從半導體全產業鏈的眼光看，最基礎的一環是材料產業，沒有材料可謂是“無米之炊”。半導體材料細分起來有成千上萬種，而其中的半導體大硅片可以說是半導體產業最基礎、最直接、最核心的材料，沒有之一。
經過近四十年的發展，半導體硅基材料正在朝大尺寸和功能化方向發展。從尺寸演變上看，從上世紀90年代的4英寸、5英寸、6英寸硅片，到現在的主流產品8英寸、12英寸（300mm）硅片。18英寸（450mm）的硅片一直在研發中，目前尚無商品化產品，也看不到產業化時間表。
從功能化方向看，一方面是應用於處理器（CPU、GPU）、存儲器（DRAM、NAND FLASH）、邏輯電路（ASIC）的硅基大硅片，另一方面是從體硅材料向SOI材料發展的趨勢，相比體硅，SOI的優勢在於抗輻射，延續摩爾定律，並有超越摩爾的發展趨勢。
國產大硅片：中國半導體產業鏈的重要一環
大硅片材料，目前還處於被國外大公司壟斷的格局，尤其是300mm硅片，全球市場呈現出高度集中和壟斷態勢，並有逐步增強的趨勢。
在硅片材料市場，三菱住友（SUMCO）與信越（Shin-Etsu）兩家日本廠商長期佔據全球硅片市場一半以上份額。2016年12月，環球晶圓（GWC）併購MEMC，一躍成為全球第三大硅片廠商。2017年2月，SK集團接手經營LG Siltron，LG Siltron 更名為SK Siltron。2017年5月，SUMCO決定砍掉大陸武漢新芯的硅晶圓訂單，優先供貨給臺積電、英特爾、美光等大廠。2018年硅片材料全球Top 5的市場份額超過了91%， 300mm硅片Top 5的市場份額約98%，壟斷度與集中度非常高。
▲ 2016年硅片市佔率
▲ 2017年硅片市佔率
中國的300mm晶圓製造版圖
目前，中國大陸正在掀起一股300mm晶圓製造建廠熱。據統計到2018年底，12英寸（300mm）晶圓生產線已投產14條，還有15條線宣佈在建並預計2020年前投產。
▲ 中國在建和已投產的300mm晶圓製造生產線
（數據來源：中科院微系統所戰略研究室）
據統計，中國300mm硅片需求將從2019年的Q3約57.4萬片/月增加到2020年Q4約72萬片/月。
從300mm晶圓廠設備安裝產能和300mm硅片出貨量對比來看，目前300mm晶圓廠總的規劃產能（含在建項目）是1080萬片/月。SEMI預測2020年300mm晶圓廠設備安裝產能為563萬片/月（約為規劃產能的52%）。隨著晶圓廠安裝產能的提升，300mm硅片需求量將進一步上升。
半導體硅片技術發展路線
集成電路在摩爾定律指引下不斷微縮（scaling），到28nm開始分岔，一條是按照FinFET結構路線繼續微縮，一條是走向FD SOI。FinFET的代表企業是TSMC、英特爾和三星電子；FD SOI是三星電子、格羅方德、ST和HLMC。
SOI，絕緣體上的硅（Silicon-on-Insulator），是一種功能性高端硅基材料，是差異化功能性集成電路襯底材料。它的特性有：全介質隔離、抗輻射、抑制短溝道效應、高速、低壓低功耗和低成本。
SOI作為高端硅基材料，被廣泛應用於汽車電子、4G/5G手機射頻前端、物聯網/傳感器、3D人臉識別等領域。在國防電子、硅光子、手機、傳感器等領域都可以看到有SOI的應用。在手機應用領域的RF器件，佔了SOI總用量的60%。
國內硅片企業發展現狀
在經歷了一波晶圓製造代工建廠的高潮後，硅片材料產業迎來了一個前所未有的大發展期。據統計目前在建和規劃的硅片企業有十幾家：華東片的徐州協鑫半導體、德州有研艾斯、宜興中環領先、上海硅產業集團（新傲、新昇）、杭州中欣晶圓、衢州金瑞泓，以及嘉興中晶半導體；中西部的鄭州合晶、西安奕斯偉、寧夏銀和半導體、重慶超硅半導體，還有大家不怎麼熟悉的邛崍超硅半導體、自貢經略長豐、欽州中馬啟世等。
