对于半导体硅片，相信大家都略有了解。今天我们就来聊聊我国在硅片制造技术上有何表现。不可否认的是，我国的硅片及芯片制造行业还有很长的路要走。
科技腾飞 后来居上的中国光伏
芯片制造只能用结构有序的单晶硅，但高纯度多晶硅却并非无用之物，较高纯度的多晶硅可以用来制作太阳能电池板与相关组件，与之相关的行业正是我国领先全球的行业——光伏产业。
相较于欧美、日本等发达国家，中国是光伏产业的后来者，但中国却用了十几年的时间实现这一领域从培育期、成长期到成熟期的追赶和超越，不可不谓科技腾飞的典范。
目前，中国已经成为世界太阳能发电的龙头，拥有全球最大光伏发电全产业链集群、最大应用市场、最大投资国、最多发明和应用专利和最大产品出口国等一系列桂冠。
在 2019 年，中国多晶硅产能占全球总产能的 69.2%，稳居世界第一。
我国光伏产业之所以能够发展的如此迅速，离不开国家十多年来的政策扶持。
为了响应《巴黎协定》，我国提出了“碳中和”“碳达峰”的号召，而光伏发电正是绿色清洁能源的典范。在我国大力支持光伏产业的政策利好环境下，产业内的光伏发电迅速发展。
2013 年，全国光伏发电量仅为 91 亿千瓦时，到 2019 年，全国光伏发电量已达 2238 亿千瓦时，较 2018 年增长 26.08%。
到了 2020 年底，全国光伏发电量达到 2605 亿千瓦时，较 2019 年增长 16.4%。
中国以实际行动向世界展示着大国风度。
2013-2020年中国光伏发电量变化情况，图片来源：国家能源局，前瞻产业研究院整理
稍显低迷 受限于成本的芯片半导体行业
相较于光伏半导体行业的鼎盛，我国芯片半导体行业则稍显低迷。半导体硅片作为半导体材料中成本占比最高的部分，在芯片产业链发挥着最关键的作用。
从成本占比来看，硅片在半导体材料中市场占比达到 37%，为第一大半导体材料。
从产业链地位来看，硅片作为半导体产业链的起点，直接影响芯片的制造质量，因此，硅片制造业有着举足轻重的地位。
而硅片的应用与硅片尺寸密切相关。
半导体行业晶圆尺寸发展历程，图片来源：沪硅产业招股书，信达证券研发中心
12 英寸硅片通常用于集成电路先进制程，例如智能手机处理器、电脑的 CPU 和显卡、人工智能、储存芯片等高新领域。
2020年12英寸晶圆终端需求占比，图片来源：Siltronic，信达证券研发中心
8 英寸硅片主要制造电源管理器、MEMS、显示驱动与指纹识别的芯片。无论是物联网，还是汽车电子都需要它的技术支撑。
全球8英寸硅片需求趋势，图片来源：SUMCO，信达证券研发中心
6 英寸硅片则主要涉及功率器件、分立器件等常用领域。
通过以上梳理，我们会发现，越是先进工艺的芯片，其所用的硅片尺寸也越大。
这并不是因为什么高深的原理，溯其根本，只有两个字——成本。芯片是矩形，这是基于成本的考量。
由于从硅片上切割出圆形芯片并非易事，同时也会造成对边角量的大量浪费，因而将芯片做成矩形，会使边角量浪费最少。
晶圆是圆形，也是为了控制成本。经由直拉法（CZ 法）或悬浮区熔法（FZ 法）所制作出的硅棒是圆柱，圆形也最方便打磨，浪费最少。
另外，同对角线长度下圆形面积更大，无论怎么划分大小，圆形最后分切出来的芯片一定比方形的多或相等。
圆形硅片还与后续的光刻等工艺不谋而合，而如果选择方形，光刻胶旋涂的均匀性会成问题，易导致更多的浪费，在圆形硅片上做矩形芯片反而很“般配”。
当然，虽然已经非常节约，但硅片边缘内侧区域还是会存在浪费。
如何尽可能地减小浪费呢？这就需要用到高数知识——微积分。
只要晶圆足够大，芯片足够小，拼起来的边缘就会逐渐向圆形逼近了，这就是数学的力量。
不同尺寸硅片的芯片分布，图片来源：Photography Stack Exchange
诸如电脑 CPU 这样的芯片，每一枚的成本都不菲，厂商自然会选择用一次流程制作足够多的芯片的形式，以保证足够的良品率。
