摩爾定律趨近極限 半導(dǎo)體設(shè)備發(fā)展局勢分析

半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)高、進(jìn)步快，一代產(chǎn)品需要一代工藝，而一代工藝需要一代設(shè)備。SEMI 預(yù)計 2020 年半導(dǎo)體設(shè)備市場將增長 20.7%，達(dá)到 719 億美元，創(chuàng)歷史新高。2017 年中國大陸市場需求規(guī)模約占全球的 15%左右， 2020 年預(yù)計占比將達(dá)到 20%，約 170 億美元。全球半導(dǎo)體設(shè)備市場集中度高，主要有美日荷廠商壟斷，國內(nèi)自給率僅有 5%左右，國產(chǎn)替代空間巨大。

隨著摩爾定律趨近極限，半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)進(jìn)步放緩，國內(nèi)廠商與全球龍頭技術(shù)差距正在逐漸縮短，我們認(rèn)為未來 3-5 年將是半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)替代黃金戰(zhàn)略機(jī)遇期。

全球壟斷，02 專項頂層設(shè)計求突破

半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)高、進(jìn)步快，一代產(chǎn)品需要一代工藝，而一代工藝需要一代設(shè)備。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步主要有兩大方向：一是制程越小→晶體管越小→ 相同面積上的元件數(shù)越多→性能越高→產(chǎn)品越好；二是硅片直徑越大→硅片面積越大→單個晶圓上芯片數(shù)量越多→效率越高→成本越低。

資料來源：《中國集成電路產(chǎn)業(yè)投融資研究》周子學(xué)

半導(dǎo)體工藝流程主要包括單晶硅片制造、IC 設(shè)計、IC 制造和 IC 封測。單晶硅片制造需要單晶爐等設(shè)備，IC 制造需要光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜設(shè)備、擴(kuò)散\離子注入設(shè)備、濕法設(shè)備、過程檢測等六大類設(shè)備。半導(dǎo)體設(shè)備中，晶圓代工廠設(shè)備采購額約占 80%，檢測設(shè)備約占 8%，封裝設(shè)備約占 7%，硅片廠設(shè)備等其他約占 5%。

半導(dǎo)體工藝流程

資料來源：清科研究中心

一般情況下，不同的晶圓尺寸和制程的 IC 制造產(chǎn)線所需的設(shè)備數(shù)量不同。以每 1 萬片/月產(chǎn)能計算，12 寸產(chǎn)線所需的設(shè)備數(shù)量要比 8 寸產(chǎn)線多，12 寸先進(jìn)制程產(chǎn)線所需的設(shè)備數(shù)量要比 12 寸成熟制程產(chǎn)線設(shè)備多。

半導(dǎo)體設(shè)備屬于高端制造裝備，其價值量較高。比如高端 EUV 光刻機(jī)單價甚至超過 1 億美金。總體上看，IC 制造設(shè)備市場中刻蝕機(jī)、光刻機(jī)、薄膜設(shè)備的價值量占比較高。

半導(dǎo)體制造前道設(shè)備市場規(guī)模（百萬美元）

資料來源：《臺積電南京專項環(huán)評報告》，中芯國際

2020 全球預(yù)計超 700 億美元，中國大陸占比超 20%

2020 年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模預(yù)計超 700 億美元。根據(jù) 2018 年 12 月 12 日 SEMI 在SEMICON Japan 2018 展覽會上發(fā)布年終預(yù)測報告顯示，2018 年新的半導(dǎo)體制造設(shè)備的全球銷售額預(yù)計將增加 9.7%達(dá)到 621 億美元，超過2017 年創(chuàng)下的566 億美元的歷史新高。預(yù)計2019 年設(shè)備市場將收縮4.0%，至 596 億美元，但 2020 年將增長 20.7%，達(dá)到 719 億美元，創(chuàng)歷史新高。

2020 年中國大陸市場規(guī)模占比超 20%，約 170 億美元。根據(jù) SEMI 數(shù)據(jù)，2017 年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額 82.3 億美元，同比增長 27%，約占全球的 15%，預(yù)計 2020 年占比將超過 20%，約 170 億美元。

全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額及增速預(yù)測（2018.12）

資料來源：SEMI 2018.12

半導(dǎo)體設(shè)備市場集中度高，CR10 超 60%。全球半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要集中于歐美、日本、韓國和我國***地區(qū)等，以美國應(yīng)用材料、荷蘭阿斯麥、美國泛林集團(tuán)、日本東京電子、美國科天等為代表的國際知名企業(yè)起步較早， 經(jīng)過多年發(fā)展，憑借資金、技術(shù)、客戶資源、品牌等方面的優(yōu)勢，占據(jù)了全球集成電路裝備市場的主要份額。

2017年半導(dǎo)體制造設(shè)備前10強(qiáng)

資料來源：Gartner

2017年半導(dǎo)體設(shè)備競爭格局

資料來源：Gartner 2017

國產(chǎn)設(shè)備自給率低，技術(shù)加速追趕

國產(chǎn)設(shè)備自給率低，進(jìn)口替代空間大。供給端看，根據(jù)中國電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會對國內(nèi) 42 家主要半導(dǎo)體設(shè)備制造商的統(tǒng)計，2017 年國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為 89 億元，自給率約為 14.3%。中國電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)包括 LED、顯示、光伏等設(shè)備，我們認(rèn)為實際上國內(nèi)集成電路 IC 設(shè)備國內(nèi)市場自給率僅有 5%左右，在全球市場僅占 1-2%。

