- 中国科协重大科学问题和工程技术难题征集评选系统

大尺寸半导体硅单晶品质管控理论与技术

半导体硅单晶直拉法晶体生长控制理论品质管控技术

硅单晶材料在集成电路产业链中占据首要地位，硅单晶的品质对集成电路芯片性能有着重要的影响。硅单晶制备过程是多场耦合、多相变、大空间、高温、高真空、高洁净的精密生产过程，此过程决定了硅单晶的品质。如何在复杂的制备过程中，通过调控宏观工艺参数，实现对硅单晶微观品质的精准管控，是硅单晶制备产业界和学术界持续关注的难题。通过发展新理论、研究新方法、形成新工艺，实现对硅单晶生长过程及品质的有效管控，达到稳定提升硅单晶材料品质的目的，以满足不断演进的集成电路芯片制程要求。这项技术对建立和发展我国半导体硅单晶产业，实现生产过程的科学化、高效化、实用化，形成市场竞争优势具有重要的理论价值和现实意义。半导体硅单晶是制造集成电路芯片最重要的基础性材料，90%以上的集成电路芯片都是制作在硅单晶上，硅单晶的制备在集成电路产业链中占据首要地位。半导体硅单晶的品质主要包括：直径尺寸、长度等宏观品质；氧碳含量、晶体缺陷、杂质浓度等微观指标，这些决定了硅单晶制备效率和后端集成电路芯片的性能，同时，也反映了一个国家集成电路产业的发展水平。目前，半导体硅单晶材料制备产业仍具有高度集中的特点，以直径12英寸硅片为例，日、德、韩等境外5家企业占据90%以上的全球市场份额，形成了世界范围的垄断。代表当今集成电路芯片主流制造水平的20nm及以下制程工艺所要求的高品质、大尺寸半导体硅片，我国主要依赖进口。半导体硅单晶材料从技术研发、产业生产到市场销售具有投资规模大、建设周期长、技术门槛高、产业垄断强的突出特点，成为制约我国集成电路产业发展的关键壁垒之一。

推荐机构：中国自动化学会

2024年度

如何解决稀土基体中痕量杂质的高效分离问题，突破高纯稀土材料工程化制备技术及装备？

高纯稀土化合物高纯稀土金属提纯工程化

稀土元素因其特殊的4f亚层电子结构，呈现出丰富而独特的磁、光、电、催化等功能性质，被誉为“现代工业维生素”和“21世纪新材料宝库”，已成为全球公认的重要战略资源。高纯稀土材料作为稀土功能材料的基础物质保障，可以确保从原子、电子层次研究稀土材料组织结构与性能关系，体现稀土元素本征性质。随着稀土在高科技领域的开发应用研究不断取得重大突破，稀土功能材料对稀土材料的纯度提出了更高的要求。例如大功率光纤激光器要求镱等稀土化合物纯度达到5N-6N；闪烁晶体要求镧、铈等稀土卤化物纯度大于4N且水、氧含量<50ppm；集成电路、5G通信等用高纯稀土金属靶材要求稀土金属纯度达到4N5以上。另外，不同应用对高纯稀土材料中的痕量杂质要求提出特殊要求。稀土元素之间结构、物化性能相似，分离系数小；且碱土、过渡族金属与稀土某些性质非常相似，提纯难度大。国外以日本、美国、英国为主，掌握了高纯稀土材料制备核心技术，稀土化合物纯度达到5N~6N，稀土金属提纯达到4N5~5N级，并实现稳定批量，但其技术和超高纯稀土产品均对我国严格封锁。目前，我国在高纯稀土制备方面与国外还存在较大差距。例如，在稀土化合物方面，国内可以大规模生产3N-4N稀土氧化物，但5N稀土氧化物仅少数厂家生产，大部分杂质元素如Fe、Al、Ca、Si等含量难以控制到1ppm以下；国内高纯稀土卤化物尚处于产业化起步阶段，仅基本掌握4N级高纯无水稀土卤化物制备技术，产品种类少，水、氧杂质含量难以控制到50ppm以下，敏感放射性杂质含量缺乏有效控制手段；在稀土金属方面，我国近年来实现了16种4N级超高纯稀土金属提纯技术的突破，并开展4N5级高纯稀土金属的提纯技术研究，但对于高端应用场景，现有的技术手段对于ppb级的痕量杂质去除效果差，生产效率低、成本高，4N5级高纯稀土金属难以批量化生产。为保障我国高端装备、电子信息、国防军工等领域关键核心材料的自主可控，针对目前高纯稀土提纯工艺流程复杂，装备规模小、提纯效率低、制备周期长等问题，如何解决稀土基体中痕量杂质的高效分离问题，突破5N~6N超高纯稀土化合物、4N5~5N级高纯稀土金属工程化制备技术和关键敏感杂质痕量去除技术，开发精准控制的大型高效提纯新装备是亟待解决的重大工程技术难题。稀土元素之间结构、物化性能相似，分离系数小；碱土、过渡族金属与稀土某些性质非常相似，提纯难度大。国外以日本、美国、英国为主，掌握了高纯稀土材料制备技术，且对我国严格封锁，稀土化合物纯度达到5N~6N，稀土金属提纯达到4N5~5N级，并实现稳定批量。国产稀土化合物及金属产品纯度及规模化制备水平仍低于国外。为保障我国高端装备、电子信息、国防军工等领域关键核心材料的自主可控，针对目前高纯稀土提纯工艺流程复杂，装备规模小、提纯效率低、制备周期长等问题，开发5N~6N超高纯稀土化合物、4N5~5N级高纯稀土金属批量稳定制备技术和关键敏感杂质痕量去除技术，开发精准控制的大型高效提纯新装备是亟待解决的重大工程技术难题。

