晶片的世界丨這根棒子也要卡脖子?它是迄今人類提取的最純物質

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大家好，這是一篇關於晶片領域最基礎的原材料「單晶矽棒」的科普文章，這是一根神奇的棒子！

在正式開始前，請先讓我簡短的說一點兒別的內容。有讀者可能發現，這篇文章的標題多了個前綴「晶片的世界丨」。

晶片對於我國有著特殊的意義，是我國科技領域的最大瓶頸，這顆芯也折磨著無數讀者的心。大家盼著我國晶片技術突破，盼著5nm光刻機誕生，盼著華為挺起胸膛向美國怒吼，盼著我們自己的實體清單上能列滿美國企業名單......

技術進步是需要時間的，為了讓不了解晶片的讀者在漫長的等待中，能夠對晶片多一些認識，也能更好的去消化各種晶片相關的信息，我準備圍繞晶片，多寫幾篇文章，爭取形成一個系列。如果您對我的文章感興趣，歡迎關注我！

文章內容會圍繞著晶片設計和生產，晶片設計包括了基礎知識、設計工具、指令集和架構、晶片產品設計等；晶片生產包括了原材料、製造設備、生產、封測等。看完之後，你會發現，光刻機只是晶片行業的滄海一粟，晶片的世界實在是太大了！

文章內容爭取做到讓文科生也能理解，大家在閱讀的過程中，就權當在為我國晶片事業加油吧！

接下來讓我們進入正文，謝謝大家的耐心！

正文

矽，是地球中儲量排名第三的元素。

第一是鐵，約佔32%，地球內部基本是一個滾燙的大鐵芯；

第二是氧，約佔30%，主要存在於地殼和空氣中，是構成各種化合物的基礎。

而矽，約佔15%，主要存在於地殼中，以二氧化矽和各種矽酸鹽等化合物的形式，廣泛存在於礦物、巖石和沙子中。

我們應該記住一個科學家，瑞典化學家瓊斯·雅可比·貝採裡烏斯（Jons Jakob Berzelius)，1823年他發現矽是一種元素。

關於矽有一些有趣的事情，給大家舉兩個：

矽以前叫做矽（xi 一聲），是從英文Silicon音譯來的。因為與另外的化學元素「錫」和「硒」同音易混淆，我們大陸在1953年改為矽。而港澳臺還使用「矽」字，如「矽谷」（矽谷），所以大家看到矽谷不要以為是寫錯了。矽和碳是同族元素，地球中矽含量15%，而碳則屬於others，和另外109種元素加起來才佔1.2%。可是地球上的生命卻是碳基的，這在概率上說不通啊，所以有些人認為地球生命起源於外星球，也就是說我們人類是地球的殖民者，這聽起來是不是很科幻。當然更多的科學家認為碳比矽有更好的活性，容易和其他元素構成大分子有機物，所以外星人的觀點僅供大家娛樂。也有一些科學家堅信宇宙中確實有矽基的生命體，就是不需要呼吸氧氣的那種。

矽的用途實在太多了，是現代人離不開的元素。冶煉用的工業矽、化工用的有機矽、光伏用的多晶矽、商砼(tong 二聲)用的矽粉，還有晶片用的單晶矽。矽可以說上得廳堂，下得廚房！

矽的半導體特性

關於晶片為什麼一定要用半導體這種偏理論的知識，我們放到後續文章去談，這裡就科普一下矽的半導體特性。

矽半導體特性的發現是一個曲折的過程，矽元素被發現後，人們對矽的認識很迷茫。矽到底是金屬還是絕緣體？當時的人認知比較簡單，認為金屬是導體，不是金屬就一定是絕緣體。這一爭論持續了100多年，最終人們才發現矽既不是金屬，也不是絕緣體，而是半導體！

矽的半導體特性，從學術上來講，是因為矽原子形成晶體時，有三個能帶：導帶，禁帶和價帶。如果有電子在導帶，就能移動並導電。可惜平時電子處於價帶，和導帶之間隔著禁帶。但是在某些條件下，比如電壓、電流、光照和熱等因素激發，電子就跳過禁帶躍遷到導帶，所以就能導電了。

