國產芯片生產能否掙脫“緊箍咒”？

晶圓，是集成電路的襯底，芯片的原材料。

打造“中國芯”，已是舉國上下的共識，但中國大陸作為世界工廠，其實并不擅長芯片生產，以至于“晶圓”這個詞本身，都是“舶來品”。

“晶圓”原本是臺灣半導體行業對“硅片”的慣稱，形象描述晶體的“圓形”特征。盡管中國內地市場芯片應用需求龐大，但是，中國目前的優勢在于芯片設計，而位于上下游的晶圓生產和芯片代工，水平依然遠遜于海外巨頭。

美國政府制裁的大棒，逐漸揮向中國國產替代難度較高的行業上游，希望劃出一條“楚河漢界”，把中國封鎖在技術含量低、產品附加值低的產業。一旦晶圓斷供，國內芯片中下游廠商將面臨“巧婦難為無米之炊”的困境。

更何況，除了技術落后這道“緊箍咒”外，晶圓廠建設動輒十億的門檻，也讓廠商不敢貿然投入。

“國家隊”是實現晶圓國產替代的核心力量。政策支持和人才引進，能夠迅速彌補廠商在資金和技術上的不足：上海新昇是中國大陸目前唯一能量產12英寸晶圓的廠商，其創始人張汝京曾一手創辦世大半導體和中芯國際(00981.HK)。

上海新昇不僅承擔了“02專項”中的“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”專項，而且背后站著國有控股的滬硅產業(688126.SH)，資本雄厚。

另一股力量則來自光伏巨頭。半導體硅片和光伏硅片均由硅單晶加工而來，不過半導體硅片對晶體生長和后續加工的要求更高。

補貼退坡之下，近兩年光伏行業增速放緩。部分光伏廠商依靠硅材料領域的技術積累，邁入國產晶圓的廣闊市場，中環股份(002129.SZ)就是其中代表。

大尺寸晶圓難在何處?兩股力量何時才能突圍國產大尺寸晶圓的“楚河漢界”?

晶圓國產，時不我待

盡管半導體產能遵循著由歐美向日韓再向臺灣、大陸轉移的趨勢，不過產業轉移的順序卻是從終端應用開始。

因此，集成電路一直力壓石油，是中國進口最多的商品。2018年，法國媒體曾對比全球半導體市場規模和中國芯片進口額，得出了全球54%的芯片都出口到中國的結論。

隨著中芯國際等代工廠的崛起，大陸市場對上游晶圓的需求水漲船高。

趁著產業轉移的東風，中國臺灣地區和大陸已經分列全球半導體材料買家的前兩位。如同華為海思之于芯片設計，中芯國際之于芯片代工，在市場需求的推動下，國內晶圓巨頭的涌現似乎只是時間問題。

2018年全球半導體原材料各細分市場份額

晶圓尺寸和芯片制程呈相關關系，一般情況下，芯片制程越小，晶圓的尺寸就越大。這種趨勢主要是出于成本考慮——直徑為12英寸的晶圓，出產處理器個數是8英寸晶圓的2.385倍，晶圓越大，襯底成本就越低。

隨著芯片制程從14nm向7nm甚至5nm邁進，12英寸晶圓的占比也逐年提高。12英寸晶圓已經在微處理器、基帶、CPU、儲存器等高性能數字芯片制造中呈現出“大包大攬”的局面，技術更為成熟的8英寸晶圓則主要用于出貨量較小但穩定性要求較高的模擬、功率類產品。

國際半導體產業協會(SEMI)的統計數據顯示，2018年全球12英寸晶圓的出貨面積已經占據全部半導體硅片出貨面積的63.83%，未來將進一步提升至七成以上，8英寸晶圓的面積占比將長期維持在20%左右，已經實現國產替代的6英寸及以下的小尺寸晶圓，面積占比不足兩成。

目前，我國12寸晶圓幾乎全部依賴進口，8英寸晶圓的國產率約為10%，即便廠商只實現8英寸晶圓的國產替代，市場空間也非常可觀。

除了國產替代的商機之外，中美貿易摩擦更是加劇了晶圓國產的迫切性。

1996年，美國為首的33個國家簽訂《瓦森納協定》，對軍民兩用商品和技術進行出口管制。發展中國家不管是進口原料還是設備，都繞不開這個高新技術的“壟斷聯盟”。中國廠商進口設備時，往往只能獲得落后兩代的產品。

近些年，中國的快速崛起引起了美國等西方國家的警覺，為了維持產業鏈的優勢地位，西方國家對中國的封堵逐漸聚焦在半導體產業鏈中上游。美國更是利用《瓦森納協定》集團性出口控制機制，阻撓中國半導體廠商獲得先進設備。中芯國際從荷蘭ASML訂購的EUV光刻機已經拖延近兩年，至今無法交付。

國產晶圓不只是廣闊的市場藍海，更是中美科技戰爭中的戰略高地。

屢敗屢戰，誰將爭先?

