当日本限制6类23种芯片制造设备的出口时，我惊讶的发现，日本的半导体设备占有率达到了31.1%，但实际上日本在最厉害的还是半导体材料。

根据相关数据，半导体领域的19种关键材料中，日本有14种市场占有率超过了50%，这个数据着实可怕。

不过近日，中国市场传来好消息：上海沪硅产业硅片产能达到了30万片/月，年底实现45万片/月产能，进入全球六强。

这意味着，中国厂商突破了最重要的半导体材料，国产芯片产业链向前迈出了重要一步。

都说，国产芯片看制造，制造工艺看设备，制造材料看硅片。那么如此重要的硅片到底是什么呢？我们一起聊一聊。

芯片领域所使用的硅片就是单晶硅，它是硅的单晶体，具有完整的点阵结构，它的纯度要求达到99.9999999%。

那么如此高的纯度是如何做到的呢？这就是它的神秘之处。

实际上硅在地球上含量极高，地壳中硅含量高达25.8%，随手抓起一把沙土，里面就含有大量的硅，可以说单晶硅取之不尽用之不竭，只是制造过程比较麻烦。

1、制造粗硅

将硅砂（主要含量为SiO2）和焦炭以一定比例混合，放在电炉中加热至1600—1800℃，发生化学反应，生成粗硅，纯度为95%—99%。

化学式为：SiO2+2C=Si+2CO

粗硅中含有铁、铝、铜、碳、硼、磷等多种杂质，需要进一步提纯。

2、酸化提纯

将粗硅粉碎，碾压成粉，与干燥的氯化氢气体反应，需要用到合成炉，反应温度控制在250℃。

这一步可得到三氯氢硅（SiHCl3）。铁、铝、铜、碳、硼、磷等杂质也被酸化成氯化铁、三氯化硼、三氯化磷、三氯化铝等。

3、高效精馏

氯化物和三氯氢硅（SiHCl3）的沸点不同，可以通过精馏将其除去。

三氯化硼、三氯化磷沸点与三氯氢硅沸点接近，需要高效精馏才能除去。

4、生成高纯多晶硅

经过提纯的三氯氢硅与高纯氢气混合，在1150℃还原炉中反应，即可得到高纯度硅。

但此时的硅是多晶硅，依然无法使用在半导体领域。

5、晶体生长

为了达到芯片制造的要求，必须将多晶硅转变成单晶硅。

首先用单晶炉对多晶硅原料高温加热，再通过对速度，温度和压力等参数的调整，拉升出圆柱状的硅晶棒。

此时，才得到了我们所需要的高纯度单晶硅。

6、整形、研磨

硅晶棒还需要进行整形处理。去掉硅晶棒两端，检查电阻确定整个硅晶棒达到合适的均匀度，接着对硅晶棒进行径向研磨，使其直径大小一样。

7、切片

用激光对硅晶棒进行切片，达到要求的厚度。

8、研磨和倒角

对硅片两面进行研磨，去除硅片表面损伤层并且达到微米级别的平整度，同时对硅片边缘进行抛光处理，去除边缘的裂缝和裂痕，使硅片边缘充分光滑，增加硅片边缘机械强度。

9、刻蚀

通过化学溶液对硅片表面进行腐蚀和刻蚀，除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，进一步改善表面质量和提高表面平整度。

10、清洗

清洗经过上述工艺后硅片表面的颗粒和杂质，硅片需达到几乎没有颗粒和污染的程度。

11、CMP抛光

运用CMP技术对硅片两面进行抛光处理，使得硅片表面得到纳米级的平整和光滑。

12、检测

检测硅片的表面颗粒、晶片尺寸等是否达到客户的生产质量标准。

经过至少12个流程，才能得到我们所需要的硅片，由于其纯度高达99.9999999%，因此每一步都要求十分严苛。

单晶硅和多晶硅区别很大：单晶硅的晶面取向相同、多晶硅的晶面取向不同。多晶硅可以通过“长晶”生成单晶硅。

目前，全球硅片主要被5家公司垄断，分别是日本的信越化工（Shin-Etsu）和盛高集团(Sumco)、中国台湾的环球晶圆（Global Wafers）、德国世创(Silitronic)、韩国鲜京矽特隆(SKSiltron)。

