半導體材料領域國內(nèi)標準現(xiàn)狀及發(fā)展方向分析

（有色金屬技術經(jīng)濟研究院有限責任公司，北京 100080）

中美貿(mào)易戰(zhàn)中的“中興事件”“華為事件”，讓半導體產(chǎn)業(yè)進入全國人民的視野，“新基建”的興起，也給半導體產(chǎn)業(yè)帶來了更大的發(fā)展契機。半導體材料處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎，是支撐5G基建、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、特高壓、新能源汽車等的關鍵基礎材料。標準作為材料生產(chǎn)、檢驗、貿(mào)易的技術依據(jù)，需要與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展協(xié)調(diào)一致，并通過不斷的優(yōu)化完善標準體系，促進重大科技成果的轉(zhuǎn)化，引導產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。作為半導體材料的標準歸口管理單位，全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會（以下簡稱半材標委）一直致力于標準體系的完善和標準化工作平臺的建設，助力半導體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文以半材標委歸口的標準為研究對象，按照基礎、產(chǎn)品、方法、管理標準分別介紹半導體材料國內(nèi)標準現(xiàn)狀，并對應分析今后的發(fā)展方向。

1 標準概況

廣義的半導體材料是指半導體產(chǎn)業(yè)鏈中用到的各種材料，例如前端芯片制造用大尺寸硅片，晶片拋光用拋光液和拋光墊，貫穿半導體各個工藝制程的電子特種氣體，IC制作過程中用的光掩膜版、光刻膠等。典型的半導體材料是指電阻率在10-3Ω·cm～108Ω·cm、導電能力介于導體和絕緣體之間的材料，主要包括半金屬、元素半導體材料和化合物半導體材料等。我國半導體材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)，整體上落后于歐美日韓等國家，目前在中低端應用領域能夠?qū)崿F(xiàn)自給，而高端產(chǎn)品市場主要被少數(shù)國際大公司壟斷?？傮w上，半導體材料還需加快國產(chǎn)化進程，提升高端原材料的市場份額。

經(jīng)過二十余年的發(fā)展，半材標委組織建立了較為完善的半導體材料標準體系，可以基本滿足半導體產(chǎn)業(yè)對標準的需求，標準體系結(jié)構見圖1。截至2020年6月，半材標委歸口管理的已發(fā)布半導體材料標準共242項，平均標齡5.91年，包括國家標準159項、行業(yè)標準66項、團體標準17項，按標準類別分為基礎標準12項、產(chǎn)品標準73項、方法標準142項、管理標準15項，已發(fā)布標準的具體分布情況見表1。目前，半導體材料領域在研標準共有52項（含8項已報批項目），包括制定項目34項、修訂項目16項、國標外文版翻譯項目2項，其中國家標準25項、行業(yè)標準10項、團體標準17項，在研標準的具體分布情況見表2。

圖1 半導體材料標準體系結(jié)構

表2 在研的半導體材料標準分布情況

2 基礎標準

基礎標準是保障半導體材料質(zhì)量一致性、促進行業(yè)健康發(fā)展的基礎性文件?，F(xiàn)行標準中包括2項行業(yè)通用的半導體材料術語和牌號表示標準，8項硅材料的圖譜、標志、訂貨單、包裝等標準，以及1項鍺晶體缺陷圖譜和1項藍寶石晶體缺陷圖譜標準。目前在研的基礎標準僅1項，即正在修訂的GB/T 14264-2009《半導體材料術語》，將對半導體材料行業(yè)10余年來的發(fā)展和進步進行一次全面的梳理總結(jié)和成果固化，并涵蓋SEMI M59-1014《硅技術術語》（Terminology for Silicon Technology）中的主要內(nèi)容。

半導體材料的晶體缺陷直接影響材料的質(zhì)量和后續(xù)產(chǎn)品的性能，是材料生產(chǎn)方、使用方關注的重點內(nèi)容，晶體缺陷圖譜標準的建立以行業(yè)內(nèi)多年來的材料生產(chǎn)、檢測、使用經(jīng)驗為基礎，規(guī)定缺陷的形貌特征、產(chǎn)生原因以及消除方法，為相應晶體材料中缺陷的識別、檢驗分析以及消除提供指導，促進產(chǎn)品質(zhì)量的有效提升。目前半導體材料領域中已有的晶體缺陷圖譜類標準涉及硅、鍺、藍寶石、砷化鎵（國軍標），隨著碳化硅、氮化鎵等半導體材料的發(fā)展以及規(guī)模的擴大，也將考慮建立相應的晶體缺陷圖譜標準。

