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直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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

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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!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。

直径只有区区30厘米的“饼”:国内却只有一家能做!图片来源:Intel

文章出处:科普中国

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