮著基礎性、引領性作用。作為高科技產業的基石，半導體材料立足自力更生、自主研發，是實現半導體行業可持續發展的基礎。因此，新時代我們需要更好的做好標準化工作，促進行業可持續發展，共建更加美好的世界。

1 國際環境及背景

隨著新冠疫情的擴展和蔓延，全球經濟開始集體下行，因智能手機和基站等5G相關業務、社交受限而面向游戲及數據中心、受美國制裁華為加快囤貨以及汽車電子市場的巨大需求等因素，半導體市場卻出現了增長，覆蓋成熟制程的MCU、電源管理芯片、功率分立器件以及先進制程的手機主芯片、顯卡GPU等各類產品，導致芯片短缺成為困擾全產業鏈的問題。在全球經濟逐步適應與疫情共存并持續復蘇的情況下，相關機構預測許多問題會在2022年得到緩解，通脹壓力和供應鏈中斷風險將成為關注的重點。除疫情的演變外，影響全球經濟進程的不確定性因素就來自于中美關系的變化了。美國出臺了相關法案持續升級對華科技戰，國家“十四五”規劃也調整了硬科技發展戰略，重點鼓勵創新以減少對國外技術的依賴。半導體無疑是中美科技戰的關鍵，全球半導體產業或迎來重大調整期，聚焦集成電路、軟件和高端芯片，新一代半導體材料在關鍵領域和前沿基礎研究方面取得針對性的突破變得非常關鍵。另一方面，氣候變暖形勢不容樂觀，環境問題是全人類未來的核心問題和長期挑戰已成為共識，減少碳排放作為一個全球性重大議題，日益受到各個國家和地區以及各行各業的廣泛關注。發達國家需繼續率先承擔減排義務，中國也對國際社會做出了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的莊嚴承諾。隨著技術進步和發電成本的迅速下降，清潔能源如光伏發電等方面對半導體材料的需求在平價時代正在被打開。

2 行業基本情況

（1）半導體產業發展重心向中國轉移，國產化進程加快。數據顯示，2020年全球半導體市場同比增長6.5%，中國增長17%，中國在消費市場中占比超過60%，雖然“十三五”期間年均增速近20%，為全球同期增速的4倍，但在設備、設計、材料、知識產權、代加工、封裝、測試環節中占比大多低于20%，自給率仍然較低，如果僅考慮集成電路設備，國內自給率只有5%左右，市場占比不到2%。在這種形勢下，國家對集成電路產業加大了政策扶持力度，2021年全球新增的19座大容量晶圓廠中16座來自于中國地區；芯片國產化率也在逐年提高，預測將由2020年的16%提高到2025年的19%，自給率由2020年的40%提高到2025年的70%。隨著我國對半導體產業鏈投資和政策的持續加碼，國產替代趨勢明顯，全球半導體產業發展重心向中國轉移的趨勢已經形成。

（2）半導體硅片向大尺寸方向發展，帶動相關材料設備需求。事實上，集成電路的未來發展趨勢被進一步看好。半個世紀以來，在半導體制造工藝方面主要有兩個因素：一個是加工尺寸不斷變小，半導體芯片工藝節點已達3nm；另一個方面是硅片尺寸不斷變大，從最初的2英寸發展到了目前的12英寸，已約占整體硅片市場的68.4%，成為當前主流硅片尺寸，隨著制造工藝的不斷提升，不僅對電子級多晶硅的質量穩定性要求越來越高，也給單晶爐、切片機、研磨機、拋光機等硅片關鍵設備帶來了挑戰，材料和設備的需求將持續增長。

（3）光伏晶硅、鍺以及第二代化合物半導體材料穩步增長。光伏用硅材料產業在產量、成本和技術水平上已取得全球領先地位，設備和工藝已全部國產化，單晶占比的持續上升、n型硅片的量產以及下游企業對顆粒硅的使用，新一輪技術變革將加快重塑行業發展格局，晶硅光伏產業將助力中國“雙碳”目標的早日實現。鍺材料生產已形成從原料到精深加工的完整產業鏈，提取提純技術達到世界先進水平，高純金屬鍺的產品質量達到國際市場標準。精深加工方面，國內具備了紅外鍺單晶、光纖用四氯化鍺和太陽能鍺襯底的生產技術，但在超高純鍺單晶方面與發達國家相比差距仍較大。隨著移動通信和以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網興起，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料近幾年發展加快，隨著華為加快上游布局，再投第二代半導體材料又為光芯片添把火，但國內仍限于LED用低端低阻材料生產，大直徑、半絕緣材料的核心技術仍掌握在美日歐等少數國際大公司手中。同時由于鎵、銦資源的稀缺性和砷的劇毒性，使得第二代半導體材料的應用具有一定的局限性。

