芯片制造主要有五大步驟_國內(nèi)硅片制造商迎來春天

半導體產(chǎn)業(yè)開始于上世紀。隨著 1947 年固體晶體管的發(fā)明， 半導體行業(yè)已經(jīng)獲得了長足發(fā)展， 之后的發(fā)展方向是引入了集成電路和硅材料。集成電路將多個元件結合在了一塊芯片上，提高了芯片性能、降低了成本。隨著硅材料的引入，芯片工藝逐步演化為器件在硅片上層以及電路層的襯底上淀積。

芯片制造主要有五大步驟：硅片制備、芯片制造、芯片測試與挑選、裝配與封裝、終測。

芯片制造的五大步驟

（1）硅片制備。

首先是將硅從礦物中提純并純化，經(jīng)過特殊工藝產(chǎn)生適當直徑的硅錠。然后將硅錠切割成用于制造芯片的薄硅片。最后按照不同的定位邊和沾污水平等參數(shù)制成不同規(guī)格的硅片。 本文討論的主要內(nèi)容就是硅片制備環(huán)節(jié)。

（2）芯片制造。

裸露的硅片到達硅片制廠，經(jīng)過各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜等步驟，硅片上就刻蝕了一整套集成電路。芯片測試/揀選。 芯片制造完后將被送到測試與揀選區(qū)，在那里對單個芯片進行探測和電學測試，然后揀選出合格的產(chǎn)品，并對有缺陷的產(chǎn)品進行標記。

（3）裝配與封裝。

硅片經(jīng)過測試和揀選后就進入了裝配和封裝環(huán)節(jié)，目的是把單個的芯片包裝在一個保護殼管內(nèi)。 硅片的背面需要進行研磨以減少襯底的厚度，然后把一個后塑料膜貼附在硅片背面，再沿劃線片用帶金剛石尖的鋸刃將硅片上每個芯片分開，塑料膜能保持芯片不脫落。在裝配廠，好的芯片被壓焊或抽空形成裝配包，再將芯片密封在塑料或陶瓷殼內(nèi)。

（4）終測。

為確保芯片的功能， 需要對每一個被封裝的集成電路進行測試， 以滿足制造商的電學和環(huán)節(jié)的特性參數(shù)要求。

硅片制作的工藝流程

硅片制備之前是制作高純度的半導體級硅（semiconductor-grade silicon， SGS），也被稱為電子級硅。 制備過程大概分為三步，第一步是通過加熱含碳的硅石（SiO2） 來生成氣態(tài)的氧化硅 SiO；第二步是用純度大概 98%的氧化硅，通過壓碎和化學反應生產(chǎn)含硅的三氯硅烷氣體（SiHCl3）； 第三步是用三氯硅烷經(jīng)過再一次的化學過程，用氫氣還原制備出純度為 99.9999999%的半導體級硅。

半導體硅的生產(chǎn)過程

對半導體級硅進一步加工得到硅片的過程被稱為硅片制備環(huán)節(jié)。 硅片制備包括晶體生長、整型、切片、拋光、清洗和檢測等步驟，通過單晶硅生長、 機械加工、化學處理、表面拋光和質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)最終生產(chǎn)出符合條件的高質(zhì)量硅片。

硅片制備的工藝流程

（1）晶體生長

晶體生長環(huán)節(jié)是把半導體級多晶硅塊轉換為柱狀的單晶硅錠的過程。 半導體級硅生長出來的是多晶硅塊，而半導體器件對硅的晶體結構要求非常嚴格，只有近乎完美的晶體結構才能避免對器件特性非常有害的電學和機械缺陷。

