对于半导体硅片，相信大家都略有了解。今天我们就来聊聊我国在硅片制造技术上有何表现。不可否认的是，我国的硅片及芯片制造行业还有很长的路要走。


科技腾飞 后来居上的中国光伏

芯片制造只能用结构有序的单晶硅，但高纯度多晶硅却并非无用之物，较高纯度的多晶硅可以用来制作太阳能电池板与相关组件，与之相关的行业正是我国领先全球的行业——光伏产业。

相较于欧美、日本等发达国家，中国是光伏产业的后来者，但中国却用了十几年的时间实现这一领域从培育期、成长期到成熟期的追赶和超越，不可不谓科技腾飞的典范。

目前，中国已经成为世界太阳能发电的龙头，拥有全球最大光伏发电全产业链集群、最大应用市场、最大投资国、最多发明和应用专利和最大产品出口国等一系列桂冠。

在 2019 年，中国多晶硅产能占全球总产能的 69.2%，稳居世界第一。

我国光伏产业之所以能够发展的如此迅速，离不开国家十多年来的政策扶持。

为了响应《巴黎协定》，我国提出了“碳中和”“碳达峰”的号召，而光伏发电正是绿色清洁能源的典范。在我国大力支持光伏产业的政策利好环境下，产业内的光伏发电迅速发展。

2013 年，全国光伏发电量仅为 91 亿千瓦时，到 2019 年，全国光伏发电量已达 2238 亿千瓦时，较 2018 年增长 26.08%。

到了 2020 年底，全国光伏发电量达到 2605 亿千瓦时，较 2019 年增长 16.4%。

中国以实际行动向世界展示着大国风度。


稍显低迷 受限于成本的芯片半导体行业

相较于光伏半导体行业的鼎盛，我国芯片半导体行业则稍显低迷。半导体硅片作为半导体材料中成本占比最高的部分，在芯片产业链发挥着最关键的作用。

从成本占比来看，硅片在半导体材料中市场占比达到 37%，为第一大半导体材料。

从产业链地位来看，硅片作为半导体产业链的起点，直接影响芯片的制造质量，因此，硅片制造业有着举足轻重的地位。

而硅片的应用与硅片尺寸密切相关。

12 英寸硅片通常用于集成电路先进制程，例如智能手机处理器、电脑的 CPU 和显卡、人工智能、储存芯片等高新领域。

8 英寸硅片主要制造电源管理器、MEMS、显示驱动与指纹识别的芯片。无论是物联网，还是汽车电子都需要它的技术支撑。

6 英寸硅片则主要涉及功率器件、分立器件等常用领域。

通过以上梳理，我们会发现，越是先进工艺的芯片，其所用的硅片尺寸也越大。

根据尺寸大小的不同，硅片可分为50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）及300mm（12英寸）。英寸为硅片的直径，目前8英寸和12英寸硅片为市场最主流的产品。

8英寸硅片主要应用在90nm-0.25μm制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在90nm以下的制程中，主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。“大尺寸”为硅片主流趋势。硅片越大，单个产出的芯片数量越多，制造成本越低，因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。

硅片是芯片的起点，2021年全球半导体硅片市场规模达140亿美元，行业高度集中，CR5市场份额接近90%。硅片是用量最大的半导体材料，90%以上的半导体产品使用硅片制造。

随着5G、新能源、AIoT的快速渗透，2021年半导体行业迎来超级景气周期，硅片需求持续旺盛，全球半导体硅片出货面积达142亿平方英寸，同比增长14%，市场规模达140亿美元。半导体行业周期性波动导致硅片需求周期性波动，硅片行业并购整合不断，行业竞争格局高度集中，前5大厂商市场份额接近90%。

硅片新增产能释放需到2024年，短期供需有望持续偏紧，长期LTA有助稳量稳价。硅片扩产周期在2年以上，全球12英寸硅片在2020年之前主要依靠原有厂房进行产能扩充，新建厂房产能释放的高峰将在2024年之后，2022和2023年全球12英寸硅片仍将处于供不应求的状态。本次产能扩张，下游晶圆厂与硅片厂商积极绑定，通过长期合约保障供应链稳定。