綜合以上國內企業的特點，雖然有量但其發展質量讓人堪憂。尤其是國內12英寸/8英寸發展現狀呈現小而散（14家），缺乏國際競爭力；其次讓人擔憂的是將來全部投產會不會產能過剩？這確實是一個讓人擔憂的問題，從現在各公司公告的規劃的12英寸月產能之和已經達到了692萬片，這個數字已經大於了世界總產能總和。
上海硅產業集團董事長李煒告訴我們：“各公司公告的8英寸（重摻）硅片產能嚴重過剩，8英寸（輕摻）硅片需要在技術上突破，在成本上需要與Top5去競爭。目前來看12英寸硅片只有上海新昇取得了產業化突破，其他廠家還處在研發階段。“
單晶硅片成長史
讓我們來看看那張著名的化學元素週期表。可以看到，集成電路生產用材料元素，已從1985年的約10個元素，上升為2015年的約50個元素。30年發展了約5倍。這個數字從側面反映了半導體材料技術的進步。
談到硅單晶，我們必須感謝一個人，這就是波蘭科學家揚•邱克拉斯基（J. Czochralski）。他發明了提煉單晶硅的邱可拉斯基法，又稱直拉法，這是一種用來獲取半導體（如硅、鍺和砷化鎵等）、金屬（如鈀、鉑、銀、金等）、鹽、合成寶石單晶材料的晶體生長方法。他在1916年就發明了這種方法，直拉法最重要的應用是晶錠、晶棒、單晶硅的生長。
單晶硅片誕生於於50年代，60年代開始從1英寸硅片做起，到70年代的2英寸、3英寸、4英寸硅片，80年代開始做5英寸、6英寸硅片。從8英寸（200mm）硅片於1990年開始投產，到2000年的12英寸（300mm）硅片投產，中間相隔了10年。2010年前後由英特爾主推的18英寸（450mm）超大硅片由於投資過大而沒有完成，現在依然看不到商品化的時間表。
單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300mm）及18英寸（450mm）等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術的要求也越高。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區熔法（FZ）和外延法。直拉法、區熔法生長單晶硅棒材，外延法生長單晶硅薄膜。直拉法生長的單晶硅主要用於半導體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。區熔法單晶主要用於高壓大功率可控整流器件領域。外延片主要用於集成電路領域。
大硅片生產工藝技術
現在一般的概念8英寸（200mm）以上的尺寸都可稱之為大硅片。大硅片的生產工藝技術也是從拉單晶開始，不僅僅是面積增大帶來的工藝複雜度增加，而且在其他諸多控制因素上要求更高了。例如：對氧含量及其徑向均勻性、雜質控制、OISF控制等等。而其中對缺陷控制、氧沉澱控制、電阻值定量，以及摻雜及其徑向均勻性的要求也更高。
行業專家說，硅片核心技術史是一個挑戰極限的過程。例如晶體生長，已經到了完全消除原生缺陷的完美狀態。表面潔淨度，其顆粒尺寸19nm，要求1/100個 PM2.5。片內平整度要求指標10—100nm，好比1000公里只能有1-10cm的起伏。而金屬雜質對大硅片更是一個非常苛刻的指標，其表面金屬含量要求是1x10的7次方原子/平方釐米，好比在1千萬硅原子中不到1個金屬雜質。體金屬含量要求是1x10的9次方（原子/立方厘米），相當於1000倍地球人口找不到1個人。