面心立方（FCC）的晶胞

非晶材料和晶體材料原子結構差異巨大，晶體材料中有序排列晶胞的方式叫做單晶結構。

非晶材料沒有重復的結構， 在原子級結構上雜亂無章， 典型的非晶體材料包括塑料等。 晶體材料中的原子在三維空間中保持著有序而重復的狀態(tài)， 晶體材料中最基本的原子模式是晶胞，硅晶胞由 14 個原子構成，呈現(xiàn)立方體結構。 根據(jù)晶胞的排列方式可以分為多晶結構和單晶結構，多晶硅中的晶胞無序排列，單晶硅中的晶胞則在三維方向上整齊地重復排列。 半導體器件所需的許多電學和機械性質(zhì)都與其原子結構密切相關， 非晶硅對生產(chǎn)半導體器件來說毫無用處， 晶體生長的目的就是把多晶硅轉換為半導體器件需要的單晶結構。

單晶體和多晶體的結構

晶體硅生長環(huán)節(jié)主要有直拉法（Czochralski， CZ 法） 和區(qū)熔法。

直拉法用一塊單晶硅籽晶來生長硅錠， 首先在一個巨大的非晶體石英坩堝中加熱半導體級多晶硅轉變?yōu)橐簯B(tài)，然后用一個完美的籽晶放在熔體表面并在旋轉中緩慢拉起，它的旋轉方向和坩堝的旋轉方向相反。隨著籽晶在直拉過程中離開熔體，熔體上的液體會因為表面張力而提高，籽晶上的界面散發(fā)熱量并向下朝著熔體方向凝固，生長出來的單晶硅硅錠就像是籽晶的復制品。

直拉法單晶硅生長工藝

目前 85%以上的單晶硅都是用直拉法生長出來的。

另一種生長單晶硅的方法是區(qū)熔法，區(qū)熔法在上世紀 50 年代發(fā)展起來，目前是生長單晶硅純度最高的技術。區(qū)熔法把多晶硅棒放在一個模型里，然后放入一個籽晶，然后用射頻線圈加熱籽晶與多晶接觸區(qū)域生長單晶硅。由于區(qū)熔法不使用坩堝，其生長的單晶硅含氧量低純度較高。

區(qū)熔法單晶硅生長工藝

（2）硅錠整型

在晶體生長爐中生長出單晶硅硅錠后，需要進行整型處理為切片單晶硅做準備。 整型處理主要分為三個步驟。

第一步是去掉兩端，硅錠兩端一般叫做籽晶端（籽晶所在位置）和非籽晶端（籽晶相對另一邊），當兩端被去除后，可用四探針來檢查電阻以確定整個硅錠是否達到合適的雜質(zhì)均勻度。

第二步是徑向研磨，由于晶體生長中直徑和圓度控制不可能很精確，所以硅錠需要長得稍大來進行徑向研磨，這一過程精確的直徑控制非常關鍵。

第三步是硅錠定位邊和定位槽處理，傳統(tǒng)的半導體工藝在硅錠上做一個定位邊來表明晶體結構和硅片晶向，還有一個次定位邊來表明硅片的晶向和導電類型。 美國目前 200mm 以上的定位邊已經(jīng)被定位槽取代，一般是在硅片上的一小片區(qū)域上用激光刻上硅片有關信息。

硅錠整形處理

（3）切片

硅錠整型處理完后就是切片環(huán)節(jié)。 對于 200mm 及以下硅片，切片一般使用金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機來完成，對于 300mm 的硅片來講，由于直接較大一般都是用金剛線切割。

金剛線切割示意圖

對于硅錠來說，由于更薄的切口能讓線鋸相比內(nèi)圓切割機產(chǎn)生更薄的切口，線鋸能比傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割機生產(chǎn)出更多的硅切片。早期的線鋸采用裸露的金屬線和游離的磨料，加工過程中用將磨料加入金屬線和加工件之間產(chǎn)生切割作用，比較有代表的是以砂漿為磨料的砂漿切割工藝。目前新型的金剛線切割工藝相比砂漿切割，在切割速度、成本和單片耗材等方面有明顯優(yōu)勢，且由于成品厚度均勻使產(chǎn)品良率大幅提高。