資本和技術是橫亙在晶圓廠面前的兩座大山。

晶圓是個重資本行業，每一次晶圓迭代，對于晶圓廠來說都如同“涅槃”，即便是全球行業龍頭也不例外。正是因為12寸晶圓產線投入甚巨，廠商們紛紛放緩了18寸晶圓市場化的進程，造成12寸晶圓“超期服役”的現狀。

技術難度更是不言而喻。僅從單晶硅純度來看，晶圓所需的半導體級單晶硅需要達到11個9(99.999999999%)，而光伏硅片的純度一般在4-6個9。除了純度外，晶體表面的潔凈度和平整度要求也更高。滬硅產業總裁總經理邱慈云曾在演講中形容，晶體平整度相當于3000公里內起伏小于30厘米。

臺積電創始人、“芯片大王”張忠謀曾在采訪中表示，巨額的投資可以擴大規模，卻未必能獲得真正的技術。在他看來，美國、日本、韓國和臺灣在半導體行業積累的大量經驗可以帶來創新和降低成本的機會，因此能繼續領先競爭對手。

臺積電也因為這樣的“學習曲線”，實現了全世界最低的成本和最領先的技術。未來的五5年或10年，中國會大力投資半導體，但是想看到成果，仍需時日。

即便面對資金和技術的雙重阻力，國內晶圓廠商追趕的步伐卻未曾放慢。根據SEMI的統計，2017年到2020年全球將有62座新的晶圓廠投入營運，其中中國大陸有26家，占比超過四成。

2017-2020年全球晶圓廠規劃分布

國產大硅片繞不過“中國半導體教父”張汝京。

這個芯片界的傳奇人物曾在德州儀器工作20年，成功創建和管理了10家IC工廠;1997年回到臺灣創建世大半導體，其產能在三年就超過臺積電的三分之一;世大半導體被臺積電并購后，張汝京又來到上海，成為中芯國際的締造者。2014年，他又創辦上海新昇半導體，開始了國產大尺寸晶圓的征途。

“引進人才+國資背景”似乎是一條國內半導體廠商發起沖鋒的“捷徑”。憑借著張汝京業界地位和號召力，中芯國際和上海新昇的團隊招募都不成問題，這在一定程度上緩解了大陸技術和人才上的“燃眉之急”。國有資本的加持，則為核心團隊解決了“彈藥之困”。

國資控股的滬硅產業通過增資、股權收購等方式，將Okmetic、新傲科技和上海新昇收入囊中，前兩家公司主要研發和生產8英寸拋光片、外延片和SOI硅片，是滬硅產業的“利潤奶牛”，為上海新昇的12英寸晶圓項目“輸血”。

如今，滬硅產業也成為唯一一個實現12英寸晶圓量產的國內廠商。

除了滬硅產業外，財大氣粗的光伏廠商把國產晶圓當成了拓展業務的新賽道。

主營光伏電池組件的中環股份晶圓項目進展較快。光伏和半導體晶圓屬于同源技術，因此中環股份在生晶、切片、尺寸等各個環節積累了大量經驗。中環股份的8英寸拋光片產能在項目建成后達到30萬片/月，12英寸拋光片試驗線建成后將實現2萬片/月的產能。

協鑫集成(002506.SZ)也是積極進入晶圓賽道的光伏巨頭。其主導的百億級大硅片項目位于江蘇徐州，已經在2019年底試產成功并開始向客戶發送試驗樣片。

日漸火熱的“晶圓熱”，已經頗有前些年“光伏熱”的勢頭。

良率仍是“緊箍咒”

“晶圓熱”能否復刻“光伏熱”的輝煌，尚待證明。正如張忠謀所言，晶圓行業和其他半導體行業一樣，需要技術積累的支撐，難以短期求成。張汝京離開上海新昇，據說就和大尺寸晶圓量產未達到預期導致。

全球晶圓行業的前五大廠商市場份額占比逐年提高，在2018年達到91%，依次為日本的信越化學和SUMCO、德國的Siltronic、臺灣的環球晶圓和韓國的SK Siltron。

前三強是均是半導體材料行業的老牌勁旅，信越化學更是有超過50年硅材料的研發和銷售經驗;環球晶圓和SK Siltron雖然成立時間較短，但是發展過程中也并購了不少傳統豪強，并非完全靠自己摸索。

2018年全球晶圓行業競爭格局

中國大尺寸晶圓廠的建設雖然如火如荼，但是很快就遇到了良率不高的難題。

滬硅產業量產的12英寸晶圓已經超過100萬片，但是據邱慈云透露，其中直接用于芯片制造的正片僅為7.5萬片。正是因為良率不高，2019年滬硅產業的12英寸晶圓項目虧損過億，導致整體營業利潤同比下滑近300%。

協鑫的大硅片項目可能也遇到了相似的問題。協鑫原計劃2019年5月搬入拉晶爐，8月工藝調試完成，9月測試產品送樣。但是根據公開報道，其測試產品最終送樣的時間在12月底。

還有未能投產的“折戟者”。由云南城投主導的成都超硅半導體項目最初計劃建設兩條12英寸晶圓生產線，最終在2025年形成產值達到500億元的集成電流及半導體材料產業生態圈。在宣布動工還不足兩年時，成都超硅項目就更新了清算小組成員信息，恐已流產。

順利拉出硅單晶并量產晶圓，只是萬里長征第一步，長期經營更是難題一樁。雖然下游客戶一旦認證就不會輕易更換供應商，但是晶圓的驗證周期比較長，一般情況下，拋光片和外延片的驗證周期為9-18個月，SOI硅片長達1-2年。

除了要熬過漫長的驗證周期，晶圓廠還需要面對行業周期，有時連行業龍頭在下行周期都會面臨生存困境。2012年，日本第三大晶圓廠商Covalent Materials(前身為東芝陶瓷)在下行周期難以為繼，只得尋求出售。環球晶圓順利接盤，在完成“蛇吞象”后迅速壯大。

在政策的扶持下，國有資本和光伏企業成為大尺寸晶圓國產化的主要推手。盡管新晶圓廠的建設如火如荼，但是廠商們依然面臨著原料、設備和技術的層層難題，國產大尺寸晶圓仍然需要突破產能和良率的難關。

根據預測，國內新建晶圓廠的量產潮將集中在2021年和2022年。彼時的中國大尺寸晶圓，勢將在全球晶圓市場中占據一席之地，化解芯片基礎材料受制于人的危局。