（4）多領域需求驅動，第三代半導體材料快速增長。以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體材料，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景，與第一代、第二代半導體技術互補，成為目前全球戰略競爭新的制高點。氧化鎵被用于鎵基半導體材料的絕緣層以及紫外線濾光片，在紫外探測、高頻功率器件特別是大功率應用等領域吸引了越來越多的關注和研究，在光電子器件方面有廣闊的應用前景。

除了上述典型材料，還有有機半導體、陶瓷半導體、藍寶石和輔助材料等，種類繁多，各細分領域的高標準高要求對半導體材料的可持續發展和競爭力的提升均非常關鍵，都不可或缺。

3 半導體材料標準基本情況

截止到2021年12月，已發布的半導體材料標準共270項，其中國家標準163項，行業標準77項，協會標準30項。按領域分通用標準7項（均為國家標準），硅材料標準119項，鍺材料標準43項，化合物（除寬禁帶）半導體標準23項，寬禁帶半導體標準14項，藍寶石標準13項，原輔材料標準51項，半導體材料標準涵蓋了全產業鏈上的全部主流產品以及相關輔助材料，形成了一套完整、動態的與行業發展相配套，技術先進、科學合理、適應性強的標準體系。

4 具體工作思路和措施

綜上，在這種情況下，半導體材料標準化工作應有國際視野，并結合國家宏觀戰略、產業政策和行業發展動態來開展，一方面要緊盯國際爭端激烈的高科技領域如芯片、大規模集成電路等方面對半導體材料的需求，在國產替代、科技成果轉化等方面逐步突破國外技術封鎖和壟斷，制定具有一定突破性和引領性的標準，逐步或一步解決關鍵領域中關鍵材料“卡脖子”的技術問題；另一方面積極適應全球聯合應對氣候變化，大力發展清潔能源如光伏發電等方面對半導體材料的需求，以國家對雙碳達標承諾為目標，在節能降耗、清潔生產、環境保護以及國際化等方面通過滿足產品更新換代和對品質不斷提升的更高更嚴的要求，助力企業在全球市場中占得先機。總體說來，就是應充分利用標準的本質作用，通過融合共性技術，提升技術支撐平臺，打造行業規制，增強產業鏈和供應鏈的穩定性；固化科研和工藝成果，力促企業轉型升級；強化貿易便利化支撐，加快中國標準中國產品走出去；優化標準體系，加強標準的實施和監督，更加有效的推動行業綜合競爭力的提升，使標準化工作在國家構建新發展格局中發揮更大的作用。

（1）結合國家戰略部署和產業政策，落實《國家標準化發展綱要》相關要求。標準的最終目的是為經濟和社會發展服務，標準的制修訂又是標準化工作中最基本、最重要的工作，因此半導體材料的標準化仍然要站在國家和行業的高度結合國家戰略和各項政策來積極開展工作。綜合性政策法規及規劃有：《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》《國家標準化發展綱要》《2021年全國標準化工作要點》《2021年工業和信息化標準工作要點》《國家標準化體系建設發展規劃（2016-2020年）》《新材料標準領航行動計劃（2018-2020年）》《戰略性新興產業分類（2018）》《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2021年版）》《中國制造2025》《產業結構調整指導目錄（2019年本）》《原材料工業質量提升三年行動方案（2018-2020年）》《工業節能與綠色標準化行動計劃（2017-2019年）》《有色金屬工業綠色制造標準化三年行動計劃》《國家智能制造標準體系建設指南》和《有色金屬行業智能加工工廠建設指南（試行）》等。

根據《國家標準化發展綱要》和《建設高標準市場體系行動方案》的相關要求，到2025年要實現標準供給由政府主導向政府與市場并重轉變，標準運用由產業與貿易為主向經濟社會全域轉變，標準化工作由國內驅動向國內國際相互促進轉變，標準化發展由數量規模型向質量效益型轉變；到2035年使結構優化、先進合理、國際兼容的標準體系更加健全，具有中國特色標準化體制更加完善，市場驅動、政府引導、企業為主、社會參與、開放融合的格局全面形成。半導體材料標準化工作將以此為遵循，根據國家標準、行業標準與協會標準的不同定位，兼顧各利益相關方意見，做好國家標準、行業標準、協會標準的協調發展，在做好標準立項工作的同時，也應對一些具有前瞻性的項目針對性的展開先期預研工作，對一些重要的和強制性的標準，適時開展宣貫和實施監督工作。