3 產(chǎn)品標準

產(chǎn)品標準是原材料標準體系的核心，主要規(guī)定產(chǎn)品需要滿足的技術要求以及取樣、檢測、包裝、標志等內(nèi)容，為產(chǎn)品的生產(chǎn)、貿(mào)易提供技術依據(jù)。半導體材料領域的產(chǎn)品標準僅73項，按照材料類別分為半金屬（6項）、元素半導體材料（33項）、化合物半導體材料（18項）、原輔材料及其他產(chǎn)品（16項），其中元素半導體材料包括硅（21項）、鍺（12項），化合物半導體材料包括Ⅲ–Ⅴ族化合物（14項）、II-VI族化合物（1項）、藍寶石晶體（2項）以及其他化合物半導體（1項）。在研的產(chǎn)品標準共有22項，包括硅材料6項、化合物半導體5項、半金屬3項、鍺材料1項、原輔材料及副產(chǎn)品7項。

總體來說，半導體材料的產(chǎn)品標準數(shù)量不多，一是由于半導體材料作為功能材料，建立的標準大多為通用型，僅個別情況下按照用途或生產(chǎn)方法進行了適當細分，例如GB/T 12964-2018《硅單晶拋光片》適用于直拉法、懸浮區(qū)熔法制備的直徑不大于200 mm的硅單晶拋光片，可用于制作集成電路、分立器件、功率器件以及硅外延片的襯底等，鍺單晶、砷化鎵單晶都有通用型和太陽能專用的產(chǎn)品標準；二是半導體材料的種類相對固定，主要以晶片形式供應給下游，產(chǎn)品形態(tài)也較為單一，不像某些材料可以加工成不同的形態(tài)，進而規(guī)定不同的性能、制定不同的標準，或者涉及的化學元素較多，通過調(diào)整化學成分又獲得不同的合金；三是部分先進半導體材料，如碳化硅外延片、氮化鎵襯底片，近年來才實現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品標準還未能及時建立，而有些半導體材料，如氮化鋁，甚至還完全依賴進口，暫時沒有制定產(chǎn)品標準的技術基礎。

產(chǎn)品標準方面，建議首先加快推進國家產(chǎn)業(yè)政策支持、已批量生產(chǎn)的新材料標準，如碳化硅外延片、氮化鎵襯底片、藍寶石圖形化襯底片等產(chǎn)品標準，解決重點產(chǎn)品無標準可依的問題，填補國內(nèi)標準空白；其次，針對部分高端應用領域?qū)Ｓ?、實現(xiàn)國產(chǎn)替代的產(chǎn)品，研究已有的通用產(chǎn)品標準，補充制定專用的標準，以更好的滿足產(chǎn)品標準的適用性和先進性，例如在GB/T 12964-2018《硅單晶拋光片》基礎上，正在補充制定專用標準《集成電路用低密度晶體原生凹坑硅單晶拋光片》。

4 方法標準

方法標準作為產(chǎn)品標準的支撐，規(guī)定產(chǎn)品生產(chǎn)、貿(mào)易中涉及到的各項技術指標的檢測方法。半導體材料的方法標準分為化學成分分析方法、理化性能試驗方法和電學性能試驗方法，共有已發(fā)布標準142項，在研標準22項。

不同于其他常規(guī)的原材料，典型半導體材料純度高，很少直接規(guī)定材料的化學成分，例如，GB/T 12962-2015《硅單晶》、GB/T 5238-2019《鍺單晶和鍺單晶片》、GB/T 20228-2006《砷化鎵單晶》、GB/T 20229-2006《磷化鎵單晶》、GB/T 20230-2006《磷化銦單晶》等典型半導體材料的產(chǎn)品標準中都未規(guī)定材料的化學成分?，F(xiàn)行標準體系中化學成分分析方法相關標準共有65項，適用于硅材料的21項、鍺材料13項、化合物半導體4項、半金屬10項、原輔材料及副產(chǎn)品17項，主要規(guī)定了半導體材料中的雜質(zhì)、間隙氧、代位碳、摻雜劑含量以及表面金屬含量等指標的測試，采用的方法以電感耦合等離子體質(zhì)譜法、二次離子質(zhì)譜法、紅外光譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法、高質(zhì)量分辨率輝光放電質(zhì)譜法、氣相色譜法為主。在研的化學成分分析方法標準共有16項，適用于硅材料的3項、化合物半導體1項、原輔材料及副產(chǎn)品12項。