如果有讀者還不清楚，咱再舉個生動的例子：

矽晶體的價帶就相當於一個國家的國內，禁帶就相當於海關，而導帶相當於出國的航班。電子就是國內的人，平時沒有護照和籤證是沒法出國的，海關會把你攔下來。可一旦你辦了護照和籤證，就可以順利通過海關坐上出國的航班，一路暢通無阻。護照和籤證就相當於電壓、電流、光照和熱。

順便說一下，導體中的電子相當於有國外綠卡的人，可以隨便出國。而絕緣體中的電子相當於護照被組織收上去的體制內人員，哪也去不了。

其實純矽的半導體特性並不實用，因為它的禁帶比較尷尬：

對於低壓應用，比如晶片，它的禁帶太寬，相當於海關手續太繁瑣。所以在實際應用中要添加其他元素調節禁帶，一般是硼和磷，在禁帶和導帶之間形成雜質能帶，作用就相當於簡化海關手續，一站式通關。對於高壓應用，比如大功率器件，它的禁帶又太窄，相當於海關監管不嚴，一有衝關就把不住了。所以需要更寬的禁帶，第三代半導體碳化矽，砷化鎵就應運而生，我的其他文章有說到第三代半導體。本文討論的主要是電腦和手機的低壓晶片，所以要對純矽添加雜質。要添加雜質，首先得有純淨的單晶矽才行，接下來咱們就說說單晶矽的生產。

能讀到這的讀者，敬佩你，請加油！

單晶矽棒

單晶矽棒

上圖這根棒子，就是我們今天的主角——單晶矽棒。

矽是迄今為止人類能夠提取的最純物質，純度最高能夠達到99.99999999999999%，不用數了，一共是16個9！真的如夢幻一般！可以說純矽比鑽石更能代表愛情的純潔！

矽的純度一般用N表示，N代表「nine」，也就是9。純度4N就是99.99%。

光伏需要的矽純度是6N，晶片需要的矽純度是11N。

11N是什麼概念呢？一千億個矽原子中最多有一個雜質原子！或者說，十三倍的地球人中，最多有一個外星人！

這麼高的純度，大家一定很好奇這根棒子是怎麼生產的呢？請有興趣的讀者接著看。

其實，這根棒子是自己長出來的，神奇不神奇？像不像科幻電影中的液態機器人？

單晶矽的製備方法叫直拉法，也是很多晶體的製備方法。如矽、鍺、砷化鎵、紅寶石、白寶石等等。

這一方法是由丘克拉斯基在1916年首創，歷史夠悠久吧？1916年我們在幹啥？我們才剛推翻清王朝統治5年，所以說科技進步不是一朝一夕能夠完成的！

回到正題，直拉法是在矽熔液中插入有一定晶向的籽晶，使其略有融化，然後控制溫度，緩慢地將籽晶垂直提升，拉出的液體固化為單晶，調節加熱功率就可以得到所需的單晶棒的直徑。整個過程如下圖所示：

舉個形象的例子，這就像粘糖葫蘆一樣，把糖熬化，然後把糖葫蘆放進鍋裡，只要控制溫度，提起來的速度足夠慢，就能在頂端拉出細細的糖絲。

這樣一說，是不是就少了高科技的感覺，而多了一些煙火氣。

當然實際生產是很複雜的。首先我們需要一個生長爐，因為要密閉。這樣既易於控制溫度，也防止汙染。然後要向爐內吹入惰性氣體氬氣，既能減壓拉晶，又能通過氣流帶走揮發的氧化物雜質。還有很多控制程序，這個爐子可不是普通的鍋爐。生長爐大概是這個樣子：

提拉過程還要配合旋轉，晶體的旋轉和溶液坩堝的旋轉方向是相反的，生長過程遵循表面能最低的原則，所以最後形成的是一個圓棒，而不是方的。很多人都不清楚這其中的原因。

矽片

矽棒經過切割打磨，就是我們經常在半導體文章中看到的矽片了，也叫拋光片。

看到它，讓我想起了劉強東早年在中關村賣過的光碟！

矽片的直徑主要有150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）、300mm（12英寸）和450mm（18英寸）等規格。

