从半导体全产业链的眼光看，最基础的一环是材料产业，没有材料可谓是“无米之炊”。半导体材料细分起来有成千上万种，而其中的半导体大硅片可以说是半导体产业最基础、最直接、最核心的材料，没有之一。
经过近四十年的发展，半导体硅基材料正在朝大尺寸和功能化方向发展。从尺寸演变上看，从上世纪90年代的4英寸、5英寸、6英寸硅片，到现在的主流产品8英寸、12英寸（300mm）硅片。18英寸（450mm）的硅片一直在研发中，目前尚无商品化产品，也看不到产业化时间表。
从功能化方向看，一方面是应用于处理器（CPU、GPU）、存储器（DRAM、NAND FLASH）、逻辑电路（ASIC）的硅基大硅片，另一方面是从体硅材料向SOI材料发展的趋势，相比体硅，SOI的优势在于抗辐射，延续摩尔定律，并有超越摩尔的发展趋势。
国产大硅片：中国半导体产业链的重要一环
大硅片材料，目前还处于被国外大公司垄断的格局，尤其是300mm硅片，全球市场呈现出高度集中和垄断态势，并有逐步增强的趋势。
在硅片材料市场，三菱住友（SUMCO）与信越（Shin-Etsu）两家日本厂商长期占据全球硅片市场一半以上份额。2016年12月，环球晶圆（GWC）并购MEMC，一跃成为全球第三大硅片厂商。2017年2月，SK集团接手经营LG Siltron，LG Siltron 更名为SK Siltron。2017年5月，SUMCO决定砍掉大陆武汉新芯的硅晶圆订单，优先供货给台积电、英特尔、美光等大厂。2018年硅片材料全球Top 5的市场份额超过了91%， 300mm硅片Top 5的市场份额约98%，垄断度与集中度非常高。
▲ 2016年硅片市占率
▲ 2017年硅片市占率
中国的300mm晶圆制造版图
目前，中国大陆正在掀起一股300mm晶圆制造建厂热。据统计到2018年底，12英寸（300mm）晶圆生产线已投产14条，还有15条线宣布在建并预计2020年前投产。
▲ 中国在建和已投产的300mm晶圆制造生产线
（数据来源：中科院微系统所战略研究室）
据统计，中国300mm硅片需求将从2019年的Q3约57.4万片/月增加到2020年Q4约72万片/月。
从300mm晶圆厂设备安装产能和300mm硅片出货量对比来看，目前300mm晶圆厂总的规划产能（含在建项目）是1080万片/月。SEMI预测2020年300mm晶圆厂设备安装产能为563万片/月（约为规划产能的52%）。随着晶圆厂安装产能的提升，300mm硅片需求量将进一步上升。
半导体硅片技术发展路线
集成电路在摩尔定律指引下不断微缩（scaling），到28nm开始分岔，一条是按照FinFET结构路线继续微缩，一条是走向FD SOI。FinFET的代表企业是TSMC、英特尔和三星电子；FD SOI是三星电子、格罗方德、ST和HLMC。
SOI，绝缘体上的硅（Silicon-on-Insulator），是一种功能性高端硅基材料，是差异化功能性集成电路衬底材料。它的特性有：全介质隔离、抗辐射、抑制短沟道效应、高速、低压低功耗和低成本。
SOI作为高端硅基材料，被广泛应用于汽车电子、4G/5G手机射频前端、物联网/传感器、3D人脸识别等领域。在国防电子、硅光子、手机、传感器等领域都可以看到有SOI的应用。在手机应用领域的RF器件，占了SOI总用量的60%。
国内硅片企业发展现状
在经历了一波晶圆制造代工建厂的高潮后，硅片材料产业迎来了一个前所未有的大发展期。据统计目前在建和规划的硅片企业有十几家：华东片的徐州协鑫半导体、德州有研艾斯、宜兴中环领先、上海硅产业集团（新傲、新昇）、杭州中欣晶圆、衢州金瑞泓，以及嘉兴中晶半导体；中西部的郑州合晶、西安奕斯伟、宁夏银和半导体、重庆超硅半导体，还有大家不怎么熟悉的邛崃超硅半导体、自贡经略长丰、钦州中马启世等。
综合以上国内企业的特点，虽然有量但其发展质量让人堪忧。尤其是国内12英寸/8英寸发展现状呈现小而散（14家），缺乏国际竞争力；其次让人担忧的是将来全部投产会不会产能过剩？这确实是一个让人担忧的问题，从现在各公司公告的规划的12英寸月产能之和已经达到了692万片，这个数字已经大于了世界总产能总和。
上海硅产业集团董事长李炜告诉我们：“各公司公告的8英寸（重掺）硅片产能严重过剩，8英寸（轻掺）硅片需要在技术上突破，在成本上需要与Top5去竞争。目前来看12英寸硅片只有上海新昇取得了产业化突破，其他厂家还处在研发阶段。“
单晶硅片成长史
让我们来看看那张著名的化学元素周期表。可以看到，集成电路生产用材料元素，已从1985年的约10个元素，上升为2015年的约50个元素。30年发展了约5倍。这个数字从侧面反映了半导体材料技术的进步。
谈到硅单晶，我们必须感谢一个人，这就是波兰科学家扬•邱克拉斯基（J. Czochralski）。他发明了提炼单晶硅的邱可拉斯基法，又称直拉法，这是一种用来获取半导体（如硅、锗和砷化镓等）、金属（如钯、铂、银、金等）、盐、合成宝石单晶材料的晶体生长方法。他在1916年就发明了这种方法，直拉法最重要的应用是晶锭、晶棒、单晶硅的生长。
