對(duì)于半導(dǎo)體硅片，相信大家都略有了解。今天我們就來(lái)聊聊我國(guó)在硅片制造技術(shù)上有何表現(xiàn)。不可否認(rèn)的是，我國(guó)的硅片及芯片制造行業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走。


科技騰飛 后來(lái)居上的中國(guó)光伏

芯片制造只能用結(jié)構(gòu)有序的單晶硅，但高純度多晶硅卻并非無(wú)用之物，較高純度的多晶硅可以用來(lái)制作太陽(yáng)能電池板與相關(guān)組件，與之相關(guān)的行業(yè)正是我國(guó)領(lǐng)先全球的行業(yè)——光伏產(chǎn)業(yè)。

相較于歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)是光伏產(chǎn)業(yè)的后來(lái)者，但中國(guó)卻用了十幾年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)這一領(lǐng)域從培育期、成長(zhǎng)期到成熟期的追趕和超越，不可不謂科技騰飛的典范。

目前，中國(guó)已經(jīng)成為世界太陽(yáng)能發(fā)電的龍頭，擁有全球最大光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈集群、最大應(yīng)用市場(chǎng)、最大投資國(guó)、最多發(fā)明和應(yīng)用專利和最大產(chǎn)品出口國(guó)等一系列桂冠。

在 2019 年，中國(guó)多晶硅產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能的 69.2%，穩(wěn)居世界第一。

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)之所以能夠發(fā)展的如此迅速，離不開國(guó)家十多年來(lái)的政策扶持。

為了響應(yīng)《巴黎協(xié)定》，我國(guó)提出了“碳中和”“碳達(dá)峰”的號(hào)召，而光伏發(fā)電正是綠色清潔能源的典范。在我國(guó)大力支持光伏產(chǎn)業(yè)的政策利好環(huán)境下，產(chǎn)業(yè)內(nèi)的光伏發(fā)電迅速發(fā)展。

2013 年，全國(guó)光伏發(fā)電量?jī)H為 91 億千瓦時(shí)，到 2019 年，全國(guó)光伏發(fā)電量已達(dá) 2238 億千瓦時(shí)，較 2018 年增長(zhǎng) 26.08%。

到了 2020 年底，全國(guó)光伏發(fā)電量達(dá)到 2605 億千瓦時(shí)，較 2019 年增長(zhǎng) 16.4%。

中國(guó)以實(shí)際行動(dòng)向世界展示著大國(guó)風(fēng)度。


稍顯低迷 受限于成本的芯片半導(dǎo)體行業(yè)

相較于光伏半導(dǎo)體行業(yè)的鼎盛，我國(guó)芯片半導(dǎo)體行業(yè)則稍顯低迷。半導(dǎo)體硅片作為半導(dǎo)體材料中成本占比最高的部分，在芯片產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)揮著最關(guān)鍵的作用。

從成本占比來(lái)看，硅片在半導(dǎo)體材料中市場(chǎng)占比達(dá)到 37%，為第一大半導(dǎo)體材料。

從產(chǎn)業(yè)鏈地位來(lái)看，硅片作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的起點(diǎn)，直接影響芯片的制造質(zhì)量，因此，硅片制造業(yè)有著舉足輕重的地位。

而硅片的應(yīng)用與硅片尺寸密切相關(guān)。

12 英寸硅片通常用于集成電路先進(jìn)制程，例如智能手機(jī)處理器、電腦的 CPU 和顯卡、人工智能、儲(chǔ)存芯片等高新領(lǐng)域。

8 英寸硅片主要制造電源管理器、MEMS、顯示驅(qū)動(dòng)與指紋識(shí)別的芯片。無(wú)論是物聯(lián)網(wǎng)，還是汽車電子都需要它的技術(shù)支撐。

6 英寸硅片則主要涉及功率器件、分立器件等常用領(lǐng)域。

通過以上梳理，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，越是先進(jìn)工藝的芯片，其所用的硅片尺寸也越大。

根據(jù)尺寸大小的不同，硅片可分為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）。英寸為硅片的直徑，目前8英寸和12英寸硅片為市場(chǎng)最主流的產(chǎn)品。

8英寸硅片主要應(yīng)用在90nm-0.25μm制程中，多用于傳感、安防領(lǐng)域和電動(dòng)汽車的功率器件、模擬IC、指紋識(shí)別和顯示驅(qū)動(dòng)等。12英寸硅片主要應(yīng)用在90nm以下的制程中，主要用于邏輯芯片、儲(chǔ)存器和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域?！按蟪叽纭睘楣杵髁髭厔?shì)。硅片越大，單個(gè)產(chǎn)出的芯片數(shù)量越多，制造成本越低，因此硅片廠商不斷向大尺寸硅片進(jìn)發(fā)。