推荐机构：中国有色金属学会

2023年度

如何实现全固态锂金属电池的工程化应用？

全固态锂金属电池工程化应用高能量密度高安全性

全固态锂金属电池使用高电导率的全固态电解质膜来代替传统锂离子电池中的聚合物隔膜及电解液，并使用锂金属负极来代替低能量密度的石墨负极，拥有当前锂离子电池体系无法比拟的能量密度及安全性优势，非常有潜力成为下一代高性能电化学储能设备，推动交通电气化及低碳经济的发展。目前，全固态锂金属电池在原材料开发、电芯设计、生产工艺、智能制造、系统测试等环节还面临着诸多突出难题，还没有任何一种固态电解质能够满足全固态锂金属电池的所有要求，也没有任何一家机构宣称已成功制造出商用规模的全固态锂金属电池，全固态锂金属电池的工程化还处在萌芽阶段。通过国家的战略统筹，加速解决如何实现全固态锂金属电池的工程化应用问题，不仅是我国科学技术进步的象征，推动低碳经济发展的必然需求，也是稳固我国在储能领域国际领先地位的坚实保障。

推荐机构：中国汽车工程学会

2022年度

如何制造桌面级的微小型反应堆电池？

严寒地区防护暖棚混凝土结构大型模块

核能最大特点是能级密度高，小型核动力装置具有不可替代的优势，将传统的核电和核动力反应堆微小型化是近期国内外研究的热点。但是目前技术只能做到车载级别微小型反应堆，如何将反应堆动力装置进一步微小型化是一个迫切和重大的工程技术难题。目前以西屋公司eVinci和美国NASA的kiloPower为代表的微小型反应堆均采用了热管式反应堆形式。热管反应堆是将热管技术与微型反应堆相结合的能量传输系统，其一般采用整体式固态堆芯，核燃料元件与热管同时安装在固体基体上。通过将热管插入反应堆堆芯，可实现从堆芯到热电转换装置的“静态”能量传输，取消了传统反应堆系统中（如泵相关）活动部件，从而大大提高其可靠性。但是受到反应堆临界，物理，热电转换装置的限制，热管式反应堆很难再进一步缩小。有必要对微小型堆进一步创新，如将堆芯与热管进一步融为一体，利用碱金属做为冷却介质，同时与AMTEC碱金属热电转换技术耦合即可超越现有微小型反应堆，实现桌面级的微小型反应堆电池。

推荐机构：中国核学会、中国能源研究会

2021年度