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半导体材料领域国外标准现状浅析论文

发布时间:2022-08-05 11:22:56 文章来源:SCI论文网 我要评论














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  摘要:半导体材料作为重要的战略性新材料,近几年在国家政策、市场需求的推动下得到了快速发展,但整体上仍然落后于国际先进水平。研究半导体材料领域国外标准有助于进一步支撑产业发展,本文分析了该领域的国际标准、国外先进标准的现状,并对普遍应用的SEMI标准进行了比对分析。
 
  关键词:半导体材料;国外标准;现状
 
  半导体材料广泛应用于通信、计算机、消费电子、工业应用、汽车电子、国防军工等众多战略性新兴产业。随着云计算、物联网、5G、人工智能等新兴应用领域的发展,中国的半导体材料在国家政策的大力支持和市场需求的有力推动下得到了稳步成长。全球半导体产业链向中国大陆的转移,更是加速了国内半导体材料的自主化需求,带动了上游材料的发展。标准是规范产品生产、检测、贸易的重要依据和技术支撑,本文详细介绍了半导体材料领域国外标准现状,并针对行业内广泛使用并认可的SEMI标准进行了对比分析。

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  1国外标准概况
 
  半导体材料是指电阻率在10-3Ω·cm~108Ω·cm、导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,主要包括元素半导体材料(含硅、锗)和化合物半导体材料(含砷化镓、磷化铟、碳化硅、氮化镓、锑化镓等)。
 
  国际标准中,国际标准化组织(ISO)、国际电信联盟(ITU)没有半导体材料对应的归口标委会以及标准,国际电工委员会(IEC)中较为相关的有IEC/TC 47半导体器件(Semiconductor devices)以及IEC/TC 82太阳光伏能源系统(Solar photovoltaic energy systems)技术委员会,二者均主要侧重半导体材料的下游应用端,国内对口TC分别为TC78全国半导体器件标准化技术委员会、TC90全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会。
 
  国外先进标准中,美国材料与试验协会(ASTM)、日本工业标准调查会(JISC)也有半导体材料标准,但数量较少,在行业内的使用也不够普及。国际半导体产业协会(SEMI)发布了百余项硅、砷化镓、磷化铟、碳化硅相关的产品、测试方法标准,是半导体行业实际意义上的“国际标准”,也是本文分析的重点。
 
  2 IEC标准
 
  国际电工委员会半导体器件标准化技术委员会(IEC/TC 47)主要进行半导体器件领域的术语及定义、机械及试验方法、晶圆级可靠性、质量、封装、接口规范等技术方向标准化工作。2019年10月第83届IEC大会上,美国代表提出成立宽禁带工作组的建议,旨在围绕第三代半导体材料与器件相关术语、试验、设计、工艺、可靠性等开展标准化工作,引导和推动第三代半导体材料的发展。目前IEC发布的半导体材料标准有4项,聚焦于碳化硅外延、氮化镓外延缺陷的分类和检测方法,具体项目见表1,其中IEC 63068-1:2019、IEC 63068-2:2019、IEC 63068-3:2020已申报转化为国家标准。
 
  3 ASTM标准
 
  美国材料与试验协会是美国致力于工业材料技术开发、标准化建设及产业链优化而建设形成的非营利组织,与半导体材料较为相关的是ASTM F01电子学(Electronics)。但F01侧重金属材料、印制电子材料的标准化建设[2],大部分半导体材料标准均转为了SEMI标准。经查询,目前ASTM在半导体材料领域的标准仅有一项,即ASTM F76-08(2016)半导体单晶电阻率、霍尔系数和霍尔迁移率的测试方法(Standard Test Methods for Measuring Resistivity and Hall Coefficient and Determining Hall Mobility in Single-Crystal Semiconductors)。
 
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  4 JIS标准
 
  日本工业标准调查会成立于1949年,是根据日本工业标准化法建立的全国性标准化管理机构,其主要任务是组织制定和审议日本工业标准(JIS)、调查和审议JIS标志指定产品和技术项目。JIS标准细分为土木建筑、一般机械、电子仪器及电器机械、汽车、铁路、船舶、钢铁、非铁金属、化学、纤维、矿山、纸浆及纸、管理系统、陶瓷、日用品、医疗安全用具、航空、信息技术、其他共19类,半导体材料归属于H-非铁金属,现行标准共有13项,具体见表2。近年来日本工业标准调查会在半导体材料领域也无新的动态,反而是日本国家委员会在IEC TC47宽禁带工作组牵头编写了多项标准。
 
  5 SEMI标准
 
  5.1 SEMI组织
 
  国际半导体产业协会主要从事传递产业主张、设立咨询委员会、举办SEMICON国际展会、推动公共政策、开展市场研究等工作。1973年为解决硅材料市场标准混乱问题,SEMI成立了标准委员会,旨在联合全球半导体应用、研究、开发单位等制定材料、设备及检测标准。
 
  SEMI自1988年起开始在中国开展业务。为了统一在半导体设备和材料领域内与SEMI开展技术和标准的交流,1993年经国家技术监督局批准,成立了“SEMI中国标准化委员会”。SEMI虽然是国际上半导体设备和材料领域内的全球性组织,却不是官方机构,2003年“SEMI中国标准化委员会”转为“全国半导体设备和材料标准化技术委员会(TC203)”,逐步不再代表中国统一对口SEMI。
 
