浩瀚全材：突圍半導體“縫隙市場”
聚焦新型化合物半導體國產化，率先實現4英寸銻化鎵晶圓量產，開發砷化鎵、磷化銦、砷化銦等半導體晶圓產品
紅外探測、光纖通訊、激光器、太陽能電池等前沿領域，都離不開一種叫銻化鎵的戰略性半導體材料。
銻化鎵的技術門檻很高，市場處于培育上升期，大企業往往因為難以規模化應用而較少涉足。就是在這樣的“縫隙市場”，一家僅有30多人的初創企業——青島浩瀚全材半導體有限公司率先實現4英寸銻化鎵晶圓國產化。“銻化鎵在國內僅有少量企業生產，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。
補齊國產化短板
談到芯片，經常能看到一個形象的比喻：點沙成芯。極高純度的硅在高溫高壓的環境下熔化和拉晶，生長出晶體，再切割成均勻厚度的晶圓片，經過拋光和清洗，消除表面的缺陷和污染，制成半導體的基礎——晶圓。晶圓再經過光刻、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。
晶圓材料經歷了60多年的技術演進，形成了以硅為主、 新型化合物半導體快速發展的產業格局。第一代半導體是硅、鍺等元素半導體材料，鍺是最早采用的半導體材料，硅是應用最廣的半導體材料；第二代半導體以砷化鎵、磷化銦為代表，應用于光電子和微電子領域；第三代半導體是碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體材料，應用于5G通信、新能源汽車等領域；第四代半導體包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導體材料以及銻化鎵、銻化銦等超窄禁帶半導體材料。
《中國銻化鎵材料行業市場深度評估及2023-2027年投資可行性咨詢報告》顯示，銻化鎵是第四代半導體材料，技術門檻非常高，再加上資金、技術、人才等方面的限制，我國銻化鎵材料企業很少。
作為一名鋼鐵行業“老兵”，王世鋒曾經輾轉多家鋼鐵企業擔任高管，從事過氧化鎂半導體材料生產，積累了豐富的管理經驗。在接觸銻化鎵之后，他敏銳地發現這種材料廣泛應用于安防、醫療、工業等領域，但在國外禁售之后，國內相關半導體器件的研制嚴重受制于人。
王世鋒決定投身這一國產化薄弱環節，開始銻化鎵創業之路。2020年12月，他攜半導體領域技術團隊成立浩瀚全材。經過一年多的攻關，浩瀚全材第一片2英寸銻化鎵晶圓正式下線，很快得到了客戶認可。
率先量產4英寸銻化鎵
晶圓是制造半導體的基礎材料，決定著終端產品的質量和性能。一般而言，晶圓直徑越大，工藝越先進，芯片生產成本越低。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英寸晶圓的生產效率是2英寸晶圓的4倍左右。
2022年6月，王世鋒帶領技術團隊由2英寸銻化鎵晶圓向3英寸、4英寸銻化鎵晶圓發起沖擊。
晶圓在制造過程中極易產生劃痕、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造成重大影響，影響后續產品制造的良率。在浩瀚全材，最低標準潔凈度的車間也是萬級，最苛刻的手套箱潔凈度達到10級，大大高于醫院手術室的標準。所有加工設備也不是買來就能用，都要經過不斷調整優化。
用王世鋒的話來說，生產晶圓不僅要和灰塵、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，“一大難點是在500倍顯微鏡下才能看到的劃痕，晶圓表面稍微有一點點劃痕，整片就報廢了；另一大難點在于有控制的氧化，既要通過氧化工藝主動在晶圓表面形成一層保護膜，又要在運輸儲存過程中使用高純度氮氣來防止過度氧化。”
銻化鎵質地較軟，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生劃痕等缺陷，浩瀚全材用了近4個月時間才攻克這些難點。據介紹，浩瀚全材的4英寸銻化鎵晶圓良率已經達到93%，遠超行業內水平。
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國產4英寸銻化鎵晶圓訂單。由此，中國企業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、鍺相關物項實施出口管制措施，其中就包括銻化鎵。這也從側面說明國內銻化鎵產業已經有了一定的影響力。
半導體產業不能賺快錢
在剛剛結束的第九屆“市長杯”·海創匯·中小企業創新創業大賽上，浩瀚全材的“全球二類超晶格紅外焦平探測芯片關鍵材料——GaSb晶圓的領航者”項目一舉獲得二等獎，讓現場很多專家眼前一亮。
這樣一家做半導體前端材料的初創企業為何落戶青島？
其實，王世鋒最初也考慮過其他城市，其中產業鏈配套最好的是蘇州，半導體設備相關企業特別多。但他最終選擇了青島，一方面是因為在青島鋼鐵集團工作期間就把家安在了青島，另一方面也因為親身感受到青島營商環境的持續優化，特別是膠州市為項目落地提供了高標準廠房和房租減免政策。
浩瀚全材的生產車間。
半導體產業具有典型的長周期、高投入特點，需要源源不斷投入資金以開發產品、更新設備、改善工藝等。僅量產4英寸銻化鎵晶圓，浩瀚全材就累計投入2000多萬元研發費用。除了銻化鎵，公司還在開發砷化鎵、磷化銦、砷化銦等半導體晶圓產品，研發資金壓力較大。
與此同時，每一代半導體材料的應用場景各不相同，彼此之間并非替代的關系。硅迄今仍然是產量最大、應用最廣的半導體材料，90%以上的半導體用硅制作，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。
“半導體產業賺錢非常難，要沉得住氣，想賺快錢是不利于產業長遠發展的。”王世鋒建議，青島可以通過專項科研經費支持或引入產業基金投資等形式，加大對民營高科技企業的研發支持力度，為關鍵創新項目提供資金保障。（青島日報/觀海新聞記者 周曉峰）
青島日報2023年10月11日8版
責任編輯：程雪涵