单晶硅片诞生于于50年代，60年代开始从1英寸硅片做起，到70年代的2英寸、3英寸、4英寸硅片，80年代开始做5英寸、6英寸硅片。从8英寸（200mm）硅片于1990年开始投产，到2000年的12英寸（300mm）硅片投产，中间相隔了10年。2010年前后由英特尔主推的18英寸（450mm）超大硅片由于投资过大而没有完成，现在依然看不到商品化的时间表。
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300mm）及18英寸（450mm）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域。外延片主要用于集成电路领域。
大硅片生产工艺技术
现在一般的概念8英寸（200mm）以上的尺寸都可称之为大硅片。大硅片的生产工艺技术也是从拉单晶开始，不仅仅是面积增大带来的工艺复杂度增加，而且在其他诸多控制因素上要求更高了。例如：对氧含量及其径向均匀性、杂质控制、OISF控制等等。而其中对缺陷控制、氧沉淀控制、电阻值定量，以及掺杂及其径向均匀性的要求也更高。
行业专家说，硅片核心技术史是一个挑战极限的过程。例如晶体生长，已经到了完全消除原生缺陷的完美状态。表面洁净度，其颗粒尺寸19nm，要求1/100个 PM2.5。片内平整度要求指标10—100nm，好比1000公里只能有1-10cm的起伏。而金属杂质对大硅片更是一个非常苛刻的指标，其表面金属含量要求是1x10的7次方原子/平方厘米，好比在1千万硅原子中不到1个金属杂质。体金属含量要求是1x10的9次方（原子/立方厘米），相当于1000倍地球人口找不到1个人。
从晶体生长的发展方向看主要是提高可用晶体的有效长度。其次是面向应用晶体的研发，存储器件近完美晶体，射频器件超高阻10000欧姆-厘米，功率器件超低阻0.001欧姆-厘米。
颗粒的尺寸也在不断演进。半导体工艺从40-28-20-12nm技术节点的摩尔定律进化，颗粒尺寸也按照37-26-19nm尺寸演进。不仅对颗粒的尺寸有要求，数目也要求在个位数。
大硅片对平整度的要求更加苛刻。由于EUV的延迟，促使英特尔在22nm节点及之后的14nm、10nm首推了double、triple和quadruple的图形化，对硅片的局域平整度（site flatness）提出了苛刻的10nm要求。
上海硅产业集团的国产化使命担当
半导体硅片材料在市场中呈现“倒三角”的地位，半导体硅片120亿美元市场规模支撑了4800亿美元的全球半导体芯片产业和大于20000亿美元的全球电子应用系统市场规模。
大基金和上海市政府共同发起成立的硅产业集团（NSIG），成立于2015年12月，是国内首家专注于硅材料产业及其生态系统发展的公司。NSIG皆在通过投资、并购、创新发展和国际合作提升我国硅材料产业综合竞争力，通过国际并购和国内投资建立国产大硅片产业平台。
上海硅产业集团着眼于全球布局，旗下海外公司有控股11.5%的法国Soitec，100%控股的芬兰Okmetic。
Soitec是全球最主要的MEMS硅片/SOI供应商，专注于定制化、高附加值晶圆产品，同时具有200mm硅片量产技术能力。Soitec是全球最大的200mm、300mm SOI生产商，SOI市场占有率超过70%。芬兰Okmetic是一家200mm硅片供应商，原全球第八大硅材料公司。也是全球最主要专业提供MEMS等传感器领域的200mm/SOI等特殊用途的硅片供应商。
硅产业集团的国内布局，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业务，寻求SOI差异化发展路线，目标建设国内高端SOI生产线。目前有6寸8寸线各一条，12寸工厂已建好，待时机投资生产线。2018年新傲营收创出历史新高，主营收入突破7亿元。其中外延业务同比增长38%，创历史新高，SOI销售实现翻番。新傲有计划建立300mm SOI生产线，年产能100万片。
新昇聚焦300mm硅片研发与产业化，也是第一家国产大硅片量产企业。新昇2014年开建，2016年10月31日，采用直拉单晶（CZ）法成功地拉制出第一根大产率300mm硅晶棒。2018年正片通过认证 达产10万片/月 NPS研制成功，销售实现翻番增长。2019年逻辑28nm、存储正片等开始认证，第一百万片产品下架。现有产能已达10万片/月，扩建后可达100万片月产能。
上海硅产业集团的战略目标和未来发展将按照“一二三”的发展战略：“一站式”硅材料供应商；两个平台：“大尺寸硅片”和“SOI特色硅片”；三条路径：自主创新发展、对外合作并购、建设生态体系。
上海硅产业集团董事长李炜告诉我们，“成立硅产业集团的意义在于借力国家集成电路政策的推动，以实现国产大硅片的战略需求。大硅片研发与商业化道路尤其艰难，技术人才，产业积累，缺一不可。现在新昇的国产大硅片已经突破了从“0”到“1”的第一关。“ 我们希望，在不远的将来有更多的企业实现从“0”到“1”的第一关，更重要的是实现从“1”到“∞”的国产大硅片的终极跨越。这个目标，不仅是硅产业集团的使命担当，也是我们全体半导体人的使命担当。
（文章产业数据来源于上海硅产业集团，感谢！）
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