砂漿切割工藝和金剛線切割工藝對比

（4）磨片、 倒角和刻蝕

切片完成后需要對硅片研磨、邊緣修整和刻蝕。

首先是磨片工藝，傳統(tǒng)上使用雙面機械磨片出去切片后的損傷，使硅片兩面高度平行和平坦。磨片是用墊片和帶有磨料的漿料利用旋轉的壓力完成，典型的磨料包括氧化硅、硅碳化合物和甘油。

倒角環(huán)節(jié)主要是對硅片邊緣進行拋光修修整。硅片邊緣的裂痕和小裂縫會在硅片上產(chǎn)生機械應力并產(chǎn)生錯位，尤其是在硅片制備的高溫過程中，小的裂縫會在生產(chǎn)過程中成為有害沾污物的聚集地并產(chǎn)生顆粒脫落，因此平滑的邊緣對硅片制備十分重要。

刻蝕環(huán)節(jié)目的在于消除硅片表面損傷。 在硅片的各個整型環(huán)節(jié)中， 硅片表面和邊緣會收到損傷和沾污， 損傷深度和廠商的工藝水平有關，一般為幾微米深。 硅片刻蝕用化學刻蝕的方法選擇性的去除表面物質(zhì)，去除硅片表面約 20 微米以內(nèi)的損傷?？涛g可以用酸性或者堿性化學物質(zhì)，刻蝕不同部位使用不同的化學制劑。

（5）拋光

拋光是刻蝕硅片后的重要環(huán)節(jié)，拋光工藝主要是化學機械化平坦化（CMP）， 通過機械研磨和化學液體溶解“腐蝕”的綜合作用使硅片表面高度光滑。對于 200mm 及以下硅片，CMP傳統(tǒng)上只用對表面拋光，背后仍然保留刻蝕后的表面，背面大約要比表面粗糙三倍左右。

CMP拋光機原理圖

這樣做的目的是提供一個粗糙的表面來方面器件傳送。對于 300mm 及以上硅片，硅片需要在拋光盤之間行星式運動進行雙面拋光，在改善表面粗糙程度的同時使硅片平坦且兩面平行。背面拋光也使硅片提交給芯片制造商前增加其潔凈程度，硅片兩面都會像鏡子一樣。

CMP拋光機示例圖

（6）清洗、評估和包裝

硅片拋光后需要清洗環(huán)節(jié)來使其保持超凈的潔凈狀態(tài)，清洗規(guī)范在過去幾年獲得了巨大發(fā)展，使硅片達到了幾乎沒有顆粒和沾污的程度。評估是用各種檢測設備確保硅片達到客戶的生產(chǎn)質(zhì)量標準。包裝是將硅片疊放在有窄槽的塑料架中支撐硅片，碳氟化合物樹脂材料（如特氟綸）常被用于盒子材料使顆粒產(chǎn)生減少到最少，且特氟綸能作為導體使其不會產(chǎn)生靜電釋放。

包裝完成的硅片

硅片尺寸加大和增加外延層是未來發(fā)展方向

硅片尺寸逐步加大是硅片發(fā)展的主要方向。 硅錠直徑從 20 世紀 50 年代的初期的不到25mm 增加到現(xiàn)在的 300mm 和 400mm， 隨著硅片直徑的不斷擴大，其厚度、面積、重量等技術參數(shù)都不斷增大。 下圖主要展示了不同尺寸硅片的參數(shù)，可以看到 400mm 直徑硅片的面積是 150mm 硅片的 7.5 倍以上，重量則是 150mm 硅片的 8 倍以上。

各級硅片的尺寸與參數(shù)

硅片尺寸不斷加大的原因是因為規(guī)模效應。 對于 300mm 硅片來說，其面積大約比 200mm硅片多 2.25 倍， 200mm 硅片大概能生產(chǎn)出 88 塊芯片而 300mm 硅片則能生產(chǎn)出 232 塊芯片。

根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟學，每塊芯片的加工和處理時間都會相應減少。據(jù)據(jù)美國半導體行業(yè)資深教授 Michael Quirk 估計，通過設備利用率的提高，轉換到 300mm 硅片可以把每塊芯片的生產(chǎn)成本減少 30%。 首先，更大直徑的硅片可以減少邊緣芯片，提高生產(chǎn)成品率；