專項頂層設(shè)計，技術(shù)加速追趕。2002年之前，我國集成電路設(shè)備基本全進(jìn)口，中國只有 3家集成電路設(shè)備廠商，由北方微電子、北京中科信和上海微電子分別承接國家“863”計劃中的刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)和光刻機(jī)項目。2006年，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》設(shè)立國家科技重大專項——極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝科技項目（簡稱 02專項）研發(fā)國產(chǎn)化設(shè)備，并于 2008年開始實施。2008年之前我國 12英寸國產(chǎn)設(shè)備為空白，只有 2 種 8 英寸設(shè)備。

國家支持集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的部分重點政策

資料來源：賽迪智庫在02 專項的統(tǒng)籌

規(guī)劃下，國內(nèi)半導(dǎo)體廠商分工合作研發(fā)不同設(shè)備，涵蓋了主要設(shè)備種類。目前已有 20 種芯片制造關(guān)鍵裝備、17 種先進(jìn)封裝設(shè)備，通過大生產(chǎn)線驗證進(jìn)入海內(nèi)外銷售。

02專項支持下國產(chǎn)設(shè)備廠商產(chǎn)品布局

資料來源：《中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院

國內(nèi) IC 制造設(shè)備工藝覆蓋率仍比較低，國產(chǎn)廠商技術(shù)加速追趕。國產(chǎn)全部IC 設(shè)備在邏輯 IC 產(chǎn)線上 65/55nm 工藝覆蓋率才 31%，40nm 工藝覆蓋率僅17%，28nm 工藝覆蓋率僅 16%；在存儲芯片產(chǎn)線上的工藝覆蓋率大概約為15-25%。

隨著摩爾定律放緩，國產(chǎn)廠商技術(shù)加速追趕。以北方華創(chuàng)刻蝕機(jī)為例，2007 年研發(fā)出 8 寸 100nm 設(shè)備，比國際大廠晚 8 年；2011 年研發(fā)出12寸65nm設(shè)備，比國際大廠晚6年；2013年研發(fā)出12寸28nm設(shè)備，比國際大廠晚 3~4 年；2016 年研發(fā) 12 寸 14nm 設(shè)備，比國際大廠晚 2~3 年。

北方華創(chuàng)刻蝕機(jī)研發(fā)進(jìn)展

資料來源：北方華創(chuàng)官網(wǎng)

硅片是半導(dǎo)體、光伏電池生產(chǎn)的主要原材料，90%以上的集成電路都是制作在高純、優(yōu)質(zhì)的硅片上的。

1、半導(dǎo)體硅片的制造難度大于光伏硅片。半導(dǎo)體硅片純度要求達(dá)到 99.99999999999%，即 11個 9以上，而普通太陽能硅片制造難度大，設(shè)備種類多級多晶硅材料純度通常在5-8個 9左右。

2、硅片直徑越大制造難度越大。硅片制備工藝流程包括：單晶生長→截斷→外徑滾磨(定位槽或參考面處理)→切片→倒角→表面磨削→(刻蝕)→邊緣拋光→雙面拋光→單面拋光→最終清洗→(外延/退火)→包裝等。

硅片制造流程

資料來源：《半導(dǎo)體制造技術(shù)》韓鄭生

硅片直徑的增大可降低單個芯片的制造成本，目前 300mm 硅片已成為業(yè)內(nèi)主流，2017 年全球 12 寸出貨面積約占硅片總體的 66.1%。

現(xiàn)在：政策需求雙輪驅(qū)動，大硅片國產(chǎn)化指日可待。根據(jù) IC Insights 2017數(shù)據(jù)，2017 年全球硅片需求 1160 萬片（等效 8 寸），國內(nèi)需求 110 萬片。預(yù)計 2020年國內(nèi)對 12寸大硅片需求從 42萬片增加到 105萬片；2020年對 8寸硅片需求從 70 萬片增加到 96.5萬片。受政策鼓勵與市場需求的雙重驅(qū)動，多家企業(yè)正在中國積極布局半導(dǎo)體大硅片項目。國內(nèi)規(guī)劃中的 12 寸大硅片合計：145 萬片，覆蓋國內(nèi)需求。國內(nèi)規(guī)劃中的 8 寸大硅片合計：168 萬片，總投資規(guī)模超過 500 億元，覆蓋國內(nèi)需求。

過去：受市場需求不足的影響，產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)較為緩慢。我國的硅片制備設(shè)備經(jīng)過了 30 多年的發(fā)展，已可提供直徑 200mm 以下的硅片制備設(shè)備，但受市場需求量較少和國外二手設(shè)備的沖擊，國產(chǎn)設(shè)備發(fā)展的門類并不齊全。在300mm 硅片制備設(shè)備的發(fā)展上，國內(nèi)研發(fā)了單晶爐、多線切割機(jī)等幾種關(guān)鍵設(shè)備，也通過了 300mm 硅片生產(chǎn)試驗線的驗證。但與國外設(shè)備相比，受市場需求不足的影響，產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)較為緩慢，同時也影響了設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步。

硅片設(shè)備產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)加快，國產(chǎn)廠商迎來發(fā)展良機(jī)。單晶爐方面，晶盛機(jī)電承擔(dān)的 02 專項“300mm 硅單晶直拉生長設(shè)備的開發(fā)”、“8 英寸區(qū)熔硅單晶爐國產(chǎn)設(shè)備研制”兩大項目均已通過專家組驗收，8寸直拉單晶爐和區(qū)熔單晶爐均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，客戶包括有研半導(dǎo)體、環(huán)歐半導(dǎo)體、金瑞泓等；12 寸直拉單晶爐產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中，未來有望為國內(nèi)大硅片項目供貨。南京晶能 12 寸直拉單晶爐已進(jìn)入新昇半導(dǎo)體大硅片產(chǎn)線。