從晶體生長的發展方向看主要是提高可用晶體的有效長度。其次是面向應用晶體的研發，存儲器件近完美晶體，射頻器件超高阻10000歐姆-釐米，功率器件超低阻0.001歐姆-釐米。
顆粒的尺寸也在不斷演進。半導體工藝從40-28-20-12nm技術節點的摩爾定律進化，顆粒尺寸也按照37-26-19nm尺寸演進。不僅對顆粒的尺寸有要求，數目也要求在個位數。
大硅片對平整度的要求更加苛刻。由於EUV的延遲，促使英特爾在22nm節點及之後的14nm、10nm首推了double、triple和quadruple的圖形化，對硅片的局域平整度（site flatness）提出了苛刻的10nm要求。
上海硅產業集團的國產化使命擔當
半導體硅片材料在市場中呈現“倒三角”的地位，半導體硅片120億美元市場規模支撐了4800億美元的全球半導體芯片產業和大於20000億美元的全球電子應用系統市場規模。
大基金和上海市政府共同發起成立的硅產業集團（NSIG），成立於2015年12月，是國內首家專注於硅材料產業及其生態系統發展的公司。NSIG皆在通過投資、併購、創新發展和國際合作提升我國硅材料產業綜合競爭力，通過國際併購和國內投資建立國產大硅片產業平臺。
上海硅產業集團著眼於全球佈局，旗下海外公司有控股11.5%的法國Soitec，100%控股的芬蘭Okmetic。
Soitec是全球最主要的MEMS硅片/SOI供應商，專注於定製化、高附加值晶圓產品，同時具有200mm硅片量產技術能力。Soitec是全球最大的200mm、300mm SOI生產商，SOI市場佔有率超過70%。芬蘭Okmetic是一家200mm硅片供應商，原全球第八大硅材料公司。也是全球最主要專業提供MEMS等傳感器領域的200mm/SOI等特殊用途的硅片供應商。
硅產業集團的國內佈局，旗下有上海新傲（控股89.2%）和上海新昇（控股98.5%）。
新傲聚焦SOI業務，尋求SOI差異化發展路線，目標建設國內高端SOI生產線。目前有6寸8寸線各一條，12寸工廠已建好，待時機投資生產線。2018年新傲營收創出歷史新高，主營收入突破7億元。其中外延業務同比增長38%，創歷史新高，SOI銷售實現翻番。新傲有計劃建立300mm SOI生產線，年產能100萬片。
新昇聚焦300mm硅片研發與產業化，也是第一家國產大硅片量產企業。新昇2014年開建，2016年10月31日，採用直拉單晶（CZ）法成功地拉制出第一根大產率300mm硅晶棒。2018年正片通過認證 達產10萬片/月 NPS研製成功，銷售實現翻番增長。2019年邏輯28nm、存儲正片等開始認證，第一百萬片產品下架。現有產能已達10萬片/月，擴建後可達100萬片月產能。
上海硅產業集團的戰略目標和未來發展將按照“一二三”的發展戰略：“一站式”硅材料供應商；兩個平臺：“大尺寸硅片”和“SOI特色硅片”；三條路徑：自主創新發展、對外合作併購、建設生態體系。
上海硅產業集團董事長李煒告訴我們，“成立硅產業集團的意義在於借力國家集成電路政策的推動，以實現國產大硅片的戰略需求。大硅片研發與商業化道路尤其艱難，技術人才，產業積累，缺一不可。現在新昇的國產大硅片已經突破了從“0”到“1”的第一關。“ 我們希望，在不遠的將來有更多的企業實現從“0”到“1”的第一關，更重要的是實現從“1”到“∞”的國產大硅片的終極跨越。這個目標，不僅是硅產業集團的使命擔當，也是我們全體半導體人的使命擔當。
（文章產業數據來源於上海硅產業集團，感謝！）
閱讀更多 智慧產品圈 的文章
