半导体硅片及其相关知识介绍

硅片是中国“芯”的基建，也是中国新基建的基石之一。

在半导体产业链中，硅片作为芯片制造的重要核心主材，在芯片制造中起到关键性的作用。硅片的质量、尺寸、成本等直接影响着芯片的性能和竞争力。

处在中国经济转型周期与全球技术创新周期双重叠加的历史交汇点上，中国半导体硅片市场成为全球增速最快的市场。根据SEMI（国际半导体产业协会）统计，2021年中国半导体硅片销售额达到16.56亿美元，2016-2021年CAGR达到27.08%，远超同期全球半导体硅片增速。

在此背景下，工业和信息化部、科学技术部等部门近年来陆续出台发布了半导体硅片研发与产业化等系列政策，将半导体硅片产业纳入集成电路整体产业规划布局中，极大地鼓舞了相关企业加快发展。

夯实中国“芯”基建，国产硅片破局海外垄断

众所周知，芯片是信息时代、人工智能时代的“钢筋水泥”，而半导体硅片则是芯片制造的基石，也是半导体产业链的上游环节。

半导体硅片是指由硅单晶锭切割而成的薄片，又称硅晶圆片，是芯片制造的核心主材之一。得益于其熔点高，禁带宽度大的优异物理性能和丰富的存储量，硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料。根据SEMI数据，全球半导体材料市场规模在2021年达到643亿美元，同比增长15.9%。其中，硅片约占整体半导体材料市场比重的33%，是半导体材料的核心。

回顾硅片的发展历史，从1965年首次生产2英寸硅片到2000年12英寸硅片实现量产，半导体硅片在“摩尔定律”的驱动下向大尺寸方向不断发展。根据SEMI统计，2020年12英寸硅片占比约67.2%，8英寸硅片占比25.5%，6英寸及以下占比7.3%。硅片尺寸越大，单位面积产出的芯片数量也会随之增加，因此12英寸硅片的性价比更优。但与此同时，生产更大直径硅片所需要的生产工艺改进成本、设备性能提升，也给厂商带来更大的挑战。

从硅片质量要求来看，光伏行业对硅片纯度的需求为99.9999%。而用于集成电路制作和半导体器件加工的电子级硅片对纯度则有着更高的要求，纯度需达到99.999999999%，对杂质的容许率相当于一颗方糖投入西湖。同时，半导体硅片还对硅片的平整度、光滑度有更高要求。12英寸硅片的平整度必须控制在1nm，相当于上海到北京，路面起伏不能超过30厘米。

从硅片的制作流程来看，硅片尤其是大尺寸硅片的制作需要精密的机器设备、成熟的工艺流程，以及优秀的技术人才等全方面配合。目前，硅棒的制作普遍采用直拉法生长工艺，即将多晶硅熔化在长晶炉坩埚中，再从熔融硅中拉晶制成硅棒。想要制作12英寸的硅棒，需要一口直径达到32英寸的坩埚，并且要求坩埚高度纯净。打造这样一口纯净的坩埚就具有极高的门槛。同时，制作的硅棒越粗，对锅里熔融硅的需求也更多，这对拉晶过程中的温度、提拉速度、旋转速度和提拉时间都提出了更高的要求。此外，制作过程中还需要处理随之而来的熔融硅对流、温度梯度等物理问题。

正因如此，半导体硅片的提纯和加工技术门槛极高带来研发周期长、资金投入大等特点，使得全球的半导体硅片市场形成高度垄断。据SEMI统计，2020年全球前五大硅片制造商为日本信越、SUMCO、环球晶圆、SK Siltron和世创，他们共同占据着全球半导体硅片市场87%的份额。

与国际主要半导体硅片供应商相比，中国大陆半导体硅片企业起步较晚，在关键设备和硅单晶拉制、抛光、外延等核心技术上较为薄弱，能够生产12英寸及以上硅片的企业数量不多，且良率有很大提升空间。

不过，近年来在国家政策支持和市场需求驱动下，国内涌现出多家半导体硅片厂商，包括沪硅产业、上海超硅等半导体硅片龙头企业，其凭借自身在技术工艺、产品结构等优势，打破了中国在12英寸硅片技术上从“0到1”的突破，并与全球知名芯片厂商建立了稳定的合作关系，正在打破半导体硅片领域的海外垄断。

屡受国际头部厂商认可，国产硅片厂商并驱争先

在硅片产业链中，上游为原材料硅矿，中游为硅片制造商，下游是芯片制造商。硅片要经过下游芯片制造商的认证，才能发生订单交易。下游的芯片制造企业对硅片供应商的产品质量有着严苛的要求，对供应商的选择高度严谨。因此，硅片生产企业与芯片制造企业建立正式合作关系前，除了需要通过业内质量管理体系认证外，还需经历长时间的客户“考察认证”。

据业内人士介绍，长晶炉是制造硅片的核心设备，可以说是硅片中的“光刻机”。国际主流硅片厂商的长晶炉大多为公司独立设计制造或者通过控股子公司设计制造，其他硅片厂商无法购买。其他主要的硅片厂商都有自己的独立单晶炉供货商，并且签订严格的保密协定，导致外界硅片厂商无法购买，或者只能购买到普通单晶炉。所以，设备壁垒也是国内厂商目前难以进入全球硅片主流供应商的重要原因之一。

随着AI新浪潮、5G手机等消费电子以及数字化的扩展应用，全球半导体行业有望保持高景气度，而越来越多国产硅片厂商获得认可，也是中国集成电路产业夯实“芯”基建的重要一步。