光伏和半導體都離不開它！聊聊我國硅片技術發展現狀，為何越先進的芯片硅片尺寸越大？

對于半導體硅片，相信大家都略有了解。今天我們就來聊聊我國在硅片制造技術上有何表現。不可否認的是，我國的硅片及芯片制造行業還有很長的路要走。


科技騰飛 后來居上的中國光伏

芯片制造只能用結構有序的單晶硅，但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組件，與之相關的行業正是我國領先全球的行業——光伏產業。

相較于歐美、日本等發達國家，中國是光伏產業的后來者，但中國卻用了十幾年的時間實現這一領域從培育期、成長期到成熟期的追趕和超越，不可不謂科技騰飛的典范。

目前，中國已經成為世界太陽能發電的龍頭，擁有全球最大光伏發電全產業鏈集群、最大應用市場、最大投資國、最多發明和應用專利和最大產品出口國等一系列桂冠。

在 2019 年，中國多晶硅產能占全球總產能的 69.2%，穩居世界第一。

我國光伏產業之所以能夠發展的如此迅速，離不開國家十多年來的政策扶持。

為了響應《巴黎協定》，我國提出了“碳中和”“碳達峰”的號召，而光伏發電正是綠色清潔能源的典范。在我國大力支持光伏產業的政策利好環境下，產業內的光伏發電迅速發展。

2013 年，全國光伏發電量僅為 91 億千瓦時，到 2019 年，全國光伏發電量已達 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。


稍顯低迷 受限于成本的芯片半導體行業

相較于光伏半導體行業的鼎盛，我國芯片半導體行業則稍顯低迷。半導體硅片作為半導體材料中成本占比最高的部分，在芯片產業鏈發揮著最關鍵的作用。

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。

從產業鏈地位來看，硅片作為半導體產業鏈的起點，直接影響芯片的制造質量，因此，硅片制造業有著舉足輕重的地位。

而硅片的應用與硅片尺寸密切相關。

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、儲存芯片等高新領域。

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

6 英寸硅片則主要涉及功率器件、分立器件等常用領域。

通過以上梳理，我們會發現，越是先進工藝的芯片，其所用的硅片尺寸也越大。

根據尺寸大小的不同，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英寸硅片為市場最主流的產品。

8英寸硅片主要應用在90nm-0.25μm制程中，多用于傳感、安防領域和電動汽車的功率器件、模擬IC、指紋識別和顯示驅動等。12英寸硅片主要應用在90nm以下的制程中，主要用于邏輯芯片、儲存器和自動駕駛領域。“大尺寸”為硅片主流趨勢。硅片越大，單個產出的芯片數量越多，制造成本越低，因此硅片廠商不斷向大尺寸硅片進發。

硅片是芯片的起點，2021年全球半導體硅片市場規模達140億美元，行業高度集中，CR5市場份額接近90%。硅片是用量最大的半導體材料，90%以上的半導體產品使用硅片制造。

隨著5G、新能源、AIoT的快速滲透，2021年半導體行業迎來超級景氣周期，硅片需求持續旺盛，全球半導體硅片出貨面積達142億平方英寸，同比增長14%，市場規模達140億美元。半導體行業周期性波動導致硅片需求周期性波動，硅片行業并購整合不斷，行業競爭格局高度集中，前5大廠商市場份額接近90%。

硅片新增產能釋放需到2024年，短期供需有望持續偏緊，長期LTA有助穩量穩價。硅片擴產周期在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行產能擴充，新建廠房產能釋放的高峰將在2024年之后，2022和2023年全球12英寸硅片仍將處于供不應求的狀態。本次產能擴張，下游晶圓廠與硅片廠商積極綁定，通過長期合約保障供應鏈穩定。


為何芯片越先進所需硅片越大？

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。經由直拉法（CZ 法）或懸浮區熔法（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。

圓形硅片還與后續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，在圓形硅片上做矩形芯片反而很“般配”。

當然，雖然已經非常節約，但硅片邊緣內側區域還是會存在浪費。

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，這就是數學的力量。

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。

國產大硅片發展現狀

半導體硅片是芯片制造最重要的材料，也是半導體產業的基石。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的芯片數量就越多，邊緣損失的部分越小，單顆芯片的成本也就越低。

據2021年數據顯示，在全球硅片市場上，日本信越化學、環球晶圓、德國世創、日本勝高、韓國SK Siltron、Soitec這6大廠商拿走了全球92%左右的份額。

相比之下，中國大陸的硅片廠商市場份額較小，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300mm（12英寸）硅片的本土廠商，而7nm及以下先進制程芯片主要需求便是12英寸硅片。

而在國際市場中，12英寸硅片早已成為主流。據SEMI數據顯示，2019年，全球300mm硅片出貨面積占比已經達到67.22%。

直到2017年，張汝京博士創辦的上海新昇（現為滬硅產業子公司）首次實現12英寸硅片量產，打破了國際巨頭對大硅片的壟斷。如今，滬硅產業表示，其12英寸大硅片已可用于28nm制程的芯片制造。

數據顯示，2021年滬硅產業占全球份額僅為2.2%，而國內所有廠商合計占比也不超過5%。除了滬硅產業以外，還有如超硅半導體、中欣晶圓、奕斯偉、立昂微、中環股份等，都已經實現了300mm硅片的量產，而有研硅正在建設300mm硅片產線，這都是國內大硅片的中堅力量。

硅片本身技術難度極高，必須具備高標準的純凈度，硅片表面高度落差需要小于1nm，微顆粒小于1nm，雜質含量小于百億分之一，并且隨著制程的推進，對芯片缺陷密度、缺陷尺寸的容忍度也在不斷降低，未來質量要求也將更趨嚴格。在這種嚴苛的標準下，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際、華虹、華力微、長江存儲等中國大陸廠商供貨，也走向了全球，包括臺積電、格羅方德、意法半導體、聯電等都已經有用到中國大陸廠商所生產的大硅片。

目前生產情況來看，數據顯示，滬硅集團300mm硅片產能為30萬片/月，中環股份為17萬片/月，立昂微為15萬片/月，中欣晶圓為20萬片/月，奕斯偉可達到50萬片/月。此外，還有媒體消息顯示，如超硅半導體的300mm硅片產業達到30萬片/月。

擴產情況上，有研硅顯示2020年底已經開建300mm硅片項目，已開工產能達到30萬片/月，而滬硅產業預計將新增30萬片/月的大硅片產能，預計在2024年投產。中環股份則計劃在2023年底實現60萬片/月的300mm硅片產能。奕斯偉的硅產業基地二期項目也正在建設當中。

因此，據不完全統計，當前國產300mm硅片產能合計已經超過了162萬片/月，隨著滬硅產業、中環股份、奕斯偉的廠商新產線的投產后，國產12英寸硅片產能將超過265萬片/月。

這波擴產浪潮一方面是由于國內市場需求旺盛所致，另一方面受到2020年下半年全球缺鋅影響，包括日本勝高、信越化學等硅片大廠紛紛漲價，讓國內的半導體產業鏈陷入被動。而隨著大陸硅片廠商的進入，讓國內產業鏈有了更多的主動權。

總結

中國從來就不是服輸的國家，自古以來流淌在中國人血脈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，我國的光伏產業同樣面臨的發展難題，但十幾年后的今天，我國已然成為世界太陽能發電的龍頭，擁有全球最大的光伏產業群。

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的影響又將如何呢？讓我們拭目以待吧。