其次，在同一工藝過程中能一次性處理更多的芯片，設備的重復利用率提高了。硅片直徑的不斷加大給硅錠生長工藝提出了更高的要求，設備更新需求巨大。 300mm 硅錠大概有 1 米長，需要在坩堝中融化 150kg 到 300kg 的半導體級硅，大尺寸硅片對于設備和工藝的要求更高。 由于升級設備的成本達上億美元，晶圓廠最常見的做法是新建工廠提高生產(chǎn)直徑。

據(jù) Michael Quirk 估計，整個半導體產(chǎn)業(yè)由 200mm 硅片升級到 300mm 硅片的花費大概是 130 億-150 億美元， 設備升級換代需求巨大。

硅片尺寸逐漸加大

另外， 增加外延層也是硅片制備的另一個主要發(fā)展方向。 硅外延指的是在硅片上面生長一薄層硅，新的外延層會復制硅片的晶體結構。硅外延發(fā)展你的起因是為了提高雙極器件和集成電路的性能。外延層可以優(yōu)化 pn 結的擊穿電壓且降低集成電路電阻，在始終的電流強度下提高了器件運行速度。

外延工藝流程簡介

另外，外延在 CMOS 集成電路中變得更重要，因為隨著器件尺寸的不斷縮小它將閂鎖效應降到最低。外延層的厚度也不盡相同，用于高速數(shù)字電路的典型厚度是 0.5-5um， 用于硅功率器件的典型厚度是 50-100um。

北方華創(chuàng) Esther200 單片硅外延系統(tǒng)

硅片廠快速擴產(chǎn)，國內(nèi)投資風起云涌，設備投資需求巨大

全球半導體行業(yè)高度景氣。 2016 年開始全球半導體行業(yè)保持高景氣度，費城半導體指數(shù)和***半導體行業(yè)指數(shù)一路上漲，分別由 2016 年初的 600 點左右和 100 點左右上漲至今年12 月底的 1270 余點和 160 余點，增幅分別超過 100%和 70%。 根據(jù)歷史經(jīng)驗， 行業(yè)復蘇持續(xù)時間一般不小于兩年 ，此輪景氣度周期始于 2016 年下半年，有望持續(xù)至年。

費城半導體指數(shù)

伴隨行業(yè)景氣度的提升， 半導體設備投資也進入上行區(qū)間。 根據(jù) SEMI 的數(shù)據(jù)，預計 2017年-2019 年拋光硅晶圓與外延硅晶圓總出貨量將分別達到 11448 百萬平方英寸、 11814 百萬英寸和 12235 百萬平方英寸，同比增速分別為 8.2%、 3.2%和 3.6%， 2017 年晶圓出貨量將創(chuàng)造歷史最高紀錄， 2018-2019 年有望持續(xù)突破該數(shù)值。

全球硅晶圓出貨量預測

晶圓出貨量的大幅增加和晶圓加工技術水平的提高勢必在未來幾年對半導體加工設備形成持續(xù)性的需求， 全球半導體設備迎來新一輪投資熱潮。 2016 年全球半導體設備銷售額為 412 億元，同比增加 13%，為 2012年以來的階段性新高。

全球半導體設備銷售額及其增速

我國半導體行業(yè)的政策支持體系建設最早始于 2008 年。在國務院發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）》中，包括了 16 個國家科技重大專項，每個專項投資數(shù)百億元，目前已公布其中 13 個。 從綱要所制定的發(fā)展目標來看，我國半導體行業(yè)的國產(chǎn)替代大戰(zhàn)略將分成兩個步驟進行，第一步是在 IC 制造、 IC 封裝測試方面將實現(xiàn)率先突破，第二步是在 IC 設計、設備和材料這 3 個方向上實現(xiàn)全方位突破，提升我國半導體行業(yè)整體制造水平。為了實現(xiàn)這一目標， 2014 年 9 月 26 日國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司（ICF）成功注冊。 兩個重大專項的建立、《綱要》的發(fā)布與 ICF 的成立，使得集成電路產(chǎn)業(yè)成了國內(nèi)新興行業(yè)中最為政策體系支持的重點行業(yè)之一。

