大硅片，贯穿半导体制造全流程的唯一材料

硅片是以硅作为原材料，通过拉单晶制作成硅棒，然后切割而成的硅片。由于硅原子的最外层电子数是4，原子序数适中，所以硅元素具有特殊的物理化学特性。正是因为硅的这种特性，硅片主要应用在化学，光伏，电子等领域。特别是在电子领域，正是利用硅材料介于导体与绝缘体中间的元素属性，制造了现代工业的“石油”-芯片。在光伏领域，利用光电效应原理，光子可以改变硅原子之间的共价键，从而衍生了太阳能发电的应用。另外地球的地壳中硅元素占比达到26%+，而且开采较为方便，可回收性强，所以价格比其他材料要低，这样的特点更加增强了硅的应用范围。

半导体材料在不断进化，但硅材料仍为主流。半导体产品被广泛应用于各类电子产品中， 其重要性不言而喻。半导体材料作为制造基础，至今已发展到第三代。根据发展历史，第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体，最早使用的锗基材料超短时间可以追溯到上世纪50年代的美国西海岸，那也是整个半导体产业的发源地，今后我会在一些历史沉积故事讲到。得益于第一代半导体材料应用，集成电路产业得以快速发展。第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓、磷化铟和氮化镓等为代表，其促成信息产业崛起；而第三代半导体材料主要包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，其具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，成为下一代信息技术的关键之一。虽然半导体材料已经发展到第三代，但由于制备工艺、后续加工及原料来源等因素影响，硅材料依然是主流半导体材料。

不同应用场景对硅纯度要求有所不同。硅极少以单质的形式存在于自然界中，但在岩石、 砂砾、尘土之中其以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在。光伏行业对硅片纯度要求低，仅需达到 99.9999%，而用于半导体器件加工的硅片对纯度有着极高要求，需达到 99.999999999%（9个9）。此外，半导体硅片还对硅片的平整度、光滑度有较高要求，多晶硅经过进一步加工制造可制得单晶硅，单晶硅是硅片上游材料。 正因如此，半导体硅片的提纯和加工技术门槛极高，全球的半导体硅片市场形成高度垄断。据 Siltronic 统计，2021 年全球前五大硅片制造商为日本信越、SUMCO、环球晶圆、 SK Siltron 和世创，他们共同占据着半导体硅片市场 接近9成的份额。

硅片的发展可以归结为摩尔定律的发展。由于半导体用硅片是圆形，所以半导体硅片也叫“硅晶圆”或者“晶圆”。 晶圆是芯片制造的“基底”，所有的芯片都是在这个“基底”上制造，并在制造完成后，将基底切割成单个芯片，然后进行封装测试。在半导体用硅片的发展中，是按照尺寸和结构两个方向发展在尺寸方面，硅片的发展路径是从小到大；在集成电路发展初期，使用的是0.75英寸晶圆。后来为了降低单个芯片成本，不断增加晶圆面积，增加单片晶圆上的芯片个数。1965 年左右，随着摩尔定律的提出，集成电路技术和硅片迎来快速发展期。硅片的制造技术越来越先进，逐渐发展到4寸，6寸，8寸和12寸晶圆。2001 年，英特尔和IBM联合开发了12寸晶圆芯片制造生产线，目前全球半导体用硅片以12寸硅片为主，占比约为70%，往后还要发展到18寸（450mm）晶圆，我国的上海硅产业集团（沪硅产业）率先实现了12英寸硅片的国产研发替代进口和量产，是国内最早且目前12英寸产能最大的半导体用大硅片生产企业。

​ 硅片在晶圆制造材料中费用化占比最大。晶圆制造是半导体产业中重要一环，属于大产业链的中游制造环节，生产过程中会涉及多种材料比如电子特气、光刻胶及配套产品、大硅片、溅射靶材、湿电子化学品等。根据相关数据统计计算，硅片成本约占总材料成本的35%左右，所占比重为相关材料市场第一位。所以，硅片作为半导体生产重要原材料之一，硅片制备技术将对半导体产业发展产生一定的影响。