光刻機(jī)發(fā)展歷史

在集成電路制造工藝中，光刻是決定集成電路集成度的核心工序，該工序的 作用是將電路圖形信息從掩模版上保真?zhèn)鬏?、轉(zhuǎn)印到半導(dǎo)體材料襯底上。光 刻工藝的基本原理是，利用涂敷在襯底表面的光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)作用，記 錄掩模版上的電路圖形，從而實現(xiàn)將集成電路圖形從設(shè)計轉(zhuǎn)印到襯底的目的。

光刻工藝的基本原理

資料來源：SMEE

光刻機(jī)分為無掩模光刻機(jī)和有掩模光刻機(jī)兩大類。

無掩模光刻機(jī)又稱直寫光刻機(jī)，按照所采用的輻射源的不同可分為電子束直寫光刻機(jī)、離子束直寫光刻機(jī)、激光直寫光刻機(jī)，分別用于不同的特定應(yīng)用領(lǐng)域。例如，電子束直寫光刻機(jī)主要用于高分辨率掩模版、集成電路原型驗證芯片的制造，以及特種器件的小批量制造;激光直寫光刻機(jī)主要用于特定的小批量芯片的制造。

光刻機(jī)分類

資料來源：SMEE

有掩模光刻機(jī)又分為接觸/接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)。接觸式光刻出現(xiàn)于20 世紀(jì) 60 年代，是小規(guī)模集成電路（SSI）時代的主要光刻手段，主要用于生產(chǎn)制程在 5μm 以上的集成電路。接近式光刻機(jī)于 20 世紀(jì) 70 年代在小規(guī)模集成電路與中規(guī)模集成電路（MSI）時代早期被廣泛應(yīng)用，主要用于生產(chǎn)制程在 3μm 以上的集成電路。目前接觸\接近式光刻機(jī)的國外生產(chǎn)商主要有德國的蘇斯公司、奧地利 EVG 公司，國內(nèi)生產(chǎn)商主要有中電科 45 所、中科院光電技術(shù)研究所等。

接觸/接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)

資料來源：SMEE

投影光刻機(jī)自 20世紀(jì) 70年代中后期開始替代接觸\接近式光刻機(jī)，是先進(jìn)集成電路大批量制造中的唯一光刻形式。早期的投影光刻機(jī)的掩模版與襯底 圖形尺寸比例為 1:1，通過掃描方式完成整個襯底的曝光過程。

隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小和襯底尺寸的增大，縮小倍率的步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)問世， 替代了圖形比例為 1:1的掃描光刻方式。當(dāng)集成電路圖形特征尺寸小于0.25μm時，由于集成電路集成度的進(jìn)一步提高，芯片面積更大，要求一次曝光的面積增大，促使更為先進(jìn)的步進(jìn)掃描光刻機(jī)問世。

通過配置不同的曝 光光源，步進(jìn)掃描技術(shù)可支撐不同的工藝技術(shù)節(jié)點，從 KrF248mm、ArF193mm、ArF193mm浸沒式，直至 EUV 光刻。在 0.18μm工藝節(jié)點后， 高端光刻機(jī)廠商基本采用步進(jìn)掃描技術(shù)，并一直沿用至今。

投影光刻機(jī)的基本分辨率R=K1*λ/NA，其中 K1 為工藝因子，根據(jù)衍射成像原理，其理論極限值是 0.25；NA 為光刻機(jī)成像物鏡的數(shù)值孔徑；λ 為所使用的光源的波長。提高投影光刻機(jī)分辨率的理論和工程途徑是增大數(shù)值孔徑NA，縮減波長 λ，減小 K1。

為了提高光刻分辨率，在采用準(zhǔn)分子光源后進(jìn)一步縮短曝光波長，引入波長10~14mm 的極紫外光 EUV 作為曝光光源。EUV 光刻機(jī)研發(fā)難度及費(fèi)用極大，英特爾、三星和臺積電都曾對光刻機(jī)龍頭 ASML 投資，以支持 EUV 光刻設(shè)備研發(fā)，并希望取得EUV 設(shè)備的優(yōu)先權(quán)。ASML 從事 EUV 光刻機(jī)的研制已是第 12 個年頭了，甚于“十年磨一劍”。2017 年，姍姍來遲的 EUV 光刻機(jī)終于進(jìn)入了量產(chǎn)階段。

ASML光刻機(jī)發(fā)展歷程

資料來源：ASML

光刻機(jī)競爭格局

步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)的主要生產(chǎn)廠商包括ASML(荷蘭)、尼康(日本)、佳能(日本)和SMEE(中國)。ASML 于 2001 年推出了 TWINSCAN 系列步進(jìn)掃描光刻機(jī)，采用雙工件臺系統(tǒng)架構(gòu)，可以有效提高設(shè)備產(chǎn)出率，已成為應(yīng)用最為廣泛的高端光刻機(jī)。ASML 在光刻機(jī)領(lǐng)域一騎絕塵，一家獨(dú)占全球 70%以上的市場份額。國內(nèi)廠商上海微電子 (SMEE)研制的 90nm 高端步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)已完成整機(jī)集成測試，并在客戶生產(chǎn)線上進(jìn)行了工藝試驗。