我國集成電路產(chǎn)業(yè)政策支持體系

大基金一期重點在制造，其中 28nm 晶圓代工和存儲是關鍵。在一期目前的投資中，晶圓制造的投資額占 65%，設計占 17%，封測占 10%，裝備材料占 8%。大基金晶圓制造方面的投資策略為：重點投資每個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中的骨干企業(yè)，結合投資另外一些具有一定特色的企業(yè)。大基金從兩個方面切入晶圓制造：一是存儲器，二是晶圓代工。

大基金目前一期的投資已經(jīng)取得了成效，預計 2017 年中國集成電路晶圓制造業(yè)銷售額為 1390 億元，2018年銷售額預計將進一步攀升至 1767 億元。含外資及存儲器在內(nèi)，目前中國大陸 12 英寸晶圓廠共有 22 座，其中在建 11 座，規(guī)劃中 1 座； 8 英寸晶圓廠 18 座，其中在建 5 座。

大基金二期重點在設計、聚焦新興應用，有望實現(xiàn)高科技含量芯片的國產(chǎn)替代。 目前，大基金二期正在醞釀中， 二期將會適當加大對于設計業(yè)的投資，圍繞智能汽車、智能電網(wǎng)、

2014 年以來大基金投資情況概覽

全球硅片供不應求，需求持續(xù)增加而產(chǎn)能增加緩慢

從各個尺寸的晶圓月產(chǎn)情況占比來看， 大尺寸硅片市場持續(xù)擴大，擠壓 200mm 及以下市場空間。 近年來 300mm 硅片占比持續(xù)提升，從 2014 年的 61.1%上升到 2020 年的 68.4%。150mm 和 200mm 硅片的市場將被逐步擠壓，預計 2020 年二者合計占比由 2014 年的 40%左右下降到 2020 年的 30%左右， 而更大尺寸 450mm 產(chǎn)能將在 19 年開始逐步投建。

2014-2020 年 12 月全球晶圓月產(chǎn)能情況

全球半導體行業(yè)高度景氣，硅片制造作為芯片制造的第一個環(huán)節(jié)需求巨大，目前主流300mm 和 200mm 硅片均屬于供不應求狀態(tài)。

以目前全球最大的硅片廠商 SUMCO 為例，2016 年-2020 年其全球客戶的 300mm 晶圓擴產(chǎn)計劃就超過了 147.5 萬片/月。 其中中國地區(qū)的國外廠商擴產(chǎn)計劃為 36 萬片/月，本土原有產(chǎn)商的擴產(chǎn)計劃為 20 萬片/月，新客戶擴產(chǎn)計劃為 32-42 萬片/月。其中值得注意的是位于武漢的新晉半導體企業(yè)長江存儲，其一家的 3D-NAND 的項目擴產(chǎn)計劃就達 20-30萬片/月。 我們預計，隨著 2D-NAND 的占比逐步下滑， 3D-NAND 有望成為未來晶圓需求的重要推動力量。

SUMCO 的客戶擴產(chǎn)計劃

根據(jù) SUMCO 公司預計，未來三年 300mm 硅片需求將持續(xù)增加。 2020 年新增硅片月需求預計超過 750 萬片/月，較 2017 年增加 200 萬片/月以上，需求提升 36%，從 2017-2022年復合需求增速超過 9.7%，值得注意的是，以上測算需求還沒有考慮部分中國戶。

300mm 硅片需求量（千片/月）

硅片供給屬于寡頭壟斷市場， 2017 年格局有所改變但擴產(chǎn)速度仍然較慢。 目前硅片供應商主要以日系為主， 信越化學(Shin-Etsu)和三菱住友(Sumco)兩家的合計市占率接近 60%，寡頭壟斷特征明顯。進入 2017 年，市場格局有所改變，首先是環(huán)球晶圓 6.83 億美元收購了SunEdision，兩家合計市占率將達 15.5%，另外是 SK Group 收購了 LG Siltron。

