引子：
上一期我们讲到，如何从一堆硅石硅砂里取出硅锭和单晶硅棒，即将开始切成硅片；同时也提到，从这一步开始，芯片的国产之路，将进入首个被卡脖子的环节。这一点，不少同学肯定会有疑惑，因为去网上搜一下单晶硅产能，会发现我国占比超过全球90%，这不是优势很大吗？这里大家要区分一下，用于制造太阳能电池和组件的光伏级单晶硅和用来制造芯片的半导体级单晶硅。两者最大的区别，在于硅的纯度：光伏级单晶硅的纯度是6个9，而半导体级普遍要求10-11个9，相差好几个数量级。此外诸如表面平整度，金属杂质等指标上，半导体级单晶硅也严苛许多，因此尽管两者的制造流程基本相同，但在厂房设备和控制精度上相差悬殊。
光伏与半导体
目前我国生产的单晶硅料和硅片，绝大部分都是光伏级。从产业规模看，光伏产业的全球市场份额，在1000亿美元左右的规模，近年的生产和市场增量基本都在我国，所以光伏级单晶硅的产量我们吊打全球。但用来做芯片的半导体级硅片，大陆企业的产能占比就骤降到不足5%。虽然半导体硅片的市场规模，只有100多亿美元，看上去没什么肉，但别忘了，这只是整个半导体产业链的最上游。越往下走利润就会以指数级形式增长，有了硅片，你才能做芯片；而芯片市场规模，就高达4000亿美元，有了芯片，你才能生产电脑，手机等各类电子产品。到这，就是一个远超光伏行业的万亿美元级别民用和军工的大市场。
整个半导体产业链环环相扣，上中下游，如同三层蛋糕，每一层都是下一层的入场卷。以前全球半导体产业分工明确，你可以买一张入场券，吃下层大蛋糕，但在逆全球化的大背景下，如果自主化程度不高，就容易受制于人。比如现在卡住中游的芯片供应，会让你造不出手机，以后假如被卡住上游的硅片供应，就会连晶圆和芯片生产都成问题。这里肯定有小伙伴要问：硅片，晶圆和芯片是什么关系？简单来说，就是”祖孙关系”。硅片就是光秃秃的晶圆，要经过光刻，外延，刻蚀等一系列操作之后，变成包含有数百枚芯片的成熟晶圆，再经过切割，封装，就成了一个个独立的芯片。打个简单的比方，硅片就像是煎饼，晶圆是加了鸡蛋火腿的高级煎饼，芯片是让老板切下来一块拿盒子装好给你的高质量煎饼。
硅片制造1-6
硅片是怎么来的？绝对不是你看到的科普视频里面，砍两刀就行了，硅棒可不是保熟的西瓜，这里面至少有10个步骤：首先拉出来的硅棒会被截去硅头硅尾，当然切下来的部分，如果质量好，还可以削成籽晶，用来拉出新的硅棒，实现硅棒生产的无限套娃；接下来会用四探针法测量棒身的电阻率，用来检查轴向的杂质浓度是否异常，检测完成后将其裁成30厘米左右长度的硅段.
然后进入下一道工序——滚磨。顾名思议，就是将硅段固定在机器上，让其缓慢滚动，用侧面的金刚石砂轮，简称金轮，对棒身进行打磨，由于直拉法无法精确的控制晶体生长，获得一个完美的圆柱体，所以得先拉出一个粗一点的硅棒，再通过滚磨，得到想要的目标尺寸。硅段与金轮的剧烈摩擦会大量发热，需要持续加水降温，滚磨完成后，会在硅段侧面再磨出一个平面或者一道沟槽，这就是以后硅片上的定位边（flat)或定位槽 （notch).光刻机需要通过它们来对硅片进行最开始的定位和校准，在业界，定位边还有一个小作用，就是标明硅片的类型和晶向。关于晶体的晶向，这里就不展开讲了，有兴趣的同学可以去看材料科学基础第一章。
接下来要把硅段切片，以前普遍使用内圆切割机，你可以理解成是一种带有环形刀片的狗头铡。优点是切割稳定，切面较平整，但缺点也很明显：效率低一次只能切一片，而且由于刃口较厚，切割时损耗的硅料较多，并且不适合处理相对更薄的大尺寸硅片。目前主流的切片方式是使用金刚线的多线切割机，也就是用上面固定有金刚石颗粒的钢丝线，同时对硅段进行多段切割，这种线切法，虽然不如传统刀片稳定，后续硅片打磨的时间也更长，但胜在切割效率高损耗低，以后说不定还能用来对付三体带路党。切下来的硅片会先经过一遍机械打磨，让表面更加平整，同时让整体变薄。比如12英寸的硅片通过磨片，会将厚度减到775微米左右。某些硅片还要做背损伤，也就是认为制造一个粗糙的背部，比如在背面喷砂或者沉积一层多晶硅，这样做是故意在底部制造大量晶体缺陷作为陷阱，把后续工艺中不想要的金属杂质困在底层，从而保护上层的器件。
