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出品：科普中國

作者：王智豪（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

通過前兩次關(guān)于硅片的基本知識以及制備流程解讀，相信大家已經(jīng)對硅片略有了解。那么，今天我們就來聊聊我國在硅片制造技術(shù)上有何表現(xiàn)。不可否認的是，我國的硅片及芯片制造行業(yè)還有很長的路要走。

科技騰飛：后來居上的中國光伏

此前通過介紹多晶硅與單晶硅的區(qū)別，我們了解到芯片制造只能用結(jié)構(gòu)有序的單晶硅，而高純度多晶硅卻并非無用之物，較高純度的多晶硅可以用來制作太陽能電池板與相關(guān)組件，與之相關(guān)的行業(yè)正是我國領(lǐng)先全球的行業(yè)——光伏產(chǎn)業(yè)。相較于歐美、日本等發(fā)達國家，中國是光伏產(chǎn)業(yè)的后來者，但中國卻用了十幾年的時間實現(xiàn)這一領(lǐng)域從培育期、成長期到成熟期的追趕和超越，不可不謂是科技騰飛的典范。

目前，中國已經(jīng)成為世界太陽能發(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、最大投資國、最多發(fā)明和應(yīng)用專利和最大產(chǎn)品出口國等一系列桂冠。在2019年，中國多晶硅產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能的69.2%，穩(wěn)居世界第一，一眾海外光伏大廠節(jié)節(jié)敗退。

我國光伏產(chǎn)業(yè)之所以能夠發(fā)展的如此迅速，離不開國家十多年來的政策扶持。為了響應(yīng)《巴黎協(xié)定》，我國提出了“碳中和”“碳達峰”的號召，而光伏發(fā)電正是綠色清潔能源的典范。在我國大力支持光伏產(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，全國光伏發(fā)電量僅為91億千瓦時，到2019年，全國光伏發(fā)電量已達2238億千瓦時，較2018年增長26.08%，到了2020年底，全國光伏發(fā)電量達到2605億千瓦時，較2019年增長16.4%。中國以實際行動向世界展示著大國風度。

2013-2020年中國光伏發(fā)電量變化情況

（圖片來源：國家能源局，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理）

稍顯低迷：受限于成本的芯片半導體行業(yè)

相較于光伏半導體行業(yè)的鼎盛，我國芯片半導體行業(yè)則稍顯低迷。

半導體硅片作為半導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。從成本占比來看，硅片在半導體材料中市場占比達到37%，為第一大半導體材料。從產(chǎn)業(yè)鏈地位來看，硅片作為半導體產(chǎn)業(yè)鏈的起點，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)。

半導體行業(yè)晶圓尺寸發(fā)展歷程

（圖片來源：滬硅產(chǎn)業(yè)招股書，信達證券研發(fā)中心）

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

2020年12英寸晶圓終端需求占比

（圖片來源：Siltronic，信達證券研發(fā)中心）

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

全球8英寸硅片需求趨勢

（圖片來源：SUMCO，信達證券研發(fā)中心）

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，我們會發(fā)現(xiàn)，越是先進工藝的芯片，其所用的硅片尺寸也越大。這并不是因為什么高深的原理，溯其根本，只有兩個字——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，同時也會造成對邊角量的大量浪費，因而將芯片做成矩形，會使邊角量浪費最少。晶圓是圓形，也是為了控制成本。經(jīng)由CZ法或FZ法所制作出的硅棒是圓柱，圓形也最方便打磨，浪費最少。

另外，同對角線長度下圓形面積更大，無論怎么劃分大小，圓形最后分切出來的芯片一定比方形的多或相等。

此外，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成問題，易導致更多的浪費。而在圓形硅片上做矩形芯片反而很“般配”。

當然，雖然已經(jīng)非常節(jié)約，但硅片邊緣內(nèi)側(cè)區(qū)域還是會存在浪費。如何盡可能地減小浪費呢？這就需要用到高數(shù)知識——微積分。只要晶圓足夠大，芯片足夠小，拼起來的邊緣就會逐漸向圓形逼近了，這就是數(shù)學的力量。

不同尺寸硅片的芯片分布

（圖片來源：Photography Stack Exchange）

諸如電腦CPU這樣的芯片，每一枚的成本都不菲，廠商自然會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“無法承受之重”了。

那么，在我國，高端芯片所使用的12英寸硅片的制造產(chǎn)業(yè)發(fā)達嗎？我們先看看全球硅片市場。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球硅片前五大制造廠商（CR5）市場占有率高達92%。其中，日本信越化學占比28%，為全球第一大硅片制造商；日本SUMCO占比24%，排名第二；其余廠商依次為中國臺灣環(huán)球晶圓、德國Silitronic、韓國SK Siltron。這些廠家主要制造主流的12英寸和8英寸硅片，甚至已經(jīng)開始研究18英寸硅片的量產(chǎn)和成本控制。這么看來，現(xiàn)在只剩下8%的份額可供全球其他硅片廠商搶奪，中國大陸便是其中之一。

