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硅片是中國(guó)“芯”的基建，也是中國(guó)新基建的基石之一。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，硅片作為芯片制造的重要核心主材，在芯片制造中起到關(guān)鍵性的作用。硅片的質(zhì)量、尺寸、成本等直接影響著芯片的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。

處在中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型周期與全球技術(shù)創(chuàng)新周期雙重疊加的歷史交匯點(diǎn)上，中國(guó)半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)成為全球增速最快的市場(chǎng)。根據(jù)SEMI（國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)）統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)半導(dǎo)體硅片銷售額達(dá)到16.56億美元，2016-2021年CAGR達(dá)到27.08%，遠(yuǎn)超同期全球半導(dǎo)體硅片增速。

在此背景下，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部等部門近年來(lái)陸續(xù)出臺(tái)發(fā)布了半導(dǎo)體硅片研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化等系列政策，將半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)納入集成電路整體產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局中，極大地鼓舞了相關(guān)企業(yè)加快發(fā)展。

夯實(shí)中國(guó)“芯”基建，國(guó)產(chǎn)硅片破局海外壟斷

眾所周知，芯片是信息時(shí)代、人工智能時(shí)代的“鋼筋水泥”，而半導(dǎo)體硅片則是芯片制造的基石，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)。

半導(dǎo)體硅片是指由硅單晶錠切割而成的薄片，又稱硅晶圓片，是芯片制造的核心主材之一。得益于其熔點(diǎn)高，禁帶寬度大的優(yōu)異物理性能和豐富的存儲(chǔ)量，硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模在2021年達(dá)到643億美元，同比增長(zhǎng)15.9%。其中，硅片約占整體半導(dǎo)體材料市場(chǎng)比重的33%，是半導(dǎo)體材料的核心。

回顧硅片的發(fā)展歷史，從1965年首次生產(chǎn)2英寸硅片到2000年12英寸硅片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，半導(dǎo)體硅片在“摩爾定律”的驅(qū)動(dòng)下向大尺寸方向不斷發(fā)展。根據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)，2020年12英寸硅片占比約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，單位面積產(chǎn)出的芯片數(shù)量也會(huì)隨之增加，因此12英寸硅片的性價(jià)比更優(yōu)。但與此同時(shí)，生產(chǎn)更大直徑硅片所需要的生產(chǎn)工藝改進(jìn)成本、設(shè)備性能提升，也給廠商帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

從硅片質(zhì)量要求來(lái)看，光伏行業(yè)對(duì)硅片純度的需求為99.9999%。而用于集成電路制作和半導(dǎo)體器件加工的電子級(jí)硅片對(duì)純度則有著更高的要求，純度需達(dá)到99.999999999%，對(duì)雜質(zhì)的容許率相當(dāng)于一顆方糖投入西湖。同時(shí)，半導(dǎo)體硅片還對(duì)硅片的平整度、光滑度有更高要求。12英寸硅片的平整度必須控制在1nm，相當(dāng)于上海到北京，路面起伏不能超過(guò)30厘米。

從硅片的制作流程來(lái)看，硅片尤其是大尺寸硅片的制作需要精密的機(jī)器設(shè)備、成熟的工藝流程，以及優(yōu)秀的技術(shù)人才等全方面配合。目前，硅棒的制作普遍采用直拉法生長(zhǎng)工藝，即將多晶硅熔化在長(zhǎng)晶爐坩堝中，再?gòu)娜廴诠柚欣е瞥晒璋?。想要制?2英寸的硅棒，需要一口直徑達(dá)到32英寸的坩堝，并且要求坩堝高度純凈。打造這樣一口純凈的坩堝就具有極高的門檻。同時(shí)，制作的硅棒越粗，對(duì)鍋里熔融硅的需求也更多，這對(duì)拉晶過(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。此外，制作過(guò)程中還需要處理隨之而來(lái)的熔融硅對(duì)流、溫度梯度等物理問(wèn)題。

正因如此，半導(dǎo)體硅片的提純和加工技術(shù)門檻極高帶來(lái)研發(fā)周期長(zhǎng)、資金投入大等特點(diǎn)，使得全球的半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)形成高度壟斷。據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)，2020年全球前五大硅片制造商為日本信越、SUMCO、環(huán)球晶圓、SK Siltron和世創(chuàng)，他們共同占據(jù)著全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)87%的份額。

與國(guó)際主要半導(dǎo)體硅片供應(yīng)商相比，中國(guó)大陸半導(dǎo)體硅片企業(yè)起步較晚，在關(guān)鍵設(shè)備和硅單晶拉制、拋光、外延等核心技術(shù)上較為薄弱，能夠生產(chǎn)12英寸及以上硅片的企業(yè)數(shù)量不多，且良率有很大提升空間。

不過(guò)，近年來(lái)在國(guó)家政策支持和市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出多家半導(dǎo)體硅片廠商，包括滬硅產(chǎn)業(yè)、上海超硅等半導(dǎo)體硅片龍頭企業(yè)，其憑借自身在技術(shù)工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，打破了中國(guó)在12英寸硅片技術(shù)上從“0到1”的突破，并與全球知名芯片廠商建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系，正在打破半導(dǎo)體硅片領(lǐng)域的海外壟斷。

屢受國(guó)際頭部廠商認(rèn)可，國(guó)產(chǎn)硅片廠商并驅(qū)爭(zhēng)先

在硅片產(chǎn)業(yè)鏈中，上游為原材料硅礦，中游為硅片制造商，下游是芯片制造商。硅片要經(jīng)過(guò)下游芯片制造商的認(rèn)證，才能發(fā)生訂單交易。下游的芯片制造企業(yè)對(duì)硅片供應(yīng)商的產(chǎn)品質(zhì)量有著嚴(yán)苛的要求，對(duì)供應(yīng)商的選擇高度嚴(yán)謹(jǐn)。因此，硅片生產(chǎn)企業(yè)與芯片制造企業(yè)建立正式合作關(guān)系前，除了需要通過(guò)業(yè)內(nèi)質(zhì)量管理體系認(rèn)證外，還需經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的客戶“考察認(rèn)證”。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，長(zhǎng)晶爐是制造硅片的核心設(shè)備，可以說(shuō)是硅片中的“光刻機(jī)”。國(guó)際主流硅片廠商的長(zhǎng)晶爐大多為公司獨(dú)立設(shè)計(jì)制造或者通過(guò)控股子公司設(shè)計(jì)制造，其他硅片廠商無(wú)法購(gòu)買。其他主要的硅片廠商都有自己的獨(dú)立單晶爐供貨商，并且簽訂嚴(yán)格的保密協(xié)定，導(dǎo)致外界硅片廠商無(wú)法購(gòu)買，或者只能購(gòu)買到普通單晶爐。所以，設(shè)備壁壘也是國(guó)內(nèi)廠商目前難以進(jìn)入全球硅片主流供應(yīng)商的重要原因之一。

隨著AI新浪潮、5G手機(jī)等消費(fèi)電子以及數(shù)字化的擴(kuò)展應(yīng)用，全球半導(dǎo)體行業(yè)有望保持高景氣度，而越來(lái)越多國(guó)產(chǎn)硅片廠商獲得認(rèn)可，也是中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)夯實(shí)“芯”基建的重要一步。