步進(jìn)式掃描光刻機(jī)主要廠商機(jī)型信息

資料來源：SMEE

晶圓制造設(shè)備——刻蝕機(jī)

刻蝕原理及分類

刻蝕是使用化學(xué)或者物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程。通常的晶圓加工流程中，刻蝕工藝位于光刻工藝之后，有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會受到腐蝕源的顯著侵蝕，從而完成圖形轉(zhuǎn)移的工藝步驟。

刻蝕原理示意圖

資料來源：《半導(dǎo)體制造技術(shù)》MichaelQuirk

刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。早期普遍采用的是濕法刻蝕，但由于其在線寬控制及刻蝕方向性等多方面的局限，3μm 之后的工藝大多采用干法刻蝕，濕法刻蝕僅用于某些特殊材料層的去除和殘留物的清洗。

干法刻蝕也稱等離子刻蝕。干法刻蝕是指使用氣態(tài)的化學(xué)刻蝕劑（Etchant） 與圓片上的材料發(fā)生反應(yīng)，以刻蝕掉需去除的部分材料并形成可揮發(fā)性的反應(yīng)生成物，然后將其抽離反應(yīng)腔的過程。刻蝕劑通常直接或間接地產(chǎn)生于刻蝕氣體的等離子體，所以干法刻蝕也稱等離子體刻蝕。

等離子體刻蝕機(jī)可以根據(jù)等離子體產(chǎn)生和控制技術(shù)的不同而大致分為兩大類，即電容耦合等離子體（capacitivelycoupledplasma，CCP）刻蝕機(jī)和電感耦合等離子體（Inductivelycoupledplasma，ICP）刻蝕機(jī)。在集成電路生產(chǎn)線上，等離子體刻蝕設(shè)備通常按照被刻蝕材料的種類分為硅刻蝕設(shè)備、金屬刻蝕設(shè)備和電介質(zhì)刻蝕設(shè)備三大類。

CCP 刻蝕機(jī)主要用于電介質(zhì)材料的刻蝕工藝，如邏輯芯片工藝前段的柵側(cè)墻和硬掩?？涛g，中段的接觸孔刻蝕，后段的鑲嵌式和鋁墊刻蝕等，以及在 3D 閃存芯片工藝(以氮化硅/氧化硅結(jié)構(gòu)為例)中的深槽、深孔和連線接觸孔的刻蝕等。

ICP 刻蝕機(jī)主要用于硅刻蝕和金屬刻蝕，包括對硅淺溝槽(STI)、鍺(Ge)、多晶硅柵結(jié)構(gòu)、金屬柵結(jié)構(gòu)、應(yīng)變硅(Strained-Si)、金屬導(dǎo)線、金屬焊墊(Pad)、鑲嵌式刻蝕金屬硬掩模和多重成像(Multiple Patteming)技術(shù)中的多道工序的刻蝕等。另外，隨著三維集成電路(3D IC)、CMOS 圖像傳感器(CIS)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)的興起，以及硅通孔(TSV)、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蝕應(yīng)用的快速增加，多個廠商推出了專為這些應(yīng)用而開發(fā)的刻蝕設(shè)備。

隨著工藝要求的專門化、精細(xì)化，刻蝕設(shè)備的多樣化，以及新型材料的應(yīng)用， 上述分類方法已變得越來越模糊。除了集成電路制造領(lǐng)域，等離子體刻蝕還被廣泛用于 LED、MEMS 及光通信等領(lǐng)域。

刻蝕機(jī)行業(yè)發(fā)展趨勢及競爭格局

隨著芯片集成度的不斷提高，生產(chǎn)工藝越來越復(fù)雜，刻蝕在整個生產(chǎn)流程中的比重也呈上升趨勢。因此，刻蝕機(jī)支出在生產(chǎn)線設(shè)備總支出中的比重也在增加。而刻蝕機(jī)按刻蝕材料細(xì)分后的增長速度，則根據(jù)工藝技術(shù)的發(fā)展階段不同呈現(xiàn)此消彼長的狀況。例如，當(dāng) 0.13μm 工藝的銅互連技術(shù)出現(xiàn)時，金屬刻蝕設(shè)備的占比大幅下降，而介質(zhì)刻蝕設(shè)備的占比大幅上升；30nm 之后的工藝中出現(xiàn)的多重圖像技術(shù)及越來越多的軟刻蝕應(yīng)用，則使得硅刻蝕設(shè)備的占比快速增加。

國際巨頭泛林集團(tuán)、東京電子、應(yīng)用材料均實現(xiàn)了硅刻蝕、介質(zhì)刻蝕、金屬刻蝕的全覆蓋，占據(jù)了全球干法刻蝕機(jī)市場的 80%以上份額。國內(nèi)廠商中微半導(dǎo)體在介質(zhì)刻蝕領(lǐng)域較強(qiáng)，其產(chǎn)品已在包括臺積電、海力士、中芯國際等。

芯片生產(chǎn)商的 20多條生產(chǎn)線上實現(xiàn)了量產(chǎn)；5nm等離子體蝕刻機(jī)已成功通過臺積電驗證，將用于全球首條 5nm工藝生產(chǎn)線；同時已切入 TSV硅通孔刻蝕和金屬硬掩膜刻蝕領(lǐng)域。北方華創(chuàng)在硅刻蝕和金屬刻蝕領(lǐng)域較強(qiáng)，其55/65nm 硅刻蝕機(jī)已成為中芯國際Baseline機(jī)臺，28nm硅刻蝕機(jī)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，14nm硅刻蝕機(jī)正在產(chǎn)線驗證中，金屬硬掩膜刻蝕機(jī)攻破 28-14nm 制程。