  经过四十余年的发展,SEMI成为了国际半导体产业中知名度很高的标准组织。与国内标委会按照材料大类别进行业务划分的方式不同,部分SEMI标准按照产业链布局,比如Photovoltaic(光伏)领域中包括了原生硅料、硅片、电池片、组件以及光伏用硝酸、超薄玻璃、单晶炉内加料器等整个产业链上的材料、设备对应的标准,而这些标准在国内则对应五个乃至更多标委会。SEMI标准的这种工作模式打破了行业间的界限,一定程度上可以更好的实现上下游的融合,但在国内标准化历史背景下,不易在政府主导的国家标准、行业标准范围实现单个标委会归口某类产业链的标准体系。
 
  我国的半导体材料产业整体上还是落后于国际先进水平,尤其是一些先进半导体材料、关键测试设备等还依赖进口,所以我国在SEMI标准中的话语权不多。随着中国半导体产业尤其是光伏、LED的发展,2011年以来,SEMI先后于中国成立了光伏、HB-LED、化合物半导体领域的标准技术委员会,以扩大SEMI在中国的影响力,吸引更多的中国企业参与SEMI标准的制定。我国已经在光伏、HB-LED领域牵头制定了一些SEMI标准,比如SEMI PV74-0216《硅中氯离子含量的测定离子色谱法》、SEMI HB10-1018《HB-LED晶片制造用蓝宝石单晶规范》等。SEMI中国在国内有自己的工作人员,目前都是企业自主决定是否参与SEMI标准并直接对接SEMI中国标委会,国内TC并未实质性地参与相关工作。

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  5.2与SEMI标准的比对
 
  SEMI标准按专业方向分为18个领域,其中与半导体材料相关的主要有材料(Materials)、硅材料及工艺控制(Silicon Materials&Process Control)、光伏(Photovoltaic)、高亮度LED(HB-LED),已发布的标准分别有72项、68项、98项、13项。国内已发布半导体材料标准共270项,其中“采用”或参照SEMI标准的有77项,包括基础标准7项,方法标准54项,产品标准16项,合计占比28.52%。
 
  我国的基础标准、方法标准与SEMI标准基本一致,这样与国际接轨,有利于指导我国企业进行生产和试验研究。例如,基础标准中GB/T 16595-2019《晶片通用网格规范》、GB/T 16596-2019《确定晶片坐标系规范》、GB/T 32279-2015《硅片订货单格式输入规范》分别参照SEMI M17-1110(1015)、SEMI M20-0215、SEMI M18-0912进行编制,技术内容上基本一致。SEMI标准中的方法标准大都是由国外设备厂商牵头制定,也是为了推广相应的测试技术和设备。我国半导体材料测试用设备如ICP-MS、SIMS、TXRF等大都进口,方法标准起草过程中均会研究对应的SEMI标准,结合实际使用经验进行编制。同时,我国也有部分标准整合了SEMI标准的内容,提高了标准的适用性和可操作性,如GB/T 19921《硅抛光片表面颗粒测试方法》整合了SEMI M50-1116、SEMI M49-0918、SEMI M52-0214、SEMI M53-0219等多个标准。
 
  产品标准方面,SEMI标准中的产品技术要求较为宽泛,具体技术指标的要求大都是通过供需双方签订的供货协议或合同进行详细的规定。我国产品标准根据国内实际生产水平,结合客户需求以及国外同等产品的要求,对具体技术指标进行更为全面和详细的规定,且大都为通用产品标准,如GB/T 12964-2018《硅单晶抛光片》适用于直拉法、悬浮区熔法制备的直径不大于200 mm的硅单晶抛光片,可用于制作分立器件、功率器件以及硅外延片的衬底。实际上半导体材料的使用非常复杂,同样是200mm硅单晶抛光片,后端应用制程不同时,对抛光片的要求有明显区别,不同客户对于同样用途的抛光片也会要求不同,产品的具体技术要求都是按照客户的规格书执行,所以半导体晶片的产品标准中更多是检验方法、取样、检验结果判定这类内容在发挥标准化的作用。
 
  总体而言,SEMI标准以方法标准、基础标准为主,管理更为灵活,活跃标准的更新较快,属于市场主导的先进团体标准。但是SEMI标准并非国际标准,国内标准在编写过程中参考SEMI标准是否存在版权问题,需要再行研究确认,国标、行标中不允许引用SEMI标准更是对制定对应的国内标准提出了迫切需求。而在ISO或IEC国际标准化技术组织中制定半导体材料国际标准的难点一是如何获得半导体行业的认可,二是如何避免造成与现有SEMI标准的不一致,也是需要深入研究分析其可行性。
 
  6结语
 
  半导体应用市场的需求、产业政策的扶持,正在加速我国半导体产业链的全面升级,国内半导体材料正在以破解卡脖子、补短板、国产替代为主要方向大力推进。中美技术争端仍在持续,但长期看也必将促进中国半导体产业自主可控的战略发展。国外标准动态一定程度上反映技术发展方向,我国半导体材料标准工作需要熟悉国内外产业发展趋势,不断跟进国外标准尤其是SEMI标准的动态,及时完善我国的标准体系,促进、支撑产业的发展。归根结底,关键还是自身在半导体材料产业实力的进步,才能提升我国在半导体产业链及标准中的地位。
 
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