2016年硅片廠市占率

總體來說，前五大產(chǎn)商占據(jù)了世界上 91.3%的硅片供應量，而眾多寡頭在本輪行業(yè)高景氣中擴產(chǎn)緩慢，各大廠商以漲價和穩(wěn)固市占率為主要策略，到目前為止僅有 SUMCO 發(fā)布了 550 億日元的投資項目，預計在 2019 年上半年增加 300mm 硅片 11 萬片/月。

2017年硅片廠市占率

由于需求旺盛而供給不足，下游半導體企業(yè)庫存逐步下降，硅片價格逐步上升。 根據(jù)SUMCO 預計，其客戶的庫存指數(shù)從 2017 年開始逐步下降，庫存目前已達到近幾年的最低水平。另外，根據(jù) SUMCO 預計， 300mm 硅片在 2017 年 Q4 預計漲價 20%，進一步在2018 年漲價 20%，未來幾年硅片供給仍然存在明顯缺口。

SUMCO 客戶的 300mm 硅片庫存指數(shù)水平

200mm 硅片也處于供不應求狀態(tài)，需求穩(wěn)步提升但供給增長乏力。 未來可預見的 3年，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、手機等需求的仍將保持高增長，其他需求減弱（部分原因包括 12 寸對于 8 寸的替代）。 到 2020 年 200mm 硅片需求量將達 574 萬片/月， 比 2016 年底的 460 萬片/月增加 24.78%。 供給方面， Sumco 公司表示由于制備硅片的所需設備“極難購入”，未來很難進一步擴充產(chǎn)能。 預計未來幾年 200mm 硅片也將處于供給緊平衡中。

200mm 硅片需求量（千片/月）

國內(nèi)硅片投資風起云涌，設備需求巨大

晶圓廠產(chǎn)能向大陸轉移趨勢明顯。 根據(jù) SEMI 的統(tǒng)計，未來四年全球?qū)⑿陆?62 座晶圓廠，其中 26 座集中于中國大陸地區(qū)。未來， 中國大陸晶圓廠產(chǎn)能更加飽滿， 對晶圓產(chǎn)能的壟斷性加強， 其議價能力也將實現(xiàn)進一步的提高。

硅片供需緊張，國外寡頭擴產(chǎn)緩慢， 國內(nèi)硅片制造商開始大規(guī)模投資。 根據(jù)我們統(tǒng)計近年來主要企業(yè)的大硅片項目投資為 586 億元左右，設備投資為 498 億元左右，設備投資占總投資的 85%左右。另外昆山中辰、河北普興、南京國盛和中電科 46 所等企業(yè)也在積極籌備大硅片擴產(chǎn)項目，最近幾年將會有多個大硅片項目投資落地，極大地拉動了硅片設備的投資需求。

國內(nèi)公司積極擴產(chǎn)，新老龍頭群雄并起。 以新晟半導體為例，公司成立于 2014 年 6 月，坐落于臨港重裝備區(qū)內(nèi)，總投資為 68 億元，一期項目投資為 23 億元。新晟目前是國內(nèi)領先的半導體硅片制造商，一期項目主要是在國內(nèi)研發(fā)制造適用于 40-28nm 節(jié)點的 300mm單晶硅硅片，一期預計月產(chǎn) 15 萬片，全部達產(chǎn)后產(chǎn)能規(guī)劃每月 60 萬片。另外中環(huán)+晶盛、京東方、合晶等企業(yè)也在近期陸續(xù)公布了其大硅片投資擴產(chǎn)計劃，投資額最大的是中環(huán)和晶盛聯(lián)合無錫市政府簽訂的總投資約 30 億美元（200 億人民幣）的“集成電路大硅片項目”計劃。

