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域的重大需求

• 劉明月 2023年7月14日 來源：新疆理化技術研究所 自然·光子學 1296 85
• 繁體

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研究所晶體材料研究中心潘世烈團隊完成，相關成果于近期在國際學術期刊《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研究所晶體材料研究中心潘世烈團隊完成，相關成果于近期在國際學術期刊《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)應用波段相位匹配被普遍認為是重要的技術挑戰(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是應用最廣泛的彌補相位失配的有效途徑。該方案轉換效率高，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。該類晶體基于應用廣泛的雙折射相位匹配技術，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。

此前商務部宣布對鎵、鍺相關物項實施出口管制，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)領先水平的第三代半導體晶圓激光改質(zhì)切割設備，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)權的第三代半導體晶圓激光退火設備。

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，電子科技消費級應用領域的不斷發(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)半導體設備在去膠、清洗、熱處理、刻蝕及CMP領域內(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>》。