出品：科普中國(guó)
作者：王智豪（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
通過(guò)前兩次關(guān)于硅片的基本知識(shí)以及制備流程解讀，相信大家已經(jīng)對(duì)硅片略有了解。那么，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
此前通過(guò)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(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，不可不謂是科技騰飛的典范。
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)居世界第一，一眾海外光伏大廠節(jié)節(jié)敗退。
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。
2013-2020年中國(guó)光伏發(fā)電量變化情況
（圖片來(lái)源：國(guó)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(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)。
半導(dǎo)體行業(yè)晶圓尺寸發(fā)展歷程
（圖片來(lái)源：滬硅產(chǎn)業(yè)招股書，信達(dá)證券研發(fā)中心）
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。
2020年12英寸晶圓終端需求占比
（圖片來(lái)源：Siltronic，信達(dá)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(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。
全球8英寸硅片需求趨勢(shì)
（圖片來(lái)源：SUMCO，信達(dá)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(guò)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。這并不是因?yàn)槭裁锤呱畹脑恚萜涓?，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(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。
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(huì)成問(wèn)題，易導(dǎo)致更多的浪費(fèi)。而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。
不同尺寸硅片的芯片分布
（圖片來(lái)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(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(shuō)是他們“無(wú)法承受之重”了。
那么，在我國(guó)，高端芯片所使用的12英寸硅片的制造產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)嗎？我們先看看全球硅片市場(chǎng)。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球硅片前五大制造廠商（CR5）市場(chǎng)占有率高達(dá)92%。其中，日本信越化學(xué)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(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓、德國(guó)Silitronic、韓國(guó)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(lái)，現(xiàn)在只剩下8%的份額可供全球其他硅片廠商搶奪，中國(guó)大陸便是其中之一。
出品：科普中國(guó)
作者：王智豪（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
通過(guò)前兩次關(guān)于硅片的基本知識(shí)以及制備流程解讀，相信大家已經(jīng)對(duì)硅片略有了解。那么，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
此前通過(guò)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(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，不可不謂是科技騰飛的典范。
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)居世界第一，一眾海外光伏大廠節(jié)節(jié)敗退。
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。
2013-2020年中國(guó)光伏發(fā)電量變化情況
（圖片來(lái)源：國(guó)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(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)。
半導(dǎo)體行業(yè)晶圓尺寸發(fā)展歷程
（圖片來(lái)源：滬硅產(chǎn)業(yè)招股書，信達(dá)證券研發(fā)中心）
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。
2020年12英寸晶圓終端需求占比
（圖片來(lái)源：Siltronic，信達(dá)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(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。
全球8英寸硅片需求趨勢(shì)
（圖片來(lái)源：SUMCO，信達(dá)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(guò)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。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(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。
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(huì)成問(wèn)題，易導(dǎo)致更多的浪費(fèi)。而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。
不同尺寸硅片的芯片分布
（圖片來(lái)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(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(shuō)是他們“無(wú)法承受之重”了。
那么，在我國(guó)，高端芯片所使用的12英寸硅片的制造產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)嗎？我們先看看全球硅片市場(chǎng)。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球硅片前五大制造廠商（CR5）市場(chǎng)占有率高達(dá)92%。其中，日本信越化學(xué)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(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓、德國(guó)Silitronic、韓國(guó)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(lái)，現(xiàn)在只剩下8%的份額可供全球其他硅片廠商搶奪，中國(guó)大陸便是其中之一。
中國(guó)
全球硅片制造市場(chǎng)份額
（圖片來(lái)源：SEMI）
在我國(guó)大陸的硅片領(lǐng)域中，6英寸的國(guó)產(chǎn)率超過(guò)50%，已經(jīng)能夠做到自給自足。8英寸國(guó)產(chǎn)率約10%-15%，相對(duì)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(shuō)是我們的“短板”。沒(méi)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(huì)感到奇怪，不就是大一點(diǎn)的硅片嗎？流程相同，為什么中國(guó)能做6英寸硅片卻做不出12英寸硅片呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，還需要回到硅片的制作流程中來(lái)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(lái)。想要制作12英寸的硅棒，需要一口直徑達(dá)到32英寸的大鍋，并且是一口無(wú)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(duì)提拉過(guò)程中的溫度、提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度和提拉時(shí)間都提出了更高的要求。同時(shí)，還需要處理隨之而來(lái)的一系列問(wèn)題，例如巖漿對(duì)流和溫度梯度等物理問(wèn)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(dāng)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(wú)法帶來(lái)更高的生產(chǎn)效率，反而可能增加設(shè)備成本與時(shí)間成本，這就需要我們?cè)谠O(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(lái)可期的中國(guó)硅片
在過(guò)去5年中，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了前所未有的高速發(fā)展期，隨著國(guó)產(chǎn)芯片逐漸登上主舞臺(tái)，數(shù)以千計(jì)的芯片公司遍地開花，國(guó)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(guó)大陸晶圓廠商也在迅速發(fā)展。
目前，新昇是唯一一家國(guó)產(chǎn)12英寸大硅片量產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)有產(chǎn)能達(dá)15萬(wàn)片/月。在國(guó)家大力扶持國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程下，如今中國(guó)的廠商也正在積極規(guī)劃大硅片項(xiàng)目。據(jù)中科院數(shù)據(jù)，我國(guó)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(guó)產(chǎn)能將超234萬(wàn)片/月。我國(guó)12英寸硅片產(chǎn)線總投資額超過(guò)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(duì)我國(guó)大陸硅片行業(yè)的評(píng)價(jià)，應(yīng)該是未來(lái)可期。
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。
編輯：應(yīng)奕可
參考文獻(xiàn)
[1]:國(guó)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(dòng)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(dá)證券
[7]:Global Wafers Japen :https://www.sas-globalwafers.co.jp/
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