在工程师眼里没有永恒的优点缺点，只有能否被利用的特点。下一步要通过倒角机把硅片边缘的直角边磨成圆弧形，这是因为高纯度硅是一种脆性很高的材料，这样处理可以降低边缘处发生崩裂（chipping）的风险，除此以外有弧度的边角在后续的芯片制造工艺中还有两个作用，一是在光刻时，光刻胶是通过旋转的方式涂抹在硅片表面上的，如果边缘是直角边，光刻胶容易因为离心力，在边缘处累积造成厚度不均，从而影响光刻；二是在做外延生长时，沉积物也会优先堆积在直角边影响沉积效果，而圆弧状的角可以消除边缘沉积的现象（Edge Crown).这里如果听不懂没有关系，光刻和外延生长是芯片生产的重要工序，我以后会再给你讲一遍。
硅片制造7-10
磨片和导角完成后厂商一般会对硅片打上激光标识码，再进行一遍精摩去除10微米左右的厚度，然后会放入溶剂中进行化学刻蚀，通常使用氢硝酸和氢氟酸，腐蚀掉表面约20-50微米左右的厚度，来去除之前的打磨过程中硅片积累的机械损伤以及混入硅片表层的磨料。到此经过一系列打磨和刻蚀之后硅片表面已经很光滑了。但用来制造芯片它还不够光滑。因为在之后的工序中需要光刻机把图形投影到硅片上，你可以类比在家里关了灯用投影仪看小电影，如果幕布不够平整有起伏的倾角或者局部的凹凸，那投射上去的影像就会变形失真，影响观看体验，而在光刻中，硅片就相当与幕布，而光刻的图像尺寸和精度都是纳米级的，所以要求硅片表面是一个完美的平面。一点点起伏参差或者局部凹凸都会影响光刻效果。
根据04年的国际半导体技术发展蓝图，12寸硅片的整体平整度要小于51纳米，这相当于在电影院挂一块IMAX幕布，起伏比一根头发丝还要细。为了达到这种极致的平坦，需要对硅片进行化学机械抛光，简称CMP（Chemical_Mechanical Polishing)，这一步是结合了物理和化学的理综型抛光手段，具体做法是将硅片装在旋转的抛光仪器上，下降到下方，表面薄层会先被研磨液化学氧化，再被抛光垫物理打磨，这一步硅片厚度会再打薄5微米左右，直到被抛光成完美的镜面，通常对8英寸硅片经行单面抛光，12英寸的硅片进行双面抛光，这样就得到了一枚抛光片.
最后还要用去离子水和各种化学溶剂进行清洗，去掉制程中粘附在硅片表面的各种尘埃和杂质，这些颗粒物会影响芯片的制造流程，造成器件的短路或者开路，除了要严格控制污染物密度之外，其颗粒大小往往还不能超过特征尺寸的一半。所以在先进制程中，能允许的单个颗粒物直径最多只有几纳米，这个要比无菌手术严格多了。要知道一粒流感病毒的直径就能有100纳米，细菌就更大了。所以很多硅片厂或晶圆厂里的打工人得了感冒必须休假，否则打一个喷嚏，都可能污染芯片，这也是为什么疫情对芯片产能打击格外严重的原因之一。
硅片的清洗，以及上述提到的刻蚀和CMP，也是之后制造芯片需要不断重复的重要工序，我以后还会详细讲解。在平整度和清洁度之外，硅片还要保证翘曲度，氧含量（Interstitial Oxygen),金属残余量等等指标，要经过电镜检查，光学散射等各种检测达标后，一张平平无奇的硅片才终于诞生了。它将被放在充满氮气的密封盒里，送往晶圆厂，开始下一段旅程。
而在普通硅片之外，还有很多为了满足晶圆厂不同工艺技术或产品需求的特殊硅片类型，比如外延片，退火片,SOI片等很多种，这里因为时间关系，这些变种硅片以及其他材质的硅片，如碳化硅的生产流程，我会在以后出一个番外篇进行讲解。除了种类，硅片的尺寸也有很多中，比如前面提到的8英寸与12英寸，都是业内的习惯叫法，指的是直径200和300毫米的硅片或晶圆，理论上直径当然越大越好，这样单片晶圆产出的芯片更多，而且硅片边缘处的残损芯片（edge die)占比更少，提高了生产良率，分摊了制造成本，但大硅片在工艺和设备上的门槛也更高，目前8英寸广泛应用于90纳米以上的成熟制程，你家车里的传感器和功率器件，大部分产自8英寸硅片，12英寸的大硅片则用于更先进的制程，你的电脑CPU，显卡，手机存储卡，基本都产自12英寸的硅片。
