浩瀚全材：突圍半導(dǎo)體“縫隙市場”
聚焦新型化合物半導(dǎo)體國產(chǎn)化，率先實(shí)現(xiàn)4英寸銻化鎵晶圓量產(chǎn)，開發(fā)砷化鎵、磷化銦、砷化銦等半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)品
紅外探測、光纖通訊、激光器、太陽能電池等前沿領(lǐng)域，都離不開一種叫銻化鎵的戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料。
銻化鎵的技術(shù)門檻很高，市場處于培育上升期，大企業(yè)往往因?yàn)殡y以規(guī)模化應(yīng)用而較少涉足。就是在這樣的“縫隙市場”，一家僅有30多人的初創(chuàng)企業(yè)——青島浩瀚全材半導(dǎo)體有限公司率先實(shí)現(xiàn)4英寸銻化鎵晶圓國產(chǎn)化。“銻化鎵在國內(nèi)僅有少量企業(yè)生產(chǎn)，而且以2英寸為主，我們的4英寸銻化鎵晶圓打破了國外壟斷。”浩瀚全材董事長王世鋒告訴記者。
補(bǔ)齊國產(chǎn)化短板
談到芯片，經(jīng)常能看到一個(gè)形象的比喻：點(diǎn)沙成芯。極高純度的硅在高溫高壓的環(huán)境下熔化和拉晶，生長出晶體，再切割成均勻厚度的晶圓片，經(jīng)過拋光和清洗，消除表面的缺陷和污染，制成半導(dǎo)體的基礎(chǔ)——晶圓。晶圓再經(jīng)過光刻、蝕刻、電鍍等制造工藝，最終加工成為大家所熟知的芯片。
浩瀚全材生產(chǎn)的銻化鎵晶圓。
沙子的成分是二氧化硅，制造晶圓的硅卻并非來自沙漠、海灘、河床里的沙子，而是開采提純的工業(yè)硅。而且，并不是所有的晶圓都是用硅制成，銻化鎵就是一種化合物半導(dǎo)體材料，具有硅材料所不具備的高遷移率等特性。
晶圓材料經(jīng)歷了60多年的技術(shù)演進(jìn)，形成了以硅為主、 新型化合物半導(dǎo)體快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。第一代半導(dǎo)體是硅、鍺等元素半導(dǎo)體材料，鍺是最早采用的半導(dǎo)體材料，硅是應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體以砷化鎵、磷化銦為代表，應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域；第三代半導(dǎo)體是碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料，應(yīng)用于5G通信、新能源汽車等領(lǐng)域；第四代半導(dǎo)體包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導(dǎo)體材料以及銻化鎵、銻化銦等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。
《中國銻化鎵材料行業(yè)市場深度評估及2023-2027年投資可行性咨詢報(bào)告》顯示，銻化鎵是第四代半導(dǎo)體材料，技術(shù)門檻非常高，再加上資金、技術(shù)、人才等方面的限制，我國銻化鎵材料企業(yè)很少。
作為一名鋼鐵行業(yè)“老兵”，王世鋒曾經(jīng)輾轉(zhuǎn)多家鋼鐵企業(yè)擔(dān)任高管，從事過氧化鎂半導(dǎo)體材料生產(chǎn)，積累了豐富的管理經(jīng)驗(yàn)。在接觸銻化鎵之后，他敏銳地發(fā)現(xiàn)這種材料廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域，但在國外禁售之后，國內(nèi)相關(guān)半導(dǎo)體器件的研制嚴(yán)重受制于人。
王世鋒決定投身這一國產(chǎn)化薄弱環(huán)節(jié)，開始銻化鎵創(chuàng)業(yè)之路。2020年12月，他攜半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)團(tuán)隊(duì)成立浩瀚全材。經(jīng)過一年多的攻關(guān)，浩瀚全材第一片2英寸銻化鎵晶圓正式下線，很快得到了客戶認(rèn)可。
率先量產(chǎn)4英寸銻化鎵
晶圓是制造半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料，決定著終端產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。一般而言，晶圓直徑越大，工藝越先進(jìn)，芯片生產(chǎn)成本越低。一片4英寸晶圓的表面積大約是一片2英寸晶圓的4倍，也就是說在相同良率下，4英寸晶圓的生產(chǎn)效率是2英寸晶圓的4倍左右。
2022年6月，王世鋒帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)由2英寸銻化鎵晶圓向3英寸、4英寸銻化鎵晶圓發(fā)起沖擊。
