本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》年第5期
作者：“先进半导体材料及辅助材料”编写组
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,,22(5):10-19.
编者按
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。
中国工程院院刊《中国工程科学》年第5期发表《中国先进半导体材料及辅助材料发展战略研究》。文章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，制定了面向年和年的发展目标，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。
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一、前言
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。
二、全球半导体材料及辅助材料的研发
与产业发展现状
（一）国外研发与产业发展现状
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（SKSiltron）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2~3in（1in=2.54cm）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4inGaN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（CabotMicroelectronics）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。
（二）国内研发及产业发展现状
到目前为止，在晶圆制造方面，我国新增8in硅片设计产能将超过3.5×片/月，新增12in硅片设计产能将接近5×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；4inSiC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，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8in和12in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8in生产线，Cl2、HCl、HF、N2O等一批产品正在8~12in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台湾积体电路制造股份有限公司的考核，在14nm/16nm技术节点的生产线实现了批量应用，在10nm/7nm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