硅片是芯片的起點(diǎn)，2021年全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模達(dá)140億美元，行業(yè)高度集中，CR5市場(chǎng)份額接近90%。硅片是用量最大的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品使用硅片制造。

隨著5G、新能源、AIoT的快速滲透，2021年半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)超級(jí)景氣周期，硅片需求持續(xù)旺盛，全球半導(dǎo)體硅片出貨面積達(dá)142億平方英寸，同比增長(zhǎng)14%，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)140億美元。半導(dǎo)體行業(yè)周期性波動(dòng)導(dǎo)致硅片需求周期性波動(dòng)，硅片行業(yè)并購(gòu)整合不斷，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局高度集中，前5大廠商市場(chǎng)份額接近90%。

硅片新增產(chǎn)能釋放需到2024年，短期供需有望持續(xù)偏緊，長(zhǎng)期LTA有助穩(wěn)量穩(wěn)價(jià)。硅片擴(kuò)產(chǎn)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廠房進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)充，新建廠房產(chǎn)能釋放的高峰將在2024年之后，2022和2023年全球12英寸硅片仍將處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。本次產(chǎn)能擴(kuò)張，下游晶圓廠與硅片廠商積極綁定，通過長(zhǎng)期合約保障供應(yīng)鏈穩(wěn)定。


為何芯片越先進(jìn)所需硅片越大？

這并不是因?yàn)槭裁锤呱畹脑?，溯其根本，只有兩個(gè)字——成本。芯片是矩形，這是基于成本的考量。

由于從硅片上切割出圓形芯片并非易事，同時(shí)也會(huì)造成對(duì)邊角量的大量浪費(fèi)，因而將芯片做成矩形，會(huì)使邊角量浪費(fèi)最少。

晶圓是圓形，也是為了控制成本。經(jīng)由直拉法（CZ 法）或懸浮區(qū)熔法（FZ 法）所制作出的硅棒是圓柱，圓形也最方便打磨，浪費(fèi)最少。

另外，同對(duì)角線長(zhǎng)度下圓形面積更大，無(wú)論怎么劃分大小，圓形最后分切出來(lái)的芯片一定比方形的多或相等。

圓形硅片還與后續(xù)的光刻等工藝不謀而合，而如果選擇方形，光刻膠旋涂的均勻性會(huì)成問題，易導(dǎo)致更多的浪費(fèi)，在圓形硅片上做矩形芯片反而很“般配”。

當(dāng)然，雖然已經(jīng)非常節(jié)約，但硅片邊緣內(nèi)側(cè)區(qū)域還是會(huì)存在浪費(fèi)。

如何盡可能地減小浪費(fèi)呢？這就需要用到高數(shù)知識(shí)——微積分。

只要晶圓足夠大，芯片足夠小，拼起來(lái)的邊緣就會(huì)逐漸向圓形逼近了，這就是數(shù)學(xué)的力量。

諸如電腦 CPU 這樣的芯片，每一枚的成本都不菲，廠商自然會(huì)選擇用一次流程制作足夠多的芯片的形式，以保證足夠的良品率。

如果選擇小尺寸硅片制作高端芯片，成本可以說是他們“無(wú)法承受之重”了。

國(guó)產(chǎn)大硅片發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體硅片是芯片制造最重要的材料，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石。而大硅片，通常指的是12英寸的硅片。而在摩爾定律的影響下，為了降低芯片成本，硅片越大越好，硅片直徑越大，在單片硅片上可生產(chǎn)的芯片數(shù)量就越多，邊緣損失的部分越小，單顆芯片的成本也就越低。

據(jù)2021年數(shù)據(jù)顯示，在全球硅片市場(chǎng)上，日本信越化學(xué)、環(huán)球晶圓、德國(guó)世創(chuàng)、日本勝高、韓國(guó)SK Siltron、Soitec這6大廠商拿走了全球92%左右的份額。

相比之下，中國(guó)大陸的硅片廠商市場(chǎng)份額較小，且主要以200mm（8英寸）及以下尺寸的硅片為主，很少有能夠生產(chǎn)300mm（12英寸）硅片的本土廠商，而7nm及以下先進(jìn)制程芯片主要需求便是12英寸硅片。

而在國(guó)際市場(chǎng)中，12英寸硅片早已成為主流。據(jù)SEMI數(shù)據(jù)顯示，2019年，全球300mm硅片出貨面積占比已經(jīng)達(dá)到67.22%。