如果选择小尺寸硅片制作高端芯片，成本可以说是他们“无法承受之重”了。
在我国，高端芯片所使用的 12 英寸硅片的制造产业发达吗？
我们先看看全球硅片市场。根据 SEMI 数据统计，全球硅片前五大制造厂商（CR5）市场占有率高达 92%。
其中，日本信越化学占比 28%，为全球第一大硅片制造商；日本 SUMCO 占比 24%，排名第二；其余厂商依次为中国台湾环球晶圆、德国 Silitronic、韩国 SK Siltron。
这些厂家主要制造主流的 12 英寸和 8 英寸硅片，甚至已经开始研究 18 英寸硅片的量产和成本控制。
这么看来，现在只剩下 8% 的份额可供全球其他硅片厂商抢夺，中国大陆便是其中之一。
全球硅片制造市场份额，图片来源：SEMI
在我国大陆的硅片领域中，6 英寸的国产率超过 50%，已经能够做到自给自足。8 英寸国产率约 10%-15%，相对比较欠缺，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领域，可以说是我们的“短板”。没有大尺寸的硅片，高性能芯片的出现则更是难上加难。
为什么做出大尺寸硅片这么难？
可能你会感到奇怪，不就是大一点的硅片吗？流程相同，为什么中国能做 6 英寸硅片却做不出 12 英寸硅片呢？
要回答这个问题，还需要回到硅片的制作流程中来考虑。
硅棒的制作采用 CZ 直拉法，它需要将多晶硅熔化在石英锅内，再把硅棒从岩浆中拉出来。
想要制作 12 英寸的硅棒，需要一口直径达到 32 英寸的大锅，并且是一口无比纯净，几乎不含杂质的石英锅，打造这样一口纯净的石英锅，其本身就是一门技术活。
图片来源：Silicon Wafer Production 模拟动画
此外，制作的硅棒越粗，锅里的岩浆也要多很多，这对提拉过程中的温度、提拉速度、旋转速度和提拉时间都提出了更高的要求。
同时，还需要处理随之而来的一系列问题，例如岩浆对流和温度梯度等物理问题。
总而言之，大尺寸硅片需要上游生产与切割设备、下游各式组件及制备技术等各方面的全面配合。
当然还有最关键的——成本。
制作大硅片是为了降低生产成本，但更大的硅片往往无法带来更高的生产效率，反而可能增加设备成本与时间成本，这就需要我们在设备和生产等部分降低成本，才有可能吸引厂商建设12英寸的硅片线。
未来可期的中国硅片
在过去 5 年中，中国半导体产业迎来了前所未有的高速发展期，随着国产芯片逐渐登上主舞台，数以千计的芯片公司遍地开花，国内芯片产能需求迅速膨胀，芯片性能向世界水平不断追赶。
相应的，我国大陆晶圆厂商也在迅速发展。
目前，新昇是唯一一家国产 12 英寸大硅片量产企业，现有产能达 15 万片/月。
在国家大力扶持国产化进程下，如今中国的厂商也正在积极规划大硅片项目。
据中科院数据，我国已投产的 12 英寸硅片线超 20 条，宣布在建的有 8 条。建成后，全国产能将超 234 万片/月。
我国 12 英寸硅片产线总投资额超过 15000 亿元，在建和规划中的 12 英寸硅片厂投资近 7500 亿元。
因此，如今对我国大陆硅片行业的评价，应该是未来可期。
中国从来就不是服输的国家，自古以来流淌在中国人血脉中的精神是不懈拼搏。如今，硅片对中国而言，就像十几年前的光伏对中国而言一样，道阻且长。
十几年前，我国的光伏产业同样面临的发展难题，但十几年后的今天，我国已然成为世界太阳能发电的龙头，拥有全球最大的光伏产业群。
我们可以大胆的畅想一番，如今中国光伏在全球的占比怎样，那么十几年后的中国硅片在全球范围内的影响又将如何呢？让我们拭目以待吧。
图片来源：Intel
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