（2）加強標準體系建設和優化工作。標準體系需優化政府頒布標準與市場自主制定標準二元結構，全國半導體設備和材料標委會作為國家標準委選擇的5家國家標準體量大、團體標準工作活躍、標準化工作基礎較好、改革積極性較高的體系優化試點單位，應根據《2021年國家標準體系優化試點工作方案》要求，按照體系優先、明確定位，進出有序、動態調整，對標國際、推進兼容，總結經驗、固化機制的工作原則，對本領域的標準體系情況進行梳理、評估、優化和重構，整合、新提、修訂、廢止、轉化一批國家標準，采信一批團體標準，合理界定和協調上下游標準，并探討建立國家標準退出機制和國家標準采信團體標準機制，“部分現行標準退出國家標準序列”，暢通政府標準與市場標準的轉化通道，建立結構合理、動態平衡、銜接配套的國家標準體系，形成標準體系建設和優化的長效工作機制，持續提升提升國家標準質量水平。

（3）以市場需求為牽引，力爭突破。一是做好全球半導體產業重大戰略調整期的應對工作，助力電子級多晶硅及大尺寸硅片的標準化規模生產，取得下游用戶對國產材料的認證和認可。2019年《瓦森納協議》對于大硅片技術管制的內容為“對300mm直徑硅晶圓的切割、研磨、拋光達到局部平整度的技術要求，在任意26mm×8mm的面積內平整度差小于等于20nm，以及邊緣去除方面小于等于2mm”，對應的是14nm制程工藝的大硅片生產制造技術，涉及到該指標的技術、設備等都在出口管制之內。因此只有實現半導體制造國產化，才能真正擺脫核心科技被國外“卡脖子”的現狀。同時需要開展前沿檢測技術研究，如高純電子級多晶硅、單晶硅中深能級雜質的分布及檢測、超痕量金屬雜質的檢測、晶體結構的檢測、硅片邊緣輪廓的測試、納米形貌的測試等。二是在鍺材料領域，針對光伏用的直拉法零位錯鍺單晶、探測器用超高純鍺單晶、芯片用電子級四氟化鍺同位素，深入開展產品制備技術及標準的研究。同時開展相關檢測技術標準方法的研究，如大尺寸鍺晶片表面質量的測試、鍺不同同位素的測試、高純鍺化合物的測試等。三是在化合物半導體材料領域，聯合國內高純銦、高純鎵、高純砷、高純磷等上游優勢企業，積極開展高純半絕緣級砷化鎵單晶襯底片、磷化銦單晶襯底片的研制和標準制修訂，突破提升多晶合成、單晶生長及晶片加工的生產技術及化學成分、物理性能、表面質量的檢測技術等。針對第三代半導體材料，積極開展大功率器件及探測器、激光器用高質量氮化鎵、氮化鋁單晶襯底；5G用氮化鎵射頻外延材料；電力電子器件用氮化鎵和碳化硅外延材料；高導熱封裝用氮化鋁陶瓷基板；多晶金剛石基板；短波長UVC等光電器件用氮化硼、氧化鎵外延材料和封裝等產品及高溫熱穩定性、強度、絕緣測試表征、晶體質量、曲率、耐壓性能等各項指標的測試。四是做好藍寶石及相關輔助材料的標準化工作。半導體材料制程涉及諸多行業，涵蓋多個學科，資金投入大、技術門檻高、認證周期長，國內企業與國際成熟企業還有一定的差距。在“長晶、切片、拋光、外延”四大核心環節中對拋光液、拋光墊、閥門、坩堝、磁流體、藍寶石等輔料耗材和零部件的選用至關重要；在“清潔、包裝”工序中潔凈度的要求對材料的性能參數和未來應用也起著關鍵性的作用。國內輔料耗材的材質、性能、測試和應用尚未形成完整的體系，缺乏統一的標準，需要上下游企業在各個細分領域協同攻關。我們將實時把握行業脈動，積極規劃，做好相關的標準化工作，以期解決各相關領域亟需突破的產業瓶頸問題，規范和助力各相關領域的有序發展。五是配合主管部門《“碳達峰”標準化行動計劃》《工業領域“碳達峰”標準體系建設指南》，將資源節約與再生利用納入到“雙碳”標準工作范疇中，注重節能降耗、資源綜合利用、環境保護、清潔生產等領域的標準制修訂工作，盡快建立健全支撐“雙碳”目標的標準體系，支撐整個行業生態圈的高質量均衡發展，落實好碳達峰實施方案。六是要做好配套的檢測方法標準。產品的測試貫穿了整個半導體制程，從芯片設計、晶片制造到封裝，不同環節都各有檢測方法標準。在晶片制造環節主要通過光學檢測晶片的不同材質及層結構的微觀形貌和宏觀缺陷，包括膜厚、OCD、SEM、套刻誤差的測量、缺陷檢測、電子束檢測以及AOI等，來驗證晶片的物理功能、電學特性、可靠性等。因此在產品標準已經確定的情況下，我們應做好配套的檢測方法標準，這對提升半導體制程的良率和芯片的品質非常重要。