出品：科普中國

作者：王智豪（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

科技騰飛：后來居上的中國光伏

2013-2020年中國光伏發(fā)電量變化情況

（圖片來源：國家能源局，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理）

稍顯低迷：受限于成本的芯片半導體行業(yè)

相較于光伏半導體行業(yè)的鼎盛，我國芯片半導體行業(yè)則稍顯低迷。

半導體行業(yè)晶圓尺寸發(fā)展歷程

（圖片來源：滬硅產(chǎn)業(yè)招股書，信達證券研發(fā)中心）

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

2020年12英寸晶圓終端需求占比

（圖片來源：Siltronic，信達證券研發(fā)中心）

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

全球8英寸硅片需求趨勢

（圖片來源：SUMCO，信達證券研發(fā)中心）

6英寸硅片則主要涉及功率器件、分立器件等常用領(lǐng)域。

另外，同對角線長度下圓形面積更大，無論怎么劃分大小，圓形最后分切出來的芯片一定比方形的多或相等。

不同尺寸硅片的芯片分布

（圖片來源：Photography Stack Exchange）

中國

全球硅片制造市場份額

（圖片來源：SEMI）

在我國大陸的硅片領(lǐng)域中，6英寸的國產(chǎn)率超過50%，已經(jīng)能夠做到自給自足。8英寸國產(chǎn)率約10%-15%，相對比較欠缺，而12英寸基本是一片空白，市占率只有1%。因此，8英寸、12英寸等大尺寸的硅片領(lǐng)域，可以說是我們的“短板”。沒有大尺寸的硅片，高性能芯片的出現(xiàn)則更是難上加難。

為什么做出大尺寸硅片這么難？

可能你會感到奇怪，不就是大一點的硅片嗎？流程相同，為什么中國能做6英寸硅片卻做不出12英寸硅片呢？要回答這個問題，還需要回到硅片的制作流程中來考慮。

硅棒的制作采用CZ直拉法，它需要將多晶硅熔化在石英鍋內(nèi)，再把硅棒從巖漿中拉出來。想要制作12英寸的硅棒，需要一口直徑達到32英寸的大鍋，并且是一口無比純凈，幾乎不含雜質(zhì)的石英鍋，打造這樣一口純凈的石英鍋，其本身就是一門技術(shù)活。此外，制作的硅棒越粗，鍋里的巖漿也要多很多，這對提拉過程中的溫度、提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度和提拉時間都提出了更高的要求。同時，還需要處理隨之而來的一系列問題，例如巖漿對流和溫度梯度等物理問題?？偠灾?，大尺寸硅片需要上游生產(chǎn)與切割設(shè)備、下游各式組件及制備技術(shù)等各方面的全面配合。

當然還有最關(guān)鍵的——成本。制作大硅片是為了降低生產(chǎn)成本，但更大的硅片往往無法帶來更高的生產(chǎn)效率，反而可能增加設(shè)備成本與時間成本，這就需要我們在設(shè)備和生產(chǎn)等部分降低成本，才有可能吸引廠商建設(shè)12英寸的硅片線。

未來可期的中國硅片

在過去5年中，中國半導體產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的高速發(fā)展期，隨著國產(chǎn)芯片逐漸登上主舞臺，數(shù)以千計的芯片公司遍地開花，國內(nèi)芯片產(chǎn)能需求迅速膨脹，芯片性能向世界水平不斷追趕。相應(yīng)的，我國大陸晶圓廠商也在迅速發(fā)展。

目前，新昇是唯一一家國產(chǎn)12英寸大硅片量產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)有產(chǎn)能達15萬片/月。在國家大力扶持國產(chǎn)化進程下，如今中國的廠商也正在積極規(guī)劃大硅片項目。據(jù)中科院數(shù)據(jù)，我國已投產(chǎn)的12英寸硅片線超20條，宣布在建的有8條。建成后，全國產(chǎn)能將超234萬片/月。我國12英寸硅片產(chǎn)線總投資額超過15000億元，在建和規(guī)劃中的12英寸硅片廠投資近7500億元。

因此，如今對我國大陸硅片行業(yè)的評價，應(yīng)該是未來可期。

中國從來就不是服輸?shù)膰遥怨乓詠砹魈试谥袊搜}中的精神是不懈拼搏。如今，硅片對中國而言，就像十幾年前的光伏對中國而言一樣，道阻且長。十幾年前，我國的光伏產(chǎn)業(yè)同樣面臨的發(fā)展難題，但十幾年后的今天，我國已然成為世界太陽能發(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，如今中國光伏在全球的占比怎樣，那么十幾年后的中國硅片在全球范圍內(nèi)的影響又將如何呢？讓我們拭目以待吧。

編輯：應(yīng)奕可

參考文獻

[1]:國盛證券

[2]:https://zhuanlan.zhihu.com/p/511625484

[3]: https://www.docin.com/p-54832799.html

[4]:Silicon Wafer Production 硅片制造動畫

[5]:intel 22nm芯片宣傳片：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/search.html?ws=text#q=22nm&sort=relevancy

[6]:信達證券

[7]:Global Wafers Japen :https://www.sas-globalwafers.co.jp/

大尺寸硅片的生產(chǎn)和制備,為什么這么難?