中国多晶硅占全球90%，芯片硅片却依赖日本！11N纯度鸿沟何时突破
文 | 金锐点编辑 | 金锐点
每天用的手机、办公离不开的电脑，核心都藏着一块指甲盖大小的芯片。
可很少有人知道，支撑这块芯片的关键材料硅，中国明明握着全球90%的多晶硅产能，却要花大价钱从日本进口芯片专用的硅片。
这就像家里种了一院子小麦，却得买别人磨好的精面粉才能做面包，问题到底出在哪？
答案其实就藏在“纯度”两个字里，从工业级多晶硅到芯片用的11N超纯硅片，这道看似简单的提纯坎，恰恰是中国半导体产业链眼下绕不开的关键难题。
提到数字行业的环境影响，很多人第一反应会想到电池里的钴、锂，却忽略了芯片背后硅材料的隐形门槛。
事实上，所有ICT产品不管是5G手机还是数据中心服务器，运行都离不开微芯片。
而微芯片对硅的要求，远比普通人想象中严苛，联合国曾做过统计，2018年ICT技术用到的镓、铟、稀土等关键元素。
仅占全球非煤炭元素开采总量的0.77%，这让不少人误以为数字行业对矿产的需求其实有限。
但这种认知其实漏掉了半导体行业的特殊性，微芯片不仅需要元素周期表中超过85%的非放射性元素，对每种元素的纯度要求更是到了吹毛求疵的程度，尤其是核心材料硅。
这里要先分清一个关键概念，我们常说的中国多晶硅产能占全球90%，大多是太阳能级多晶硅。
纯度集中在6N到9N范围，对应的纯净度是99.9999%到99.9999999%，主要用来制造太阳能电池板。
而芯片制造需要的是电子级多晶硅，纯度必须达到11N以上，简单说就是100亿个硅原子里，杂质原子不能超过1个。
这种纯度差异背后，是完全不同的生产流程。从最基础的石英砂开始，要先通过碳热还原法把石英砂变成纯度98%到99%的金属硅，这一步中国企业已经做得很成熟。
但接下来的提纯才是难点，要把金属硅放进西门子反应器，用化学气相沉积法提纯到9N多晶硅。
再用切克劳斯基工艺也就是直拉法拉成单晶硅棒，最后切片、抛光，才能成为芯片能用的硅片。
这每一步都像精细筛沙，要把比头发丝直径还小的杂质一点点去掉，任何一个环节控制不好，硅片的质量就会出问题。
更现实的情况是，全球能真正掌握11N硅提纯技术，还能稳定生产大尺寸硅片的企业，数量非常有限。
据2023年全球半导体材料市场报告显示，全球半导体硅片市场被日本信越化学、胜高、中国台湾环球晶圆、德国世创、韩国SKSiltron这五大厂商垄断，总份额超过90%。
其中日本企业的优势尤其明显，信越化学占30%，胜高占25%，两家加起来就超过55%。
而且在12英寸先进硅片领域也就是生产7nm、5nm等先进制程芯片的硅片，日企的技术和产能优势更难撼动。
反观中国，虽然多晶硅产能占了全球九成，但电子级多晶硅的自给率还不足40%，70%以上要从德国瓦克、日本信越这些企业进口。
就算是已经实现突破的12英寸硅片，国内企业比如沪硅产业、有研硅，良率虽然突破80%，但产能仅占全球15%，而且主要集中在28nm及以上的成熟制程。
像台积电、三星这些生产7nm以下先进制程芯片的企业，目前还是得靠日企供应的高纯度硅片。
毕竟芯片制程越先进，对硅片的纯度、平整度要求就越高，差一点点杂质就可能导致芯片失效。
可能有人会问，既然中国多晶硅产能这么大，为什么不自己把纯度提上去，直接生产芯片用的硅片？
这背后既有技术壁垒，也有产业链协同的难题，先看技术层面，电子级多晶硅的提纯过程，对设备和工艺的控制精度要求极高。
比如去除硅里的硼、磷这些杂质时，浓度要控制在0.1ppb以下也就是十亿分之一以下，这就要求反应容器的内壁必须做到纳米级光滑，不然杂质会粘在上面。
而且整个生产过程要在超洁净车间里进行，空气中的尘埃都可能影响纯度，日本企业从上个世纪七八十年代就开始做这行。
几十年积累下来，在热场控制、晶体生长这些关键技术上申请了大量专利，形成了技术壁垒。
中国企业要突破这些技术，不是靠短期投入就能实现的，需要时间和持续的研发积累。
再看产业链协同，硅片制造不是单打独斗，还得跟下游的晶圆厂配合，比如沪硅产业虽然能生产12英寸硅片。
但要满足中芯国际生产14nm芯片的需求，还得根据芯片设计调整硅片的电阻率、缺陷密度这些参数。
这个过程需要反复测试、磨合，而日企因为合作时间长，早就跟台积电、三星这些主流晶圆厂形成了稳定的供应链体系。
比如信越化学能根据台积电的制程需求，提前半年调整硅片的生产参数，这种默契短期内很难替代。
不过，这种依赖也不是一成不变的，最近几年，中国企业一直在加速突破纯度瓶颈。
协鑫科技研发的流化床法颗粒硅技术，已经能稳定生产9N以上的多晶硅，虽然距离11N还有差距，但为后续的提纯打下了基础。
沪硅产业通过跟中芯国际的合作，14nm制程用的硅片已经实现小批量供应。
还有新疆大全、内蒙古通威这些企业，也在建设电子级多晶硅生产线，预计2025年国内电子级多晶硅的自给率能提升到50%以上。
现在国内已经有8个电子特气产业园在建设，目标是到2027年实现关键前驱体材料80%自给。
这些努力虽然不能立刻填平11N纯度鸿沟，但确实在一点点缩小差距。
其实回头看，中国多晶硅占全球90%却依赖日本硅片，这种看似矛盾的现象，本质是半导体产业链规模大但精度不够的真实写照。
数字行业的物质性从来不是挖了矿就能解决，从多晶硅到超纯硅片的每一步，都是对工业精细化能力的考验。
现在国内企业已经找到了突破的方向，一边啃技术硬骨头，提升提纯精度，一边跟下游晶圆厂深度合作，完善产业链协同。
按照目前的进展，再过5到10年，随着技术成熟和产能提升，这道11N纯度鸿沟大概率会被突破。
到那个时候，中国不仅能种出满院子的小麦，还能磨出最优质的精面粉，在全球半导体材料市场上真正拥有话语权。
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