这五家公司掌握了全球92%的硅片，其中日本产商市场份额超过50%，行业市场处于垄断格局。

中国硅片市场份额合计不足5%，沪硅产业市场份额为2.3%左右。

但从全球晶圆产能来看，我国占全球的份额超过了16％，这意味着国内硅片产能远不能满足需求，我们对海外硅片（日本、韩国）的依赖很严重。

考虑到2025年要实现70％的芯片自给率，那么硅片就成为了我们急需要解决的问题。

否则一旦硅片被卡住了，没有材料，再好的技术，再高的工艺，也造不出芯片来。

“师夷长技以制夷”，我们不妨学习一下日本的硅片技术和经验，壮大自己的芯片产业链。

日本厂商不仅垄断了硅片产能，在技术上也是最强的，是第一个实现12英寸大硅片量产的国家，并且这种优势一直保持到今天。

那么，为什么日本能够在硅片上保持垄断性的全球第一呢？这里面有什么门道呢？

其实，早在上世纪70年代，日本芯片产业快速发展时，就对硅片进行了布局。1970年日本有机硅产量约6000吨，1986年暴增至60000吨，产能上涨了10倍。

1989年，日本出台了硅类高分子材料研究开发基本计划，并投资了160亿元确立有机硅单体和聚合物合成与加工基础技术，进一步壮大了日本半导体硅片行业。

2001年，日本盛高集团率先研发出300mm半导体硅片，成为了行业楷模。

同时，日本推出的“官产学”模式，也是日本半导体产业成功的一大原因。

1963年，日本的NEC拿到美国仙童公司的半导体授权后，日本通产省立即出台了相关政策，集中人才、资金，企业间进行相互交流、共同攻关，同时技术分享。

多年后，形成了NEC、东芝、索尼、东京电子、盛高集团等一批强大的日本半导体公司，让日本半导体一度成为了“世界第一”。

尽管后来，在《日美半导体协定》和“301”大棒下，日本半导体一败涂地。但日本的半导体材料行业绝处逢生，再次发展为“全球第一”。

可以看出，日本在硅片领域的领先，并非“小宇宙爆发”，而是多年的研发、学习以及政策支持，最终取得成功的。

所以，国内企业需要静下心来搞研发，同时积极吸取他人的经验和技术，再加以政策和资金支持，国产硅片必然会实现逆袭超越。

国产硅片目前面临三大难题，急需解决。

第一、资金难题

半导体硅片属于上游市场，规模不大，利润不高，但是投入巨大，成本高昂，需要大量资金支持。

2022年，全球硅片市场也就138亿美元，约合人民币992亿，不足千亿的市场，确实不大。

国内第一的沪硅产业，在2021年时还处于亏损状态，2022年净利润也仅1.1亿。

此时，需要拿出大笔资金进行投资，和世界巨头抢饭吃，着实难为了点。

第二、设备难题

硅片领域中，各大硅片寡头都有自己的独家供应商，日本信越化学自己能够制造单晶炉。

反观我们，半导体设备一直是我们的弱点，制造、封装设备长期依赖美、日、荷。

在硅片制造环节，国内企业主要进口海外设备，切割机来自日本的NTC和瑞士的SlicingTech，倒角机来自日本东京精密和大途电子。

国产替代当然也有，但是精密度和整体质量不足，厂商们都不爱用。设备厂卖不出设备，自然就没有资金去搞升级迭代，差距也会一直存在。

第三、硅片销路难

硅片造出来就万事大吉了？当然不是，还要考虑销路。

全球晶圆大厂对硅片寡头十分依赖，比如台积电、三星、英特尔等会优先考虑信越化学、盛高集团、环球晶圆的产品，为什么呢？因为放心。

试想一下，投资几百亿的生产线，几十上百台高精尖设备，几千道工序，最后制造出来的芯片居然无法使用，这岂不是损失巨大。

所以，一整套工艺成熟后，晶圆厂是不会轻易更换供应商的，尤其是将头部供应商换成小型供应商。

所以，沪硅产业想要逆袭，成为台积电、三星、英特尔等大厂的头牌供货商，还需努力。

硅片是芯片制造中最大成本的材料，占据晶圆制造成本的37%。而全球硅片市场基本被日、韩、德所把控。

好消息是，国内的沪硅产业快速成长，2022年营收达到36亿，同比增长246%，成为业界增长最快的企业，也成为全球第六大硅片供应商。

沪硅产业加大投资，计划在2023年实现45万片/月的产能，未来目标争取突破120万片/月，实现逆袭超越。

当然，这需要国内科技人才、产业人士的共同努力。

我是科技铭程，欢迎共同讨论！