晶圓在制造過程中極易產(chǎn)生劃痕、污漬等缺陷，需要高精度的加工和控制。哪怕是一粒灰塵也會(huì)造成重大影響，影響后續(xù)產(chǎn)品制造的良率。在浩瀚全材，最低標(biāo)準(zhǔn)潔凈度的車間也是萬級，最苛刻的手套箱潔凈度達(dá)到10級，大大高于醫(yī)院手術(shù)室的標(biāo)準(zhǔn)。所有加工設(shè)備也不是買來就能用，都要經(jīng)過不斷調(diào)整優(yōu)化。
用王世鋒的話來說，生產(chǎn)晶圓不僅要和灰塵、溫度、濕度、靜電等做斗爭，還要和肉眼根本看不到的劃痕，甚至是氧化做斗爭，“一大難點(diǎn)是在500倍顯微鏡下才能看到的劃痕，晶圓表面稍微有一點(diǎn)點(diǎn)劃痕，整片就報(bào)廢了；另一大難點(diǎn)在于有控制的氧化，既要通過氧化工藝主動(dòng)在晶圓表面形成一層保護(hù)膜，又要在運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中使用高純度氮?dú)鈦矸乐惯^度氧化。”
銻化鎵質(zhì)地較軟，直徑越大，生長出的晶體在冷卻過程中就越容易爆裂，在后道拋光工藝中也越容易產(chǎn)生劃痕等缺陷，浩瀚全材用了近4個(gè)月時(shí)間才攻克這些難點(diǎn)。據(jù)介紹，浩瀚全材的4英寸銻化鎵晶圓良率已經(jīng)達(dá)到93%，遠(yuǎn)超行業(yè)內(nèi)水平。
前不久，浩瀚全材接到首筆幾百片晶圓的訂單，這也是目前能公開查詢到的首個(gè)國產(chǎn)4英寸銻化鎵晶圓訂單。由此，中國企業(yè)購買這種材料再也不用“看別人臉色”了。
值得一提的是，自今年8月1日起，中國對鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制措施，其中就包括銻化鎵。這也從側(cè)面說明國內(nèi)銻化鎵產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了一定的影響力。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不能賺快錢
在剛剛結(jié)束的第九屆“市長杯”·海創(chuàng)匯·中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上，浩瀚全材的“全球二類超晶格紅外焦平探測芯片關(guān)鍵材料——GaSb晶圓的領(lǐng)航者”項(xiàng)目一舉獲得二等獎(jiǎng)，讓現(xiàn)場很多專家眼前一亮。
這樣一家做半導(dǎo)體前端材料的初創(chuàng)企業(yè)為何落戶青島？
其實(shí)，王世鋒最初也考慮過其他城市，其中產(chǎn)業(yè)鏈配套最好的是蘇州，半導(dǎo)體設(shè)備相關(guān)企業(yè)特別多。但他最終選擇了青島，一方面是因?yàn)樵谇鄭u鋼鐵集團(tuán)工作期間就把家安在了青島，另一方面也因?yàn)橛H身感受到青島營商環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化，特別是膠州市為項(xiàng)目落地提供了高標(biāo)準(zhǔn)廠房和房租減免政策。
浩瀚全材的生產(chǎn)車間。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有典型的長周期、高投入特點(diǎn)，需要源源不斷投入資金以開發(fā)產(chǎn)品、更新設(shè)備、改善工藝等。僅量產(chǎn)4英寸銻化鎵晶圓，浩瀚全材就累計(jì)投入2000多萬元研發(fā)費(fèi)用。除了銻化鎵，公司還在開發(fā)砷化鎵、磷化銦、砷化銦等半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)品，研發(fā)資金壓力較大。
與此同時(shí)，每一代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用場景各不相同，彼此之間并非替代的關(guān)系。硅迄今仍然是產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體用硅制作，身為小眾材料的銻化鎵處于起步上升階段。目前，浩瀚全材已具備年產(chǎn)1萬片以上4英寸銻化鎵晶圓的能力，但下游市場還沒有充分打開，總體上處于盈虧平衡狀態(tài)。
“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)賺錢非常難，要沉得住氣，想賺快錢是不利于產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的。”王世鋒建議，青島可以通過專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)支持或引入產(chǎn)業(yè)基金投資等形式，加大對民營高科技企業(yè)的研發(fā)支持力度，為關(guān)鍵創(chuàng)新項(xiàng)目提供資金保障。（青島日報(bào)/觀海新聞?dòng)浾?周曉峰）
青島日報(bào)2023年10月11日8版
責(zé)任編輯：程雪涵
