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作者：丰宁
硅片作为芯片制造最重要的基础原材料，伴随半导体各种应用需求的衍生，硅片市场出货量与需求量均不断递增。
集成电路使用大尺寸硅片带来的经济效益明显，比如12 英寸硅片的面积是 8 英寸的 2.25 倍，可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右，单片可产出的芯片数量增加，单个芯片的成本随之降低。在当下行业对产能要求大量增加的情况下，12英寸硅片的优势越来越明显。
01、12英寸硅片已成热潮
12英寸硅片现已成为所有先进半导体制造厂不可或缺的关键材料。从下游应用来看，12英寸硅片的需求主要来源于存储芯片、逻辑芯片等应用，终端应用领域主要为智能手机、PC/平板、服务器、电视/游戏机等，分别占比32%、20%、18%和10%，服务器、工业、汽车、通信应用占比较小，分别占6%、5%、5%及4%左右。
随着格芯（GlobalFoundries)、英特尔（Intel)、三星（Samsung)、德州仪器（Texas Instruments）和台积电（TSMC) 等国际大厂纷纷宣布扩产计划，硅片需求量不断增大。中国大陆 12 英寸硅片厂也进入资本开支高峰期，国内的中芯国际、华虹集团等厂商陆续进入加速扩产期，产能快速增长。根据SUMCO发布的全球12英寸硅片需求预测数据，到2025年全球12英寸硅片需求将达到910万片/月。
然而中国最常用的12英寸硅片产品主要依赖于进口，能够批量生产大尺寸半导体硅片的企业数量相对较少。目前，中国具备12英寸半导体硅片生产能力的厂商有立昂微、沪硅产业、环球晶圆、中环股份、有研半导体、上海新昇等。随着 12 英寸大硅片需求持续拉升，国产硅片厂商也进入了“大硅片扩产潮”。
02、月产百万片，产能大爆发
根据沪硅产业2021年年度报告显示，其募投项目“集成电路制造用300mm高端硅片研发与先进制造项目”以子公司上海新昇为实施主体，已完成30万片/月的安装建设，并启动新增30万片/月的扩产建设，项目工期42个月，预计到2025年12英寸产能到达60万片/月。
根据中环股份年报，截至2021年底，12英寸半导体硅片产能为17万片/月，至2022年底预计产能约30万-35万片/月。中环股份表示，将通过启动天津新工厂的建设、加速江苏宜兴二期项目的实施，快速扩充产能，并有可能较原计划（2023年底）提前实现6英寸及以下110万片/月，8英寸100万片/月，12英寸60万片/月的产能目标。
立昂微2022年半年度报告显示，其12英寸硅片规模上量明显。今年3月，立昂微斥资15亿元收购了国晶半导体58.69%股权，以加强存储、逻辑芯片用轻掺12英寸硅片的市场地位，之后将其更名为金瑞泓微电子（嘉兴）有限公司。
目前立昂微12英寸硅片运营主体包括子公司金瑞泓微电子（衢州）有限公司和金瑞泓微电子（嘉兴）有限公司，其衢州基地12英寸硅片在2021年底已达到月产15万片的产能规模，在建月产10万片的产能。嘉兴金瑞泓12英寸项目设计产能40万片/月，目前全部厂房已经建成，生产集成电路用12英寸硅片全自动化生产线已贯通，设备正在陆续到位，预计2023年底形成第一期15万片/月的产能。
2020年鑫晶半导体一阶段10万片/月产能已正式投产，预计2022年底产能扩充到30万片/月。鑫晶大硅片项目一期投资68亿元，建设12英寸半导体大硅片长晶及切磨抛生产线，年规划产能360万片。
今年6月，西安奕斯伟硅产业基地扩产项目于西安市高新区开工，奕斯伟硅产业基地目前拥有一座50万片/月产能的12英寸硅片工厂，已于2020年7月投产。二期项目计划新建一条12英寸硅片生产线，规划产能50万片/月，建设年限为2022年-2026年，满产后总产能将达100万片/月，出货量有望跻身世界前六。
