中國科學家創(chuàng)制全波段相位匹配晶體 有望滿足半導體晶圓檢測等領(lǐng)域的重大需求

• 劉明月 2023年7月14日 來源：新疆理化技術(shù)研究所 自然·光子學 1296 85
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近期，我國科學家成功創(chuàng)制了一種新型非線性光學晶體——全波段相位匹配晶體，為整個透光范圍內(nèi)實現(xiàn)雙折射相位匹配提供了新思路。該研究由中國科學院新疆理化技術(shù)研究所晶體材料研究中心潘世烈團隊完成，相關(guān)成果于近期在國際學術(shù)期刊《自然-光子學》在線發(fā)表。

中國科學家創(chuàng)制全波段相位匹配晶體 有望滿足半導體晶圓檢測等領(lǐng)域的重大需求

近期，我國科學家成功創(chuàng)制了一種新型非線性光學晶體——全波段相位匹配晶體，為整個透光范圍內(nèi)實現(xiàn)雙折射相位匹配提供了新思路。該研究由中國科學院新疆理化技術(shù)研究所晶體材料研究中心潘世烈團隊完成，相關(guān)成果于近期在國際學術(shù)期刊《自然-光子學》在線發(fā)表。

非線性光學晶體是獲得不同波長激光的物質(zhì)條件和源頭。在晶體中實現(xiàn)應(yīng)用波段相位匹配被普遍認為是重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，決定最終激光輸出的功率和效率。目前有多種技術(shù)方案可供選擇，其中利用晶體各向異性的雙折射相位匹配技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的彌補相位失配的有效途徑。該方案轉(zhuǎn)換效率高，但現(xiàn)有晶體均存在相位匹配波長損失，即可用晶體紫外截止邊和最短相位匹配波長的差值表征。

該團隊創(chuàng)制了一類新非線性光學晶體，即全波段相位匹配晶體。該類晶體基于應(yīng)用廣泛的雙折射相位匹配技術(shù)，且可以實現(xiàn)對晶體材料透過范圍內(nèi)任意波長的相位匹配。該研究揭示了全波段相位匹配晶體的物理機制，并以此為指導獲得一例非線性光學晶體(GFB)?；诰w器件實現(xiàn)了193.2-266 nm紫外/深紫外激光輸出，該材料193.2 nm處晶體透過率<0.02%，依然可以實現(xiàn)倍頻激光輸出，驗證了其全波段相位匹配特性，使該晶體成為目前首例實現(xiàn)了全波段雙折射相位匹配的紫外/深紫外非線性光學晶體材料。

研究結(jié)果表明，寬的相位匹配波長范圍使GFB晶體透光范圍得到充分應(yīng)用，可實現(xiàn)1064 nm激光器二、三、四、五倍頻高效、大能量輸出，有望滿足半導體晶圓檢測等領(lǐng)域的重大需求。更重要的是，GFB可采用水溶液法生長出高質(zhì)量、超大尺寸晶體，使其有望成為應(yīng)用于大科學裝置的新晶體材料。

從全球十大晶圓代工企業(yè)營收情況來看，由于終端市場下行導致晶圓代工市場萎靡，雖然2022年全球晶圓代工營收較2021年有所上漲，但頭部晶圓代工企業(yè)第四季度營收均有明顯下降。

地區(qū)來看，中國臺灣企業(yè)營收占比65%，中國大陸企業(yè)占比達11%。2023年至2024年期間，中國臺灣地區(qū)晶圓代工廠營收占比基本保持穩(wěn)定，2024年降至64%。中國大陸企業(yè)營收占比成上升趨勢，2024年預計達到12%。

據(jù)中研研究院《2023-2028年中國晶圓加工行業(yè)市場深度分析及發(fā)展?jié)摿ρ芯孔稍儓蟾?/u>》顯示

我國主要代工行業(yè)市場規(guī)模達6.25萬億元。預計2022-2027年我國代工行業(yè)市場規(guī)模年復合增長率(CAGR)為3%,到2027年我國代工行業(yè)市場規(guī)模將達到7.46萬億元。