市场现状
现在全球的硅片供应主要由5家公司垄断，分别是日本的信越化工和盛高集团，中国台湾地区的环球晶圆，德国的Siltronic以及航国的SK Siltron,这其中日本是第一个实现了12寸大硅片量产的国家，此后一直保持着硅片技术上的先发优势，而环球晶圆是一家2011年才成立的企业，靠着从中美矽晶继承下来的技术累积，以及近几年强势的并购扩张，迅速成长为硅片市场第三，并且今年下半年它还将并购第四的Siltronic,届时市占率将超过30%，与信越化工争夺冠军之位，相信在祖国完全统一之后，硅片生产技术上的短板，可以在短时间内补上，不过在那之前，我的分析暂时仅限于大陆的半导体产业。
目前，大陆的半导体硅片厂商中，以中环，立昂微以及上海硅产业为主力。其中，天津中环股份立足于光伏单晶硅，近年来开始积极布局半导体级硅片的研发和生产；杭州立昂微则是专注于半导体，而且既能做硅料和硅片，也能做分立器件的芯片，是国内少数能贯通产业上下游的半导体企业之一。而上海硅产业集团及其子公司上海新昇是目前国内硅片技术的引领者，除了拥有SOI硅片的自主技术以外，在其他国内厂商只能生产８英寸及以下的硅片时，他们率先在18年开始规模化生产12寸硅片，结束了国内大硅片全靠进口的历史，不过因为成本投入巨大，而且良率不高，沪硅产业的大硅片到今年还没能实现盈利，这也是硅片国产化的第一个难点：成本。
国产制约
开头我就说过，半导体硅料和硅片属于上游市场，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；第二个难点，在我说完硅片的生产流程之后，你们应该已经猜到了，那就是设备。以最源头的单晶炉为例，各大硅片寡头都有自己的独家供应商，信越化工甚至能自己制造单晶炉，让外界买不到同款，而后续的生产流程，国内的硅片厂商基本都采用进口设备，比如倒角机，主要来自日本的东京精密和大途电子；多线切割机主要来自日本的NTC以及瑞士的SlicingTech．这些设备虽然能找到国产替代，但质量和精度往往差距较大，尤其是关键步骤的CMP，物料部分如抛光垫和研磨液尚能国产，但设备本身目前完全依赖进口。
第三个难点，在于晶圆厂对硅片寡头的路径依赖，从光秃秃的硅片，变成包含数百枚芯片的晶圆，这中间要经历动辄数十门设备，上千道工序，成本巨大；所以从源头的工艺验证阶段，晶圆厂就要和硅片供应商紧密合作，而一款工艺成熟以后，晶圆厂就不会贸然更换其他供应商的硅片，否则生产良率和芯片可靠性，一旦受影响，成本和代价就太大了。
我在厂里也做过很多次流片，芯片的前端生产有的时候真的很玄学，动一个微小的变量，就可能对良率造成极大的影响，何况是最源头的硅片。所以近年来，即使硅片大厂频频涨价，Fab（晶圆厂）还是得继续买他们的产品。这也导致新玩家想要入场获得认证，极其困难，因此我们发展芯片国产化时，还要鼓励中上游的硅片厂和晶圆厂梦幻联动，增加（国产）硅片的使用率和试错机会，而除了上述三个难点之外，还有研发投入和人才培养，这里我就不多说了，归根结底，都得花钱。
总结
OK以上，我们就从硅棒得到了硅片，也就是原始状态的晶圆，下一期开始，我会逐步讲解净室（clean room)与光刻，我知道这期，有些小伙伴可能会有些泄气，这还没光刻呢，怎么就撞上瓶颈了，别急，更难的还在后头，先理性认识到哪些环节存在差距，才能更好地向前追赶，我们的硅片事业起步比较晚，在硬件和技术上，有很多短板需要补足，从业人员的待遇也有待加强。好消息是最近两年，硅片国产化程度一直在提高，关键的CMP设备，国内也有团队在积极研发，请再给他们多一点时间，多一点工资，何况半导体产业，一直都是全球分工，相互配合，还从来没有一个国家，能用一己之力，扛下整条产业链，要提升自主化程度，绝非朝夕之功。硅片只是漫漫长路第一道关，而国产芯片之路，必将道阻且长，唯有知难而上，才能踏平坎坷成大道，唯有脚踏实地，方能斗罢艰险又出发。