晶圓制造設(shè)備——薄膜生長設(shè)備

采用物理或化學(xué)方法是物質(zhì)（原材料）附著于襯底材料表面的過程即為薄膜生長。薄膜生長廣泛用于集成電路、先進(jìn)封裝、發(fā)光二極管、MEMS、功率器件、平板顯示等領(lǐng)域。

薄膜生長工藝類型

資料來源：北方華創(chuàng)《集成電路專用設(shè)備-薄膜設(shè)備》

根據(jù)工作原理的不同，集成電路薄膜沉積可分為物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和外延三大類。

PVD 是指利用熱蒸發(fā)或受到粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等物理過程，實現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到襯底材料表面的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，從而在襯底表面沉積形成薄膜的技術(shù)。PVD 可以分為真空蒸鍍和濺射兩種類型。目前蒸鍍主要應(yīng)用于LED 電極制造，而主流 IC 制造領(lǐng)域已經(jīng)不再采用此類設(shè)備進(jìn)行薄膜制備。濺射 PVD 廣泛應(yīng)用于集成電路后道互連工藝中金屬薄膜制備。

磁控直流DCPVD 可用于平面薄膜制備，如鋁互連和 28nm 氮化鈦硬掩膜，但在銅互連中應(yīng)用減少。離子化 PVD 是磁控 DCPVD 中的一種新技術(shù)，可用于鋁互連的隔離層、鎢栓塞的粘附層，以及銅互連中的隔離層和籽晶層。同時，離子化PVD 和金屬CVD 腔室可以結(jié)合在一個系統(tǒng)中，比如鎢栓塞的粘附層（鈦離子PVD）和隔離層（氮化鈦 CVD）。

薄膜生長設(shè)備

資料來源：北方華創(chuàng)《集成電路專用設(shè)備-薄膜設(shè)備》

CVD 是通過混合化學(xué)氣體并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在襯底表面沉積薄膜的一種工藝，用于沉積的材料包括金屬材料(W， TIN， Co)、介電材料(Si02、Si， N4、摻磷二氧化硅、摻硼磷二氧化硅)和半導(dǎo)體材料(多晶硅、無晶硅)等。

在微米技術(shù)代，化學(xué)氣相沉積均采取多片式的常壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備(APCVD)，其結(jié)構(gòu)比較簡單，圓片的傳輸和工藝是連續(xù)的。

1、在亞微米技術(shù)代，低壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備(LPCVD)成為主流設(shè)備， 其工作壓力大大降低，從而改善了沉積薄膜的均勻性和溝槽覆蓋填充能力。

2、從 90nm技術(shù)代開始，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備(PECVD) 扮演了重要的角色。由于等離子體的作用，化學(xué)反應(yīng)溫度明顯降低， 薄膜純度得到提高，薄膜密度得以加強(qiáng)。

3、從 180nm技術(shù)代開始，Cu取代 Al作為金屬互連材料。金屬栓塞工藝模塊中的 TIN阻擋層和W栓塞均是采用金屬化學(xué)氣相沉積（金屬 Metal-CVD）完成的。

4、從 45nm技術(shù)代開始，為了減小器件的漏電流，新的高介電材料(Highk)材料及金屬柵(MetalGate)工藝被應(yīng)用到集成電路工藝中， 由于膜層非常薄，通常在數(shù)納米量級內(nèi)，所以不得不引入原子層沉積(ALD)的工藝設(shè)備，以滿足對薄膜沉積的控制和薄膜均勻性的需求。

5、MOCVD主要用于制備半導(dǎo)體光電子、微電子器件領(lǐng)域的各種砷化鎵、氮化鎵等三五族化合物，在 LED、激光器、高頻電子器件和太陽能電池等領(lǐng)域具有規(guī)?；a(chǎn)的能力。

外延是一種在晶片等單晶襯底上按照襯底晶向生長單晶薄膜的工藝過程。根據(jù)外延生長材料的不同，外延可以分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延。同質(zhì)外延是指生長的外延層和襯底是同一種材料，異質(zhì)外延是指外延生長的薄膜材料與襯底材料不同，如 SPS 技術(shù)(在藍(lán)寶石或尖晶石上生長硅)。根據(jù)外延技術(shù)可分為分子束外延、氣相外延、液相外延等。MOCVD 也可作為氣相外延的一種。

PVD 領(lǐng)域，AMAT 一家獨(dú)大，約占全球市場份額的 80%以上；CVD 領(lǐng)域， AMAT、LAM、TEL 三家約占全球市場份額的 70%以上。國內(nèi)設(shè)備廠商中北方華創(chuàng)薄膜設(shè)備產(chǎn)品種類最多，目前其 28nm硬掩膜 PVD 已實現(xiàn)銷售，銅互連PVD、14nm 硬掩膜PVD、Al PVD、LPCVD、ALD 設(shè)備已進(jìn)入產(chǎn)線驗證。中微半導(dǎo)體的 MOCVD 在國內(nèi)已實現(xiàn)國產(chǎn)替代。沈陽拓荊的 65nm PECVD 已實現(xiàn)銷售。

