中国科学家创制全波段相位匹配晶体 有望满足半导体晶圆检测等领域的重大需求

• 刘明月 2023年7月14日 来源：新疆理化技术研究所 自然·光子学 1296 85
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近期，我国科学家成功创制了一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体，为整个透光范围内实现双折射相位匹配提供了新思路。该研究由中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心潘世烈团队完成，相关成果于近期在国际学术期刊《自然-光子学》在线发表。

中国科学家创制全波段相位匹配晶体 有望满足半导体晶圆检测等领域的重大需求

近期，我国科学家成功创制了一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体，为整个透光范围内实现双折射相位匹配提供了新思路。该研究由中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心潘世烈团队完成，相关成果于近期在国际学术期刊《自然-光子学》在线发表。

非线性光学晶体是获得不同波长激光的物质条件和源头。在晶体中实现应用波段相位匹配被普遍认为是重要的技术挑战之一，决定最终激光输出的功率和效率。目前有多种技术方案可供选择，其中利用晶体各向异性的双折射相位匹配技术是应用最广泛的弥补相位失配的有效途径。该方案转换效率高，但现有晶体均存在相位匹配波长损失，即可用晶体紫外截止边和最短相位匹配波长的差值表征。

该团队创制了一类新非线性光学晶体，即全波段相位匹配晶体。该类晶体基于应用广泛的双折射相位匹配技术，且可以实现对晶体材料透过范围内任意波长的相位匹配。该研究揭示了全波段相位匹配晶体的物理机制，并以此为指导获得一例非线性光学晶体(GFB)。基于晶体器件实现了193.2-266 nm紫外/深紫外激光输出，该材料193.2 nm处晶体透过率<0.02%，依然可以实现倍频激光输出，验证了其全波段相位匹配特性，使该晶体成为目前首例实现了全波段双折射相位匹配的紫外/深紫外非线性光学晶体材料。

研究结果表明，宽的相位匹配波长范围使GFB晶体透光范围得到充分应用，可实现1064 nm激光器二、三、四、五倍频高效、大能量输出，有望满足半导体晶圆检测等领域的重大需求。更重要的是，GFB可采用水溶液法生长出高质量、超大尺寸晶体，使其有望成为应用于大科学装置的新晶体材料。

从全球十大晶圆代工企业营收情况来看，由于终端市场下行导致晶圆代工市场萎靡，虽然2022年全球晶圆代工营收较2021年有所上涨，但头部晶圆代工企业第四季度营收均有明显下降。

地区来看，中国台湾企业营收占比65%，中国大陆企业占比达11%。2023年至2024年期间，中国台湾地区晶圆代工厂营收占比基本保持稳定，2024年降至64%。中国大陆企业营收占比成上升趋势，2024年预计达到12%。

据中研研究院《2023-2028年中国晶圆加工行业市场深度分析及发展潜力研究咨询报告》显示

我国主要代工行业市场规模达6.25万亿元。预计2022-2027年我国代工行业市场规模年复合增长率(CAGR)为3%,到2027年我国代工行业市场规模将达到7.46万亿元。

半导体行业协会 (SIA)公布数据显示，2023年5月全球半导体行业销售额总计407亿美元，比2023年4月的400亿美元总额增长1.7%。SIA总裁兼执行长John Neuffer表示，市况相较2022年仍低迷，但全球芯片销售额已连续三个月小幅上升，激起人们对市场在下半年反弹的乐观情绪。

此前商务部宣布对镓、锗相关物项实施出口管制，未经许可不得出口。这两种都是半导体行业中的关键材料之一，根据美国地质调查局(USGS)公布的数据，目前全球金属镓的储量约为27.93万吨，而中国的储量最多，达到19万吨，占全球储量的68%左右。相比之下，美国的储量还不到中国的1/40，只有0.45万吨。

从产量来看，中国产量占比全球镓产量最高。德国和哈萨克斯坦分别于2016年和2013年停止了镓生产，不过2021年德国宣布将在年底前重启初级镓生产，匈牙利和乌克兰分别于2015年和2019年停止镓生产。目前中国镓占比全球镓产量持续提升，截止2021年，占比全球镓产量已超90%。

经过一年努力，半导体晶圆切割技术成功实现升级，热影响降为0，崩边尺寸降至5微米以内，切割线宽可做到10微米以内。

按照生产一代、研发一代、储备一代的理念，华工激光正在研发具备行业领先水平的第三代半导体晶圆激光改质切割设备，计划今年7月推出新产品，同时也正在开发我国自主知识产权的第三代半导体晶圆激光退火设备。

从全球主要晶圆代工企业资本开支情况来看，2022年台积电贡献了行业一半以上的资本开支，但其两次减少全年资本支出的预算，由年初的440亿美元减到最终的360亿美元。2022年下半年开始，全球晶圆代工行业扩产开始放缓，资本支出普遍调低。

全球晶圆代工厂8寸晶圆年均产能将新增约6%，12寸晶圆将年增约14%，其中12寸晶圆新增产能逾半为现今最为短缺的成熟制程。近年来，电子科技消费级应用领域的不断发展以及世界范围内人口消费水平不断提高，消费电子市场终端产品领域在市场容量和品类广度上不断发展延伸。

根据SEMI(国际半导体产业协会)数据，2022年中国晶圆厂商半导体设备国产化率较2021年明显提升，从21%提升至35%;国内半导体设备在去胶、清洗、热处理、刻蚀及CMP领域内国产替代率较高，均高于30%，但在光刻机、离子注入机等领域国产化率合计不足5%。如今国产厂商在高端装备上再次实现重要突破，具有重要意义。

从晶圆加工市场规模来看，中国晶圆加工市场规模一直保持增长。晶圆代工行业报告对中国晶圆代工行业的发展现状、竞争格局及市场供需形势进行了具体分析，并从行业的政策环境、经济环境、社会环境及技术环境等方面分析行业面临的机遇及挑战。还重点分析了重点企业的经营现状及发展格局，并对未来几年行业的发展趋向进行了专业的预判。

更多行业消息,可以点击查看中研普华产业研究院出版的《2023-2028年中国晶圆加工行业市场深度分析及发展潜力研究咨询报告》。

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