國內(nèi)大硅片擴產(chǎn)及投資統(tǒng)計

根據(jù)我們的測算，每月 1 萬片的 12 寸硅片項目總投資在 1.1 億元左右，其中 85%是設備投資。 在設備投資中，拉晶爐、拋光機和測試設備是投資額最大的三種設備，分別占總設備投資的 25%、 25%和 20%左右，切割機、研磨機、清洗設備和耗材占比較小，每部分占比在 5%-10%之間。

其中晶盛機電在拉晶爐方面優(yōu)勢最為明顯，目前公司 12 寸拉晶爐方面已經(jīng)可以生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，未來有望憑借技術、服務等優(yōu)勢實現(xiàn)進口替代；拋光機方面，晶盛半導體單晶硅滾磨一體機可以一次性完成硅錠的滾磨和定位邊磨削兩大工藝，現(xiàn)在又與美國 Revasum 公司合作生產(chǎn) CMP 拋光機，未來發(fā)展空間巨大； 另外晶盛在耗材方面也有布局。 我們認為晶盛機電目前在硅片制備環(huán)節(jié)掌握多種核心技術， 所布局設備占設備投資的 50%以上，未來有望在硅片國產(chǎn)化大潮中搶占先機、快速發(fā)展。

各類設備投資占比

我們根據(jù)目前公布的國內(nèi)大硅片投資，我們預測未來四年設備投資總額大概為 498.1 億元，設備投資占總投資的 85%左右。 分年度投資來說， 2017 年-2020 年每年設備投資額大概為60、 106、 170、 250 億元。其中，拉晶爐、拋光機、測試設備、切割機、研磨機、清洗機和耗材分別占比為 25%、 25%、 20%、 10%、 5%、 10%、 5%，四年合計投資額大概為 124.5、124.5、 99.6、 49.8、 24.9、 49.8、 24.9 億元。

2017-2020 年各類設備投資額預測

硅片設備投資巨大，進口替代東風已起

硅片制備環(huán)節(jié)復雜， 使用設備眾多。 從晶體生長， 硅錠整型、 切片、磨片倒角刻蝕、拋光、清洗、評估和包裝環(huán)節(jié)來看，需要使用的主要設備包括拉晶爐、拋光機、測試設備、切割機、清洗設備等。從價值量來看，拉晶爐、拋光機和測試設備占比較高，一共占設備投資的 70%左右。 目前硅片設備主要以國外為主， 目前國內(nèi)在拉晶爐、切割、磨削等設備上較大突破，未來有望在外延爐、 CMP 等設備上實現(xiàn)進口替代。

硅片制備環(huán)節(jié)主要設備簡介

（1）拉晶爐

目前國內(nèi)拉晶爐技術水平進步迅速， 逐步可以實現(xiàn)進口替代。 國外硅片廠 SUMCO 和信越化學的設備都由自己子公司生產(chǎn)，不對外銷售。 國內(nèi)硅片廠采購韓國、德國設備，如韓國STECH 公司拉晶爐。 國內(nèi)廠商 300mm 拉晶爐技術逐步成型，目前比較有名的有晶能科技和晶盛機電。國外拉晶爐均價在 2000 萬元左右，國內(nèi)廠商具有明顯價格和服務等方面優(yōu)勢。

晶能科技成立于 2015 年 3 月，位于南京經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)。公司專業(yè)從事 300mm 半導體級單晶爐的研發(fā)和制造，能夠滿足 28nm 以上半導體晶圓廠對材料的性能和成本要求。公司300mm 半導體級拉晶爐已經(jīng)于 2016 年向上海新晟供貨，目前拉晶爐運行穩(wěn)定。公司未來有望顯著受益于硅片國產(chǎn)化。

晶能科技拉晶爐

晶盛機電成立于 2006 年，是國內(nèi)先進的拉晶爐生產(chǎn)制造商。 目前公司 300mm 拉晶爐已經(jīng)可以生長出合格的晶片，未來有望憑借公司技術渠道優(yōu)勢在硅片國產(chǎn)化進程中實現(xiàn)快速增長。