去年12月，杭州中欣晶圆半导体股份有限公司半导体12英寸大硅片二期扩建项目竣工，项目从2021年3月份开始筹划，到12月20日竣工，建设时间共计历时9个月左右，助力中欣晶圆12英寸硅片产能在2022年底增加至每月20万片。
今年年中，合晶也在其股东会上表示，积极切入12英寸硅片，在龙潭厂建置3万片产能，强化N 型低阻重掺硅片技术，并开发逻辑元件用P 型半导体所需轻掺硅片。此外，合晶科技还将启动大陆郑州厂扩产，其郑州厂原本12英寸月产能约1万片，预计最快今年下半年可逐步增为2万片。两部分产能合计，预计2023 年底，12 英寸产能可达月产能5 万片规模。
03、上量同时，仍需解决哪些难题
提高良率
在摩尔定律的驱动下，半导体芯片的制程已经从较为成熟的制程 90nm、65nm、45nm逐渐发展至当前7nm、5nm、3nm。随着制程的不断缩小，芯片制造工艺对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容忍度不断降低。在先进制程工艺下，大硅片的表面微粗糙度、硅单晶缺陷、金属杂质、晶体原生缺陷、表面颗粒尺寸和数量等技术指标要求也更加高，这些参数将直接影响硅片的成品率和性能。
早在2012至2013年科技部的02专项中，就有大硅片方面项目的经费准备，但迟迟不能立项，原因就是虽然有国内研发机构曾经做过12英寸大硅片，研发成功，但由于良率不高还不能量产。直到现在，12英寸大硅片的良率也是困扰硅片企业的一大难题。沪硅产业曾表示其2018-2021 年产能与达产率较低造成高单位成本，12英寸硅片毛利率持续为负，如今12英寸大硅片的正片率正在不断爬升。就目前来看，“良率不高”依旧是阻碍12英寸硅片国产化进程的最大障碍。
降低成本
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。
因为8英寸产线建厂时间较早，产线基本已折旧完毕，且技术较为成熟，在部分制程要求不高的芯片上成本较低，但12英寸对代工企业厂房洁净室及设备的设计精密度要求都较高，需要购买昂贵先进的生产设备，亦需要根据客户需求不断进行修改或调试，前期固定资产投入量大。
甚至部分厂商仍然采用老产能生产大硅片，这就会使大硅片生产具有一定的难度，比如单晶炉副室如果尺寸不够大，装不了大直径的单晶硅棒，很多切片机也切不了大尺寸的硅片；而且热场直径太小，拉大尺寸单晶硅棒成本也将更高。因此降低设备和研发成本是激励更多厂商投入12英寸硅片生产的一项重要原因。
加速进入批量供货
芯片制造企业对于引入新供应商态度谨慎，为了保证产品质量的稳定性和一致性，需要经过很长时间的认证周期。通常芯片制造企业会要求硅片供应商先提供一些硅片供其试生产，待通过内部认证后，芯片制造企业会将产品送至下游客户处，获得其客户认可后，才会对硅片供应商进行认证，最终正式签订采购合同。新进半导体硅片厂商要成为客户主要供应商一般需要5年以上的认证过程：2年左右的产品流片评估——1年左右的陪片和测试片稳定供应——低价格低数量订单正片供应1 年——正常价格订单的 B 类和 C 类供应商——主要供应商。加速通过芯片制造企业的认证也是加快硅片制造厂商获得收益的路径。
04、结语
张汝京曾说，“从整个电子产业链看，我国集成电路产业在设计、封测环节已做得不错，整机环节则做到了全世界最强；而现在，设备制造方面也有了很大进步，只是集成电路等级的硅片产业基础还很薄弱，12英寸芯片级硅棒和衬底制造是目前国内半导体价值链上缺失的一环。”
12 英寸硅片如今已经成为先进制程的主流方案。虽然中国12英寸半导体硅片发展较晚，但目前部分项目已取得阶段性成果，现在正处于国产大硅片自给之路的开端，后期任重而道远，中国的硅片产业仍在不断努力、坚持和投入。
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