理化性能試驗方法共有59項，主要規(guī)定幾何參數(shù)、表面質(zhì)量、晶體取向、晶體完整性、晶體內(nèi)部缺陷等的測試，較為通用的有2項，適用于硅材料的36項、鍺材料3項、化合物半導體材料18項。其中用于測試硅片幾何參數(shù)、表面質(zhì)量、參考面長度及結(jié)晶學取向的標準也適用于其他半導體晶片，例如，GB/T 30656-2014《碳化硅單晶拋光片》、GB/T 30861-2014《太陽能電池用鍺襯底片》都引用了GB/T 6619、GB/T 6620、GB/T 6624、GB/T 13387，分別用于測試晶片彎曲度、翹曲度、表面質(zhì)量和參考面長度。在研的理化性能試驗方法標準共有4項，適用于硅材料的2項、化合物半導體2項。

電學性能對于半導體材料而言至關重要，直接影響后續(xù)器件、電池片等產(chǎn)品的質(zhì)量，所以電學性能試驗方法單獨作為一類列出?，F(xiàn)行的標準中共有18項電學性能試驗方法，主要規(guī)定導電類型、電阻率、徑向電阻率變化、少數(shù)載流子壽命、載流子濃度等指標的測試，具體包括通用標準2項，適用于硅材料的11項、鍺材料2項、化合物半導體材料3項。在研的電學性能試驗方法標準共有2項，均為適用于硅材料電學性能試驗方法標準的修訂。

在現(xiàn)行的142項已發(fā)布方法標準中，僅19項是按多個部分制定的標準，分別為鍺精礦、金屬鍺、高純二氧化鍺、高純鎵、高純銦的化學成分分析方法，其余標準均為獨立的標準編號。一方面是由于半導體材料行業(yè)較小，且以硅材料為主，最開始建立標準體系時未注意方法標準的系列化；另一方面，國內(nèi)標準體系的建立參照國外SEMI標準，而SEMI標準中的方法標準都是單獨編號，未分成多個部分。隨著標準化工作改革的深入，愈發(fā)的強調(diào)標準體系的建立、完善和協(xié)調(diào)配套，在標準的立項答辯中也多次有專家提出現(xiàn)行的方法標準體系不夠明確，通過梳理已發(fā)布標準、總結(jié)經(jīng)驗，對今后方法標準體系的完善提出以下建議：

首先，在方法標準的制修訂過程中進一步注重與產(chǎn)品標準配套，成系列的規(guī)劃、申報。例如，及時配套碳化硅外延片、氮化鎵襯底片等新材料，成系列制定相應的方法標準，比如《碳化硅外延片試驗方法 第1部分：外延層厚度的測試 紅外反射法》、《碳化硅外延片試驗方法 第2部分：表面缺陷的測試 顯微可見光法》等；YS/T 1059-2015《硅外延用三氯氫硅中總碳的測定 氣相色譜法》、YS/T 1060-2015《硅外延用三氯氫硅中其他氯硅烷含量的測定 氣相色譜法》，修訂時可考慮改為YS/T 1059.1-2015《硅外延用三氯氫硅化學分析方法 第1部分：總碳含量的測定 氣相色譜法》、YS/T 1059.2-2015《硅外延用三氯氫硅化學分析方法第2部分：其他氯硅烷含量的測定 氣相色譜法》，再有其他硅外延用三氯氫硅化學分析方法時則申報第3部分。

其次，測試原理通用的方法標準制修訂時，注意界定標準適用范圍，避免類似標準的重復制定。硅材料的發(fā)展歷史最久、應用最廣，現(xiàn)行方法標準中有68項適用于硅材料性能的測試，占比方法標準的47.89%，而硅片幾何參數(shù)、表面質(zhì)量、顆粒、參考面長度及結(jié)晶學取向等測試方法同樣適用于其他半導體晶片，這類性能的測試可通過修訂原有標準擴大適用范圍實現(xiàn)，避免重復制定新的標準。另外，硅材料的某些技術指標關注的較早，比如硅片表面金屬、光澤度的測試都已申報方法標準，相應方法原理也適用于其他材料，但目前其他半導體晶片對此類指標關注較少，這類標準在初次制定時可限定為硅片，但應申報單獨的標準，方便后續(xù)修訂時擴大適用對象。