半導體行業(yè)協(xié)會 (SIA)公布數(shù)據(jù)顯示，2023年5月全球半導體行業(yè)銷售額總計407億美元，比2023年4月的400億美元總額增長1.7%。SIA總裁兼執(zhí)行長John Neuffer表示，市況相較2022年仍低迷，但全球芯片銷售額已連續(xù)三個月小幅上升，激起人們對市場在下半年反彈的樂觀情緒。

此前商務(wù)部宣布對鎵、鍺相關(guān)物項實施出口管制，未經(jīng)許可不得出口。這兩種都是半導體行業(yè)中的關(guān)鍵材料之一，根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)公布的數(shù)據(jù)，目前全球金屬鎵的儲量約為27.93萬噸，而中國的儲量最多，達到19萬噸，占全球儲量的68%左右。相比之下，美國的儲量還不到中國的1/40，只有0.45萬噸。

從產(chǎn)量來看，中國產(chǎn)量占比全球鎵產(chǎn)量最高。德國和哈薩克斯坦分別于2016年和2013年停止了鎵生產(chǎn)，不過2021年德國宣布將在年底前重啟初級鎵生產(chǎn)，匈牙利和烏克蘭分別于2015年和2019年停止鎵生產(chǎn)。目前中國鎵占比全球鎵產(chǎn)量持續(xù)提升，截止2021年，占比全球鎵產(chǎn)量已超90%。

經(jīng)過一年努力，半導體晶圓切割技術(shù)成功實現(xiàn)升級，熱影響降為0，崩邊尺寸降至5微米以內(nèi)，切割線寬可做到10微米以內(nèi)。

按照生產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲備一代的理念，華工激光正在研發(fā)具備行業(yè)領(lǐng)先水平的第三代半導體晶圓激光改質(zhì)切割設(shè)備，計劃今年7月推出新產(chǎn)品，同時也正在開發(fā)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代半導體晶圓激光退火設(shè)備。

從全球主要晶圓代工企業(yè)資本開支情況來看，2022年臺積電貢獻了行業(yè)一半以上的資本開支，但其兩次減少全年資本支出的預算，由年初的440億美元減到最終的360億美元。2022年下半年開始，全球晶圓代工行業(yè)擴產(chǎn)開始放緩，資本支出普遍調(diào)低。

全球晶圓代工廠8寸晶圓年均產(chǎn)能將新增約6%，12寸晶圓將年增約14%，其中12寸晶圓新增產(chǎn)能逾半為現(xiàn)今最為短缺的成熟制程。近年來，電子科技消費級應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及世界范圍內(nèi)人口消費水平不斷提高，消費電子市場終端產(chǎn)品領(lǐng)域在市場容量和品類廣度上不斷發(fā)展延伸。

根據(jù)SEMI(國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會)數(shù)據(jù)，2022年中國晶圓廠商半導體設(shè)備國產(chǎn)化率較2021年明顯提升，從21%提升至35%;國內(nèi)半導體設(shè)備在去膠、清洗、熱處理、刻蝕及CMP領(lǐng)域內(nèi)國產(chǎn)替代率較高，均高于30%，但在光刻機、離子注入機等領(lǐng)域國產(chǎn)化率合計不足5%。如今國產(chǎn)廠商在高端裝備上再次實現(xiàn)重要突破，具有重要意義。

從晶圓加工市場規(guī)模來看，中國晶圓加工市場規(guī)模一直保持增長。晶圓代工行業(yè)報告對中國晶圓代工行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、競爭格局及市場供需形勢進行了具體分析，并從行業(yè)的政策環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境及技術(shù)環(huán)境等方面分析行業(yè)面臨的機遇及挑戰(zhàn)。還重點分析了重點企業(yè)的經(jīng)營現(xiàn)狀及發(fā)展格局，并對未來幾年行業(yè)的發(fā)展趨向進行了專業(yè)的預判。

更多行業(yè)消息,可以點擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)研究院出版的《2023-2028年中國晶圓加工行業(yè)市場深度分析及發(fā)展?jié)摿ρ芯孔稍儓蟾?/u>》。