電子級硅材料、大尺寸硅片、氮化鎵單晶襯底、氮化鎵外延片、碳化硅單晶襯底、碳化硅外延片、藍寶石材料等產品及其相關方法標準是需要優先考慮的項目，補齊如表面雜質的去除、刻蝕、化學氣相沉積、拋光以及焊接工藝等方面的短板是重中之重。

（4）加強標準英文版工作，支撐國際貿易。應繼續加強半導體材料標準英文版工作，通過翻譯、推廣和宣傳中國標準，進一步增強中國標準的國際影響力，推動中國標準繼而推動中國產品走出去。SEMI標準嚴格意義上說是團體標準，自成體系。產品在競爭，標準也在競爭。目前，半導體材料標準英文版已報批、發布國家標準8項，可采用標準制修訂與英文版計劃同步申報的方式，為國際貿易提供服務和支撐。

（5）結合標準討論和技術研討，支撐行業和地方經濟發展。產業的發展，企業是主體，也離不開各地政府的支持，各地政府對標準工作也越來越重視。因此，半導體材料標準化工作應爭取企業所在地區政府的支持，加強標準技術平臺建設，支撐行業和地方經濟發展。正是本著這個思路，半材標委會在2021年召開了相關標準和技術交流及研討會，除對標準進行討論外，還精心組織了行業內的權威專家、企業家和標準專家，做了多場技術報告及招商推介會，就標準如何助力行業和地方經濟的發展進行了研討，提高了當地企業在行業內以及行業在當地的影響力，得到了各方的好評。今后我們將以需求為牽引，針對重點地區和相關企業，圍繞行業特點與區域經濟優勢，探討如何將全國性的行業標準化工作與當地經濟的發展相結合，通過各種方式，集聚合力，為實現行業和地方經濟發展的多贏局面打下良好的基礎。

（6）積極開展與其他相關團體組織的合作。應繼續積極參加和支持SEMI、硅業分會、稀散金屬分會、寬禁帶半導體技術聯盟、電子材料行業協會、中企會等團體組織的相關行業論壇、標準化和技術活動，通過走訪、調研、參加論壇、學術報告等多種形式與其他聯盟展開合作，擴大半導體材料標準的影響。

5 做好標準化工作，促進行業可持續發展

企業等實體按照標準編制、申請和接受審查的步驟行事，這需要高水平的專業知識和資金投入。半導體材料標準化工作應繼續以市場為導向，以企業為主體，著眼于新產品的研發和生產，建立科技研發、標準研制和產業發展同步推進的協同機制，滿足下游對高可靠、性能優異、質量穩定一致的半導體材料的需求，助推行業突破相關技術難關。

中國是全球主要的電子信息制造業基地，也是全球規模最大、增速最快的半導體市場。但高性能半導體制造越來越集中于幾個行業巨頭，形成了較高的行業壁壘，我們應逐步實現中低端產品的國產化替代。這是一個緩慢的進程，應憑借著地緣、價格和服務的優勢以及政策的扶持對一些關鍵領域和關鍵技術實現針對性的突破。未來，在中國經濟穩健增長和5G、云計算、物聯網、人工智能、智能網聯汽車等新型應用的驅動下，隨著集成電路、太陽能光伏、LED、消費電子行業景氣度不斷提升，半導體行業將再次進入繁榮期，新一代半導體行業或將重繪高技術版圖。因此我們應與全行業一道，攜手前行，發揮標準在經濟社會發展中的作用和功能，做好半導體材料的標準化工作，促進行業高質量的可持續發展，在全球高科技領域日益激烈的競爭中，夯實基礎，銳意進取，為提升我國硬科技實力貢獻應有的力量。