最后，由于半導體材料跨行業(yè)、跨領域，存在部分已發(fā)布標準重復交叉的問題，這類標準應擇機整合。例如，GB/T 24582-2009《酸浸取 電感耦合等離子質(zhì)譜儀測定多晶硅表面金屬雜質(zhì)》與GB/T 29849-2013《光伏電池用硅材料表面金屬雜質(zhì)含量的電感耦合等離子體質(zhì)譜測量方法》都可用于多晶硅表面金屬雜質(zhì)含量的測試，測試方法都采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，可以擇機合并為一個項目。

5 管理標準

管理標準是根據(jù)我國半導體材料的發(fā)展需要建立的，目前主要圍繞安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、資源再生以及綠色制造開展。已發(fā)布標準共有15項，涉及硅材料8項、鍺材料7項；在研標準共有7項，涉及硅材料3項、鍺材料1項、化合物半導體2項、原輔材料1項，具體包括綠色制造5項、安全生產(chǎn)1項、能耗限額1項。

半導體材料與傳統(tǒng)的有色、冶金、建材等原材料行業(yè)相比，規(guī)模較小，管理標準的制定只需緊跟行業(yè)的需求適時提出，不必過多追求標準數(shù)量，避免出現(xiàn)發(fā)布后的標準束之高閣的問題。

6 結(jié)語

行業(yè)發(fā)展及應用市場的需求、產(chǎn)業(yè)政策的扶持，正在加速我國半導體產(chǎn)業(yè)鏈的全面升級，國內(nèi)半導體材料正在以破解卡脖子、補短板、國產(chǎn)替代為主要方向大力推進。總體而言，現(xiàn)行的標準體系與半導體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基本一致，為了更好的優(yōu)化標準體系結(jié)構，發(fā)揮標準的規(guī)范、引領作用，提出以下幾點建議：

（1）在已有標準體系基礎上，區(qū)分國家、行業(yè)、團體標準的定位，協(xié)調(diào)行業(yè)標準的歸口問題，加速布局半導體材料領域的行業(yè)標準、團體標準。目前已發(fā)布標準中，行業(yè)標準占比27.28%，團體標準占比7.03%，一方面，國家標準立項要求愈發(fā)嚴格，數(shù)量越來越少，而半導體材料由于跨行業(yè)存在行業(yè)標準歸口爭議問題，另一方面，國內(nèi)已成立多個半導體聯(lián)盟，如中關村天合寬禁帶半導體技術創(chuàng)新聯(lián)盟、第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，都有涉足半導體材料的團體標準。急需在現(xiàn)有標準體系的優(yōu)勢基礎上，做好不同類型標準的定位，積極協(xié)調(diào)解決行業(yè)標準歸口問題，加強與各產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的合作溝通，加快行業(yè)、團體標準的推進。

（2）加大半導體材料標準的宣貫實施力度，搭建標準技術交流平臺，擴大標準影響力。在標準發(fā)布后，實施成為標準化工作的中心任務，是標準能否取得成效、實現(xiàn)其預定目的之關鍵，目前的半導體材料標準實施存在宣貫力度不夠、經(jīng)驗不足，實施情況不明確的問題。需要將標準的宣貫工作常態(tài)化，通過召開宣貫會、應用研討會，錄制標準宣貫視頻，調(diào)研以及發(fā)放調(diào)查表等多種形式，對重要標準釋義解讀，推動標準的有效實施，為提升標準化服務水平提供有力支撐。

（3）具體標準方面，已發(fā)布的標準按材料屬性分，除6項通用標準外，共包含硅材料標準105項，鍺材料標準38項，化合物半導體標準44項，半金屬標準16項，原輔材料及副產(chǎn)品標準33項，其中硅材料占比43.39%，原輔材料及副產(chǎn)品標準中更是有29項都是硅材料領域，而化合物半導體材料僅占比18.19%。隨著化合物半導體材料技術的成熟和市場規(guī)模的擴大，需要緊跟產(chǎn)業(yè)的變化，重點關注化合物半導體材料標準的研制，盡快完善相關標準體系。

標準體系是個整體，又是動態(tài)發(fā)展的，基礎、產(chǎn)品、方法、管理標準需要協(xié)調(diào)配套，才能推進產(chǎn)業(yè)的技術進步。本文通過對國內(nèi)標準現(xiàn)狀的梳理和分析，并結(jié)合對半導體材料標準現(xiàn)狀的了解和經(jīng)驗總結(jié)提出了未來的發(fā)展方向，半材標委秘書處也將積極、廣泛地征求標委會委員及會員單位意見，對半導體材料標準體系結(jié)構及發(fā)展思路進一步探討研究。