由於晶片是方形的，矽片尺寸越大，邊緣的浪費就越小，利用率越高。目前廣泛應用的是8英寸和12英寸規格，臺積電5nm產線使用的就是12英寸矽片。18英寸何時普及還是個未知數，大家可以感受一下12英寸和18英寸的差別：

12英寸和18英寸矽片

好了，說到這，我們關於矽的科普基本就結束了，大家應該對矽、矽棒、矽片都有了一些了解，至少知道了晶片最初的樣子。

接下來咱們就看看我國在矽原材料產業上的發展現狀。

產業現狀

全球排名前五的半導體矽片供應商為日本信越化學、日本勝高、中國臺灣的環球晶圓、德國Siltronic和韓國SK Siltron，這五家全球市場佔有率超過90%。

大家看到這個數據就能明白了吧，目前矽片的市場還是國外在壟斷，即使是國內的晶片廠家，也是嚴重依賴國外矽片供應。這一領域絕對是卡脖子的關鍵一環！

我國的產業呢？先說一個好消息，新美光（蘇州）半導體科技有限公司今年7月發布了18英寸 11N純度的半導體級單晶矽棒，改變了國內無自主18英寸半導體級單晶矽棒的局面，將在28nm以下晶圓廠實現國產替代。

這是目前我們在矽棒和矽片領域的最先進技術，雖然18英寸實際應用還不大，但是18英寸搞得定，12英寸肯定也沒問題！除了新美光，重慶超矽半導體也有18英寸產品。當然，銷量嘛，18英寸的不重要。

12英寸呢？這是電腦和手機晶片的主流尺寸。目前新美光、重慶超矽、TCL控股的中環半導體、滬矽產業旗下的上海新昇都能夠生產，國內暫時應該就這幾家了。在上面提到的五巨頭面前，這四家顯得人單勢孤。

這裡要單獨說一下滬矽產業，這是上海的一個集團公司，它還控股了芬蘭Okmetic和法國Soitec兩家矽片生產公司。

能生產8英寸的企業多一些，杭州立昂微、崑山中辰、北京有研新材、南京國盛、中電科46所、滬矽產業旗下的上海新傲都能生產。8英寸基本都是做一些小的器件，比如指紋識別、電源管理和顯示晶片之類的。

2019年，8英寸國產化率10%，12英寸國產化率小於1%，國產12英寸矽片在國內晶片廠中大都為測控片，正片的銷售較少。究其原因是因為晶片廠商不敢輕易用在產線上，萬一有問題可能就是幾千萬美金的損失。

上面說的是現在的狀況，那未來呢？

可以這麼說，矽片產業是經歷過投資狂歡的。在前幾年全球產能吃緊的情況下，國內多地都掀起矽片投資熱潮。有分析表明，截至2019年國內大矽片項目總投資額達到1349億元，目標產能合計642萬片/月。

來源：華夏幸福研究院

大浪淘沙，從現在矽片行業的市場佔有率，也能看到效果並不明顯。

今年以來，面對晶片困局，半導體產業倍受矚目，晶片領域投資不斷，但是已經很少看到矽片項目的身影了，矽片項目投資進入了冷靜期。

而目前存量的項目，就構成了未來國產矽片行業的基石，也是未來矽片行業向上突破的主力。

後話

看了上面的分析，大家應該清楚，我們的晶片產業整體上是比較落後的，不只是光刻機，就連原材料矽棒和矽片，也是嚴重依賴國外供應。

其實不僅僅是矽片，還有今天沒有重點說的矽晶生長爐，也是主要來自於海外供應商。雖然國產設備廠商在單晶爐、研磨機、拋光機等方面均已有研發和生產，但是由於起步晚，在質量、精度等整體水平上與進口設備存在差距。

可正是這樣，我們才要奮起直追，而不是自怨自艾。別的不說，如果我們國內晶片行業的內循環不能打開，就前期各個領域投入的項目資金，只怕都要打了水漂。如果沒有國內市場支撐，這些後入場的企業，憑什麼能從矽片國際五巨頭手中搶得訂單？又有哪家晶片廠家敢下賭注去首先採用他們的矽片？

萬事開頭難，還好我們在各個行業已經開了頭，只要大家能夠腳踏實地，就像任正非說的那樣，向上頂破天，向下扎到根，不管是晶片哪個領域，都能夠取得突破！

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謝謝！