直到2017年，張汝京博士創(chuàng)辦的上海新昇（現(xiàn)為滬硅產(chǎn)業(yè)子公司）首次實(shí)現(xiàn)12英寸硅片量產(chǎn)，打破了國(guó)際巨頭對(duì)大硅片的壟斷。如今，滬硅產(chǎn)業(yè)表示，其12英寸大硅片已可用于28nm制程的芯片制造。

數(shù)據(jù)顯示，2021年滬硅產(chǎn)業(yè)占全球份額僅為2.2%，而國(guó)內(nèi)所有廠商合計(jì)占比也不超過5%。除了滬硅產(chǎn)業(yè)以外，還有如超硅半導(dǎo)體、中欣晶圓、奕斯偉、立昂微、中環(huán)股份等，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了300mm硅片的量產(chǎn)，而有研硅正在建設(shè)300mm硅片產(chǎn)線，這都是國(guó)內(nèi)大硅片的中堅(jiān)力量。

硅片本身技術(shù)難度極高，必須具備高標(biāo)準(zhǔn)的純凈度，硅片表面高度落差需要小于1nm，微顆粒小于1nm，雜質(zhì)含量小于百億分之一，并且隨著制程的推進(jìn)，對(duì)芯片缺陷密度、缺陷尺寸的容忍度也在不斷降低，未來(lái)質(zhì)量要求也將更趨嚴(yán)格。在這種嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)下，硅片越大，難度也在呈幾何倍上升。

好消息是，目前本土硅片廠商不僅為中芯國(guó)際、華虹、華力微、長(zhǎng)江存儲(chǔ)等中國(guó)大陸廠商供貨，也走向了全球，包括臺(tái)積電、格羅方德、意法半導(dǎo)體、聯(lián)電等都已經(jīng)有用到中國(guó)大陸廠商所生產(chǎn)的大硅片。

目前生產(chǎn)情況來(lái)看，數(shù)據(jù)顯示，滬硅集團(tuán)300mm硅片產(chǎn)能為30萬(wàn)片/月，中環(huán)股份為17萬(wàn)片/月，立昂微為15萬(wàn)片/月，中欣晶圓為20萬(wàn)片/月，奕斯偉可達(dá)到50萬(wàn)片/月。此外，還有媒體消息顯示，如超硅半導(dǎo)體的300mm硅片產(chǎn)業(yè)達(dá)到30萬(wàn)片/月。

擴(kuò)產(chǎn)情況上，有研硅顯示2020年底已經(jīng)開建300mm硅片項(xiàng)目，已開工產(chǎn)能達(dá)到30萬(wàn)片/月，而滬硅產(chǎn)業(yè)預(yù)計(jì)將新增30萬(wàn)片/月的大硅片產(chǎn)能，預(yù)計(jì)在2024年投產(chǎn)。中環(huán)股份則計(jì)劃在2023年底實(shí)現(xiàn)60萬(wàn)片/月的300mm硅片產(chǎn)能。奕斯偉的硅產(chǎn)業(yè)基地二期項(xiàng)目也正在建設(shè)當(dāng)中。

因此，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)300mm硅片產(chǎn)能合計(jì)已經(jīng)超過了162萬(wàn)片/月，隨著滬硅產(chǎn)業(yè)、中環(huán)股份、奕斯偉的廠商新產(chǎn)線的投產(chǎn)后，國(guó)產(chǎn)12英寸硅片產(chǎn)能將超過265萬(wàn)片/月。

這波擴(kuò)產(chǎn)浪潮一方面是由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求旺盛所致，另一方面受到2020年下半年全球缺鋅影響，包括日本勝高、信越化學(xué)等硅片大廠紛紛漲價(jià)，讓國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈陷入被動(dòng)。而隨著大陸硅片廠商的進(jìn)入，讓國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈有了更多的主動(dòng)權(quán)。

總結(jié)

中國(guó)從來(lái)就不是服輸?shù)膰?guó)家，自古以來(lái)流淌在中國(guó)人血脈中的精神是不懈拼搏。如今，硅片對(duì)中國(guó)而言，就像十幾年前的光伏對(duì)中國(guó)而言一樣，道阻且長(zhǎng)。

十幾年前，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)同樣面臨的發(fā)展難題，但十幾年后的今天，我國(guó)已然成為世界太陽(yáng)能發(fā)電的龍頭，擁有全球最大的光伏產(chǎn)業(yè)群。

我們可以大膽的暢想一番，如今中國(guó)光伏在全球的占比怎樣，那么十幾年后的中國(guó)硅片在全球范圍內(nèi)的影響又將如何呢？讓我們拭目以待吧。