晶圓制造設(shè)備——擴(kuò)散及離子注入設(shè)備

在集成電路制造過程中，摻雜主要有擴(kuò)散和離子注入兩種工藝，擴(kuò)散屬于高溫工藝，而離子注入工藝屬于低溫工藝。

擴(kuò)散工藝是向硅材料中引人雜質(zhì)的一種傳統(tǒng)方法，控制圓片襯底中主要載流子的類型、濃度和分布區(qū)域，進(jìn)而控制襯底的導(dǎo)電性和導(dǎo)電類型。擴(kuò)散工藝設(shè)備簡單，擴(kuò)散速率快，摻雜濃度高，但擴(kuò)散溫度高，擴(kuò)散濃度分布控制困難，難以實現(xiàn)選擇性擴(kuò)散。

離子注入工藝是指使具有一定能量的帶電粒子(離子)高速轟擊硅襯底并將其注入硅襯底的過程。離子注入能夠在較低的溫度下，可選擇的雜質(zhì)種類多， 摻雜劑量控制準(zhǔn)確，可以向淺表層引人雜質(zhì)，但設(shè)備昂貴，大劑量摻雜耗時較長，存在隧道效應(yīng)和注人損傷。

資料來源：光大證券研究所整理

擴(kuò)散爐分類及競爭格局

擴(kuò)散爐廣泛用于分立器件、電力電子、光電器件和光導(dǎo)纖維等行業(yè)的擴(kuò)散、氧化、退火、合金等工藝中，因此按照功能不同，有時也稱擴(kuò)散爐為退火爐、氧化爐。擴(kuò)散爐主要分為臥式擴(kuò)散爐和立式擴(kuò)散爐。

臥室擴(kuò)散爐（一般用于8英寸以下）

資料來源：北方華創(chuàng)《集成電路專用設(shè)備-擴(kuò)散爐設(shè)備》

臥式擴(kuò)散爐是一種在圓片直徑小于 200mm的集成電路擴(kuò)散工藝中大量使用的熱處理設(shè)備，其特點是加熱爐體、反應(yīng)管及承載圓片的石英舟(QuartzBoat) 均呈水平放置，因而具有片間均勻性好的工藝特點。

立式擴(kuò)散爐（一般用于8和12英寸）

資料來源：北方華創(chuàng)《集成電路專用設(shè)備-擴(kuò)散爐設(shè)備》

立式擴(kuò)散爐泛指應(yīng)用于直徑為 200mm 和 300mm 圓片的集成電路工藝中的- 種批量式熱處理設(shè)備，俗稱立式爐。立式擴(kuò)散爐的結(jié)構(gòu)特點是，加熱爐體、反應(yīng)管及承載圓片的石英舟均垂直放置(圓片呈水平放置狀態(tài))，具有片內(nèi)均勻性好、自動化程度高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定的特點，符合SEMI 標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿足大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線的需求。立式擴(kuò)散爐是半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)線的重要設(shè)備之一，也常應(yīng)用于電力電子器件(如 ICBT)等領(lǐng)域的相關(guān)工藝。立式擴(kuò)散適用的工藝包括干氧氧化、氫氧合成氧化、DCE(二氯乙烯)氧化、氨氧化硅氧化等氧化工藝，以及二氧化硅、多晶硅(Poly-si)、氮化硅(SiN)、原子層沉積(ALD)等薄膜生長工藝，也常用于高溫退火、銅退火(Cu Anneal) 及合金(Alloy)等工藝。

擴(kuò)散設(shè)備方面，臥室擴(kuò)散爐較為簡單，國內(nèi)基本能實現(xiàn)自給自足，設(shè)備廠商主要有北方華創(chuàng)、中電科第 48 所等。立式擴(kuò)散/氧化爐設(shè)備門檻較高，全球主要廠商有東京電子(TEL)、日立國際(HKE)等，單臺平均售價約為 80 萬美元，國內(nèi)仍主要依賴進(jìn)口，只有北方華創(chuàng)公司能夠小批量提供 300mm 立式爐產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的退火爐使用類似臥式擴(kuò)散爐的爐管系統(tǒng)，一般用于直徑小于 200mm 的晶圓制造。而 200mm 或者 300mm 的大尺寸晶圓一般采用立式爐及單片快速熱處理（RTP）設(shè)備。相對于爐管加熱退火，RTP 具有熱預(yù)算少，摻雜區(qū)域中雜質(zhì)運(yùn)動范圍小，沾污小和加工時間短等優(yōu)點。RTP 設(shè)備門檻高，主要由應(yīng)用材料公司、Axcelis Technology、Mattson Technology 和 ASM 等 4 家公司壟斷，約占全球 90%的市場份額。

離子注入機(jī)是集成電路裝備中較為復(fù)雜的設(shè)備之，根據(jù)注入離子的能量和劑量的不同，離子注入機(jī)大體分為低能大束流離子注入機(jī)、中束流離子注入機(jī)和高能離子注入機(jī) 3 種類型。其中，低能大束流離子注入機(jī)是目前占有率最高的注入機(jī)，適用于大劑量及淺結(jié)注入，如源漏極擴(kuò)展區(qū)注入、源漏極注入、柵極摻雜以及預(yù)非晶化注入等多種工藝。中束流離子注入機(jī)可應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中的溝道、阱和源漏極等多種工藝。高能離子注入機(jī)在邏輯、存儲、成像器件、功率器件等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