为何芯片越先进所需硅片越大？

这并不是因为什么高深的原理，溯其根本，只有两个字——成本。芯片是矩形，这是基于成本的考量。

由于从硅片上切割出圆形芯片并非易事，同时也会造成对边角量的大量浪费，因而将芯片做成矩形，会使边角量浪费最少。

晶圆是圆形，也是为了控制成本。经由直拉法（CZ 法）或悬浮区熔法（FZ 法）所制作出的硅棒是圆柱，圆形也最方便打磨，浪费最少。

另外，同对角线长度下圆形面积更大，无论怎么划分大小，圆形最后分切出来的芯片一定比方形的多或相等。

圆形硅片还与后续的光刻等工艺不谋而合，而如果选择方形，光刻胶旋涂的均匀性会成问题，易导致更多的浪费，在圆形硅片上做矩形芯片反而很“般配”。

当然，虽然已经非常节约，但硅片边缘内侧区域还是会存在浪费。

如何尽可能地减小浪费呢？这就需要用到高数知识——微积分。

只要晶圆足够大，芯片足够小，拼起来的边缘就会逐渐向圆形逼近了，这就是数学的力量。

诸如电脑 CPU 这样的芯片，每一枚的成本都不菲，厂商自然会选择用一次流程制作足够多的芯片的形式，以保证足够的良品率。

如果选择小尺寸硅片制作高端芯片，成本可以说是他们“无法承受之重”了。

国产大硅片发展现状

半导体硅片是芯片制造最重要的材料，也是半导体产业的基石。而大硅片，通常指的是12英寸的硅片。而在摩尔定律的影响下，为了降低芯片成本，硅片越大越好，硅片直径越大，在单片硅片上可生产的芯片数量就越多，边缘损失的部分越小，单颗芯片的成本也就越低。

据2021年数据显示，在全球硅片市场上，日本信越化学、环球晶圆、德国世创、日本胜高、韩国SK Siltron、Soitec这6大厂商拿走了全球92%左右的份额。

相比之下，中国大陆的硅片厂商市场份额较小，且主要以200mm（8英寸）及以下尺寸的硅片为主，很少有能够生产300mm（12英寸）硅片的本土厂商，而7nm及以下先进制程芯片主要需求便是12英寸硅片。

而在国际市场中，12英寸硅片早已成为主流。据SEMI数据显示，2019年，全球300mm硅片出货面积占比已经达到67.22%。

直到2017年，张汝京博士创办的上海新昇（现为沪硅产业子公司）首次实现12英寸硅片量产，打破了国际巨头对大硅片的垄断。如今，沪硅产业表示，其12英寸大硅片已可用于28nm制程的芯片制造。

数据显示，2021年沪硅产业占全球份额仅为2.2%，而国内所有厂商合计占比也不超过5%。除了沪硅产业以外，还有如超硅半导体、中欣晶圆、奕斯伟、立昂微、中环股份等，都已经实现了300mm硅片的量产，而有研硅正在建设300mm硅片产线，这都是国内大硅片的中坚力量。

硅片本身技术难度极高，必须具备高标准的纯净度，硅片表面高度落差需要小于1nm，微颗粒小于1nm，杂质含量小于百亿分之一，并且随着制程的推进，对芯片缺陷密度、缺陷尺寸的容忍度也在不断降低，未来质量要求也将更趋严格。在这种严苛的标准下，硅片越大，难度也在呈几何倍上升。

好消息是，目前本土硅片厂商不仅为中芯国际、华虹、华力微、长江存储等中国大陆厂商供货，也走向了全球，包括台积电、格罗方德、意法半导体、联电等都已经有用到中国大陆厂商所生产的大硅片。

目前生产情况来看，数据显示，沪硅集团300mm硅片产能为30万片/月，中环股份为17万片/月，立昂微为15万片/月，中欣晶圆为20万片/月，奕斯伟可达到50万片/月。此外，还有媒体消息显示，如超硅半导体的300mm硅片产业达到30万片/月。

扩产情况上，有研硅显示2020年底已经开建300mm硅片项目，已开工产能达到30万片/月，而沪硅产业预计将新增30万片/月的大硅片产能，预计在2024年投产。中环股份则计划在2023年底实现60万片/月的300mm硅片产能。奕斯伟的硅产业基地二期项目也正在建设当中。

因此，据不完全统计，当前国产300mm硅片产能合计已经超过了162万片/月，随着沪硅产业、中环股份、奕斯伟的厂商新产线的投产后，国产12英寸硅片产能将超过265万片/月。

这波扩产浪潮一方面是由于国内市场需求旺盛所致，另一方面受到2020年下半年全球缺锌影响，包括日本胜高、信越化学等硅片大厂纷纷涨价，让国内的半导体产业链陷入被动。而随着大陆硅片厂商的进入，让国内产业链有了更多的主动权。

总结

中国从来就不是服输的国家，自古以来流淌在中国人血脉中的精神是不懈拼搏。如今，硅片对中国而言，就像十几年前的光伏对中国而言一样，道阻且长。

十几年前，我国的光伏产业同样面临的发展难题，但十几年后的今天，我国已然成为世界太阳能发电的龙头，拥有全球最大的光伏产业群。

我们可以大胆的畅想一番，如今中国光伏在全球的占比怎样，那么十几年后的中国硅片在全球范围内的影响又将如何呢？让我们拭目以待吧。