硅是集成电路产业最重要的基础材料。在如今这个信息时代，我们生活中每天使用的手机、电脑、家电、汽车甚至是大飞机，都离不开由硅经过数道工序之后制成的半导体芯片。目前，中国已是全世界半导体芯片用量最多的国家，而自主生产的能力却接近为零，市场几乎全部被国外企业垄断。
想要改变芯片全靠进口的现状，其原料生产必须先一步实现国产化，为此，国家启动了“大硅片国产化”重大科技专项。南京开发区兴智科技园内一家初创企业——南京晶能半导体科技有限公司瞄准了这一机遇，在国内率先研制出“12英寸半导体单晶硅炉”，并在与国外同类设备的竞争中胜出，成为“大硅片国产化”项目中生产制造硅原料的关键设备。
创业之初，造出国内最大容量蓝宝石单晶炉
由硅晶圆“变身”为各种尺寸的半导体元器件，这中间需要复杂的数个工艺步骤，而南京晶能攻克的是产业链最源头的“长晶”工艺，他们研发的是一座用于“晶体生长”的炉子，俗称“长晶炉”。
“之所以擅长做这个，与我们来南京创业之初选择的蓝宝石长晶市场密不可分。”南京晶能总经理吴春生告诉记者，他们的创业团队以海归为主，早在2012年就瞄准蓝宝石单晶体在LED和智能手机领域被广泛应用的市场前景，在南京开发区注册成立了南京晶升能源设备有限公司。
南京晶升董事长李辉介绍，他们的创业团队中拥有多名具有丰富半导体单晶炉设计和工艺开发经验的国际顶尖专家，在全世界晶体材料领域科研水平最高的美国纽约州设立了海外研发中心。专家们将最先进的热场设计和晶体生长控制技术，移植到蓝宝石材料的晶体生长中，在国内首家研制出了85公斤级蓝宝石单晶炉，与国外同类产品相比，售价低了近一半。
此后，在85公斤长晶炉的基础上，南京晶升又成功造出120公斤蓝宝石长晶炉，目前已获得7项发明专利、16项实用新型专利，另外还有10多项专利在申请中。这些都为这家初创时间不长的高科技企业进军半导体单晶生长领域奠定了基础。
瞄准“大硅片国产化”科技专项展开新一轮研发
为什么要推动半导体芯片国产化？一个数据就可以说明问题，目前我国每年购买进口芯片的花费高达2000多亿美金，甚至已经超过原油的进口额。芯片制造受制于人，不仅将直接阻碍我国集成电路产业的发展，对于信息安全也是巨大的隐患。当前，我国硅片用量已是世界第一，其中12英寸大硅片的月需求量将超过100万片，可国内半导体企业的供应量几乎为零。正是重视到这一产业链上的薄弱环节，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》确定了16个重大专项，“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”位列其中。
“2014年时，我们从客户那里听说‘大硅片国产化’项目即将启动的消息，重点是制造40—28纳米的12英寸大硅片，当即就将此认定为新一轮研发的方向。”李辉说，“经过与国外专家团队的会商，我们认为蓝宝石长晶技术与半导体硅长晶炉的核心技术平台是一致的，专家们运用模拟软件对整个热场涉及、局部气流控制、内部磁力线分布等对晶体生产影响因素做了大量运算和验证，经过两年研发，终于研制出适合12英寸半导体晶圆制造的、高性价比的单晶生长设备。”
使用南京晶能研制的“长晶炉”，一次可生产出一根1.5米长的粗大硅棒，切割成1500片直径12英寸、1毫米厚的硅片，下游企业可直接用于半导体元器件的生产，而12英寸硅片是目前生产各品牌手机、电脑及各类存储设备芯片必须的原料。
超越进口设备，为“大硅片国产化项目”制造原料
想要改变半导体芯片完全依赖进口的现状，解决硅原料的国产化是第一步。南京晶能在国内率先研制出了帮助硅片生产国产化的关键设备，然而想让市场接受一家初创企业研制的国产设备，开始必然困难重重。
“我们的第一个客户是来自上海的新晟半导体，他们是目前国内唯一商业化12英寸半导体级硅片制造商，承担了国家科技专项28纳米12英寸大硅片国产化项目。去年下半年，新晟采购了3台设备，两台来自韩国，一台是我们制造的。”李辉介绍，“客户一开始还是有些将信将疑，专门到美国看了我们的海外研发中心，最终同意给我们试一试的机会。”
去年9月，南京晶能研制的国内首台12英寸350KG半导体单晶硅炉交付客户使用，连续数月稳定运行，其技术先进性、使用节能性等指标甚至超越了国外设备，性价比更高。很快，南京晶能收到了新晟的第二张订单，新的两台设备最近即将交付。根据新昇的计划，累计要装机超过60台，与南京晶能的后续订单还在洽谈中。
“目前，我们正配合客户进行硅片认证的工艺化改善，未来还将通过不断的技术改进和自主研发，为大硅片国产化项目作出更大的贡献。”李辉说。
本报记者张璐
本报通讯员何晓进文天兴