離子注入設(shè)備廠商主要有美國的 AMAT、Axcelis 等。國內(nèi)生產(chǎn)線上使用的離子注入機(jī)多數(shù)依賴進(jìn)口，國內(nèi)北京中科信、中電科 48 所、上海凱世通等也能提供少量產(chǎn)品。其中，中科信公司已具備不同種類（低能大束流、中束流和高能）離子注入機(jī)上線機(jī)型的量產(chǎn)能力。

晶圓制造設(shè)備——濕法設(shè)備

濕法工藝是指在集成電路制造過程中需要使用化學(xué)藥液的工藝，主要有濕法清洗、化學(xué)機(jī)械拋光和電鍍?nèi)箢悺?/p>

濕法清洗是指針對不同的工藝需求，采用特定的化學(xué)藥液和去離子水，對圓片表面進(jìn)行無損傷清洗，以去除集成電路制造過程中的顆粒、自然氧化層、有機(jī)物、金屬污染、犧牲層、拋光殘留物等物質(zhì)。

清洗機(jī)主要分為槽式清洗機(jī)和單圓片清洗機(jī)。槽式清洗技術(shù)是由美國無線電公司(RCA)于 1970 年提出的，它是通過多個化學(xué)槽體、去離子水槽體和干燥槽體的配合使用，完成圓片清洗工藝。

隨著 28nm 及更先進(jìn)工藝的濕法清洗對圓片表面小顆粒的數(shù)量及刻蝕均勻性的要求越來越高，同時必須達(dá)到圖形無損干燥。而槽式圓片清洗機(jī)的槽體內(nèi)部化學(xué)藥液的差異性、干燥方式，以及與圓片接觸點過多，導(dǎo)致無法滿足這些工藝需求，現(xiàn)已逐漸被單圓片清洗機(jī)取代，目前槽式圓片清洗機(jī)在整個清洗流程中約占 20%的步驟。

槽式圓片清洗機(jī)主要廠商有日本的迪恩士(SCREEN)、東京電子(Tokyo Electron)和 JET，三家約占全球 75%以上的市場份額。韓國的 SEMES 和KCTECH 主要供給韓國市場。

單圓片清洗設(shè)機(jī)主要廠商有日本的迪恩士、東京電子和美國泛林集團(tuán)提供， 三家約占全球 70%以上的市場份額。在國內(nèi)的單圓片濕法設(shè)備廠商中，盛美半導(dǎo)體獨(dú)家開發(fā)的空間交變相位移(SAPS)兆聲波清洗設(shè)備和時序氣穴振蕩控制(TEBO)兆聲波清洗設(shè)備已經(jīng)成功進(jìn)入韓國及中國的集成電路生產(chǎn)線并 用于大規(guī)模生產(chǎn)。北方華創(chuàng)的清洗機(jī)也成功進(jìn)入中芯國際生產(chǎn)線。

(SAPS)兆聲波清洗設(shè)備技術(shù)原理

資料來源：盛美半導(dǎo)體《集成電路專用設(shè)備-濕法設(shè)備》

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是指圓片表面材料與研磨液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，在研磨頭下壓力的作用下進(jìn)行拋光，使圓片表面平坦化的過程。

圓片表面材料包括多晶硅、二氧化硅、金屬鎢、金屬銅等，與之相對應(yīng)的是不同種類的研磨液。

化學(xué)機(jī)械拋光能夠?qū)⒄麄€圓片高低起伏的表面研磨成一致的厚度，是一種圓片全局性的平坦化工藝。

CMP 工藝在芯片制造中的應(yīng)用包括淺溝槽隔離平坦化(STI CMP)、多晶硅平坦化(Poly CMP)、層間介質(zhì)平坦化(ILD CMP)、金屬間介質(zhì)平坦化(IMDCMP)、銅互連平坦化(Cu CMP)。

CMP 設(shè)備主要分為兩部分，即拋光部分和清洗部分。拋光部分由 4 部分組成，即 3 個拋光轉(zhuǎn)盤和一個圓片裝卸載模塊。清洗部分負(fù)責(zé)圓片的清洗和甩干，實現(xiàn)圓片的“干進(jìn)干出”。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）原理

資料來源：盛美半導(dǎo)體《集成電路專用設(shè)備-濕法設(shè)備》

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）配套設(shè)備

資料來源：盛美半導(dǎo)體《集成電路專用設(shè)備-濕法設(shè)備》

CMP 設(shè)備主要生產(chǎn)商有美國 AMAT 和日本 Ebara，其中 AMAT 約占 CMP 設(shè)備市場 60%的份額，Ebara 約占 20%的份額。國內(nèi) CMP 設(shè)備的主要研發(fā)單位有天津華海清科和中電科 45 所，其中華海清科的拋光機(jī)已在中芯國際生產(chǎn)線上試用。

電鍍是指在集成電路制造過程中，用于加工芯片之間互連金屬線所采用的電化學(xué)金屬沉積。隨著集成電路制造工藝的不斷發(fā)展，目前電鍍已經(jīng)不限于銅線的沉積，還涉及錫、錫銀合金、鎳等金屬的沉+積，但金屬銅的沉積仍是其中最主要的部分。

電鍍原理

資料來源：盛美半導(dǎo)體《集成電路專用設(shè)備-濕法設(shè)備》

電鍍設(shè)備主要的生產(chǎn)商包括 Lam Research、AMAT 以及 TEL。其中，Lam Research 在前道的鑲嵌式技術(shù)電鍍銅設(shè)備中占據(jù) 90%以上的市場份額，日本的東京電子在先進(jìn)封裝領(lǐng)域約占據(jù) 50%市場。盛美半導(dǎo)體設(shè)備已經(jīng)掌握了電鍍機(jī)的核心專利技術(shù)，包括多圓環(huán)陽極技術(shù)和兆聲波輔助電鍍技術(shù)等， 自主開發(fā)了Utra ECP 系列電鍍機(jī)。