晶盛電機拉晶爐

（2）CMP

CMP 領域中，美國應用材料公司（AMAT）和日本荏原制作所（EBARA）占據(jù)著 300mm晶元的絕大部分市場，兩家大約各占 40%市占率。 國內(nèi)晶盛機電、 華海清科、盛美半導體和中電 45 所有涉足該領域， 華海清科目前有一臺供貨到中芯國際，運營穩(wěn)定可以處理 1萬片/月。 晶盛機電近日與 Revasum 簽訂協(xié)議，擬利用 Revasum 技術和公司生產(chǎn)和銷售優(yōu)勢，為 Revasum 生產(chǎn) 200mm 晶元用 CMP 設備。

美國應用材料公司創(chuàng)立于 1967 年，目前全球最大的半導體設備和服務供應商。公司的主要產(chǎn)品為芯片制造相關類產(chǎn)品，覆蓋半導體生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)。公司主要客戶包括超微半導體、英特爾、三星等全球知名半導體晶圓與集成電路制造商。近年公司營業(yè)收入增長穩(wěn)定，硅系統(tǒng)組收入成為主要業(yè)務收入來源。 2010-2016 年， 公司營業(yè)收入由 105.2 億美元增加至 168.33 億美元；伴隨規(guī)模擴張，公司毛利率由 2010 年的 41.5% 提升至 2016 年的44.9% ， 增幅超過 3 個百分點。 公司沒有公布細分業(yè)務的收入情況， 但其在 2016 年年報分析中分析道，業(yè)績增長的一大主要原因是來自 CMP 業(yè)務需求的迅猛增加。

應用材料的主營業(yè)務和增速

日本荏原制作所于 1912 年成立于日本東京，主要業(yè)務是設計和制造工業(yè)機械設備和基礎設施建設。荏原制作所收入增長穩(wěn)定， CMP 業(yè)務開始爆發(fā)。 2010 年-2016 年，公司收入由 47.0 億美元下降到 44.0 億美元，凈利潤由 3.31 億美元減少到 1.79 億美元。 公司營業(yè)收入逐步下降， CMP 業(yè)務成為少數(shù)快速增長的業(yè)務。 該部分收入由 2015 年的 3.54 億美元增加到 2016 年的 5.97 億美元，同比增長 68.8%。 2016 年公司 CMP 業(yè)務新增訂單為 6.72 億美元，超過同年業(yè)務收入，反映了市場旺盛的需求。

荏原制作所營收及利潤

（3）其它主要設備

測試設備主要包括 KOA 量測，微粒檢測和平感度精測設備。 硅片制備中會出現(xiàn)點缺陷、位錯和層錯等各種缺陷，晶胞錯位會導致硅片的質(zhì)量大幅下降，檢測設備顆粒要求達 32nm級別。 測試設備單價高、技術先進，一臺設備平均在 350 萬美元左右， 美國應用材料公司檢測設備全球領先， 目前國內(nèi)公司介入較少。

應用材料公司 DUV 亮場硅片檢測設備

切割和磨削等設備技術水平相對較低，國產(chǎn)設備有很大機會。 其中， 切片工藝目前逐步更新為金剛線切割，日本小松等企業(yè)技術領先， 金剛線切片工藝中設備價格相對較低，耗材較貴。 預計在 2018 年后單晶硅切片市場中金剛線切割工藝市場滲透率將超過 70%。

金剛線市場中，日本的旭金剛石（Asahi Diamond），中村超硬（Nakamura）占據(jù)較高市場份額，國內(nèi)主要企業(yè)包括岱勒新材、三超新材等企業(yè)。

金剛線切割示意圖

硅片外延近年來成為硅片工藝的一大趨勢，外延爐需求巨大。 我們預計，每月 1 萬片產(chǎn)能的 300mm 硅片外延層的設備投資大概在 2000-3000 萬元左右，未來有望成為設備投資主要新方向。 目前外延爐產(chǎn)商主要是 AMAT 和 ASM 公司， 前者的市占率在 90%，國內(nèi)企業(yè)北方華創(chuàng)也生產(chǎn)外延爐設備。