晶圓制造設(shè)備——工藝檢測設(shè)備

工藝檢測設(shè)備是應(yīng)用于工藝過程中的測量類設(shè)備和缺陷(含顆粒)檢查類設(shè)備的統(tǒng)稱。集成電路芯片制造工藝流程中在線使用的工藝檢測設(shè)備種類繁多， 應(yīng)用于前段芯片制造工藝的主要檢測設(shè)備分為：圓片表面的顆粒和殘留異物檢查；薄膜材料的厚度和物理常數(shù)的測量；圓片在制造過程中關(guān)鍵尺寸(CD) 和形貌結(jié)構(gòu)的參數(shù)測量；套刻對準(zhǔn)的偏差測量。

隨著芯片結(jié)構(gòu)的不斷細(xì)微化和工藝的不斷復(fù)雜化，工藝檢測設(shè)備在先進(jìn)的前段生產(chǎn)線中起著越來越重要的作用。目前工藝檢測設(shè)備投資占整個前端工藝設(shè)備總投資的 10%~15%。

工藝檢測設(shè)備的供應(yīng)商主要有科磊半導(dǎo)體、應(yīng)用材料、日立高新等，國內(nèi)廠商主要有上海睿勵科學(xué)儀器和深圳中科飛測科技。

封裝測試設(shè)備

根據(jù) SEMI 數(shù)據(jù)，2017 年全球封裝測試設(shè)備市場高速增長 27.89%，銷售額達(dá)到 83.1 億美元。2017 年中國大陸半導(dǎo)體封裝測試設(shè)備與封裝模具市場增長了18.6%，達(dá)到 206.1 億元，約為 30.53 億美元（按統(tǒng)計局 2017 年度平均匯率計笲：1 美元=6.75 元），其中封裝設(shè)備市場 14 億美元，測試設(shè)備與封裝模具市場為 16.53 億美元。2017 年國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模為 82.3 億美元，封裝測試設(shè)備占比超過 1/3，達(dá)到 37.1%。

全球半導(dǎo)體封測設(shè)備市場規(guī)模及增速

資料來源：SEMI

國內(nèi)半導(dǎo)體封測設(shè)備市場規(guī)模及增速

資料來源：SEMI

封裝設(shè)備

封裝和組裝可分為四級，即芯片級封裝(0 級封裝)、元器件級封裝(1 級封裝)、板卡級組裝(2 級封裝)和整機(jī)組裝(3 級封裝)。在 0 級封裝階段，為了實現(xiàn)圓片的測試、減薄、劃切工藝，與之對應(yīng)的主要封裝設(shè)備有圓片探針臺、圓片減薄機(jī)、砂輪和激光切割機(jī)等。在 1 級封裝階段，為了實現(xiàn)芯片的互連與封裝工藝，與之對應(yīng)的主要封裝設(shè)備有黏片機(jī)、引線鍵合機(jī)、芯片倒裝機(jī)、塑封機(jī)、切筋成型機(jī)、引線電鍍機(jī)和激光打標(biāo)機(jī)等。在此階段，為了實現(xiàn)圓片級芯片尺寸封裝(WLCSP)工藝，相應(yīng)的主要封裝設(shè)備還有植球機(jī)、圓片凸點制造設(shè)備、圓片級封裝的金屬沉積設(shè)備及光刻設(shè)備等。在 2 級封裝階段，為了實現(xiàn) PCB 組裝工藝，與之對應(yīng)的主要封裝設(shè)備有焊膏涂覆設(shè)備、絲網(wǎng)印刷機(jī)、點膠機(jī)、貼片機(jī)、回流爐、波峰焊機(jī)、清洗機(jī)自動光學(xué)檢測設(shè)備等。

集成電路所有的關(guān)鍵參數(shù)，所以花費(fèi)的時間較長，但對于保證產(chǎn)品質(zhì)量卻能起到關(guān)鍵作用。為加快集中檢測電學(xué)參數(shù)的速度，降低集成電路的測試成本， 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界開發(fā)了相關(guān)的自動測試設(shè)備(ATE)。利用計算機(jī)控制， ATE 能夠完成對集成電路的自動測試。

ATE 價格昂貴，對測試環(huán)境要求苛刻，所以要求有高標(biāo)準(zhǔn)的測試場地，同時還要保證多臺 ATE 并行運(yùn)行，以保證測試的速度和效率。對于每種集成電路都要開發(fā)專門的ATE 測試程序，以保證測試自動進(jìn)行。

近年來，測試設(shè)備商經(jīng)過不斷整合，形成了以日本愛德萬測試(ADVANTEST) 和美國泰瑞達(dá)(TERADYNE)兩大公司，其產(chǎn)品約占全球半導(dǎo)體企業(yè)測試設(shè)備市場份額的 80%以上。國內(nèi)測試設(shè)備廠商有長川科技、華峰測控、廣立微等。

通過上文對全球設(shè)備龍頭的梳理，我們發(fā)現(xiàn)：每大類設(shè)備市場中，最終都形成了寡頭競爭的格局，前三名廠商占據(jù)了絕大部分的市場份額，呈現(xiàn)強(qiáng)者恒強(qiáng)大者恒大的特點。