半導體設備產業剖析 ，中國整體水平如何 ？

半導體核心產業鏈為 IC 設計 、 IC 製造 、封裝測試 ，垂直分工模式持續深化 。 半導體產業鏈上遊為矽片 、光刻膠 、靶材 、清洗液等原材料以及光刻機 、刻蝕機 、單晶爐等眾多半導體設備作為支撐產業 ；核心產業鏈為 IC 設計 、 IC 製造以及封裝測試 3 大環節 ，由於Foundry（隻進行芯片生產製造） 、 Fabless（專業從事 IC 設計）模式誕生 ，設計 、製造 、封測業務開始相互獨立 ， Fabless 公司業績增長明顯高於 IDM（從設計到封測再到消費業務總包）公司 ，造成了 IDM 公司開始向 Fab-lite 模式發展 ，集中精力於優勢產品 ，產業垂直分工模式持續深化 ；下遊為消費電子 、通信 、汽車電子 、計算機等產業以及物聯網 、人工智能 、 5G 、 VR/AR 等新興工業領域 。

我國半導體需求量占全球60% ，供需缺口持續擴大

行業銷售額達 4122 億美元 ，未來幾年保持 7%的 CAGR 。 據 WSTS 統計 ， 2017 年全球半導體行業銷售額為 4122 億美元 ，同比增速 21.6% ，創下曆年新高 ，美獅會預測未來 3年全球半導體行業銷售額年均增速達 7% ，至 2020 年超過 5000 億美元 。據美國半導體行業協會（SIA）數據 ， 2018 年 4 月份全球半導體銷售額 376 億美元 ，同比飆升 20.2% ，新年開局十分強勁 ，美洲地區銷售額增長最快 ，為 34.1% ，中國地區緊隨其後 ，同比增長 22.1% ，環比持平 ，行業景氣度有增無減 。短期內 ，半導體市場增長依然非常樂觀 ，預計 2018 年繼續保持高增長態勢 。

曆經 3 次轉移 ，半導體行業重心正遷至中國大陸 。 上世紀四五十年代隨著軍用 、商用計算機的出現 ，至 70 年代矽穀形成 ，美國成為世界上半導體行業的領頭人 ； 80 年代日本政府與產業界經過努力開發基於 DRAM 的 IDM 商業模式 ，實現半導體行業的崛起 ，超越美國在全球市場處於領先 ；之後韓國抓住 PC 端消費機遇 ，加上政府與財團支持 ，在半導體產業中搶占了市場先機 ，在 DRAM 市場達到 80%的占有率 ，一舉將產業重心遷至韓國 ；中國台灣在 60 年代切入 IC 後段封裝測試 ，受益於初期外企在台設廠與 80 年代垂直分工模式加深 ， 以及本地企業如台積電等崛起 ，依靠晶圓代工帶動全產業鏈發展 ；在目前半導體行業景氣周期中 ，中國大陸成為最大消費市場 ， 2017 年中國集成電路產業銷售額達到5411.3 億元 ，產業發展速度全球領先 ，行業重心正轉移至中國大陸 。

中國半導體需求占全球 30%， 集成電路銷售額達 5400 億元成最大下遊市場 。 2017年 ，中國半導體銷售額達 1315 億美元 ，同比增速 22.5% ，占全球市場銷售額比重高達約30% ， 其中集成電路銷售額達 5411.3 億元 ， 中國已然成為全世界最大的半導體下遊市場 。

集成電路進口額連年超 2000 億美元位居進口產品之首 ，核心技術仍被國外壟斷 。 數據顯示 ，自 2013 年來 ，中國集成電路進口額連年超過 2000 億美元 ，2017 年更是高達 2601億美元，進口數量已接近 4000 億個 ，同比增速 5 年來穩定在 10%左右 。顯然 ，集成電路已連續多年成為國內最大進口產品 ， 12 寸矽片基本完全依賴進口 。 2017 年 ， 集成電路出口金額 669 億美元 ，進出口逆差達 1932 億美元 ，行業對外依存度高居不下 。此外 ，如熱處理設備 、光刻機 、探針台等半導體設備基本依賴進口 ，國產化率很低 ，核心技術仍未突破 。

供需缺口 30 萬片/月以上且繼續增大 ，晶圓廠將迎資本開支高峰 。 由於存儲器市場火爆 ， 12 寸矽片市場需求將持續大 ，國內來看 ，據集邦谘詢統計 ，國內 12 寸矽片月需求 46萬片 ，美獅會預計 2018 年需求增大到 120 萬片/月 ，而 12 寸矽片國內尚無量產能力 ，供需缺口巨大 。據統計 ， 8 寸矽片月需求為 70 萬片 ，而國內包括浙江金瑞泓 、昆山中辰等重點廠商平均產量共計約 23 萬片/月 ，供需缺口近 50 萬片/月 ；

從全球來看 ，據業界預測 ， 2017年 、 2018 年全球 12 寸矽片需求為 550 萬片/月 ， 580 萬片/月 ，而據 SEMI 數據 ，未來3年全球產能複合增速在 2%~3% ，對應 2017 年與 2018 年產能為 525 萬片/月 、 540 萬片/月 ，供需缺口在 30 萬片/月以上 ，供不應求狀態依舊持續 。由於如此之大的供需缺口存在 ，全世界尤其是中國大陸開始興起晶圓廠投資熱潮 ，資本開支持續走高 ，預計 2018~2020年迎來資本開支高峰 。
半導體設備價值量占產業鏈80% ，國產化率低於20%

眾多半導體設備支撐產業鏈發展 ，投入占比接近 80%成半導體產業鏈最大投資項 。 半導體設備鏈是支撐半導體行業的上遊基礎子產業 ，投資價值巨大 。對應於半導體產業鏈各環節 ，設備鏈主要集中在矽片製備 、 晶圓加工 、封裝測試環節 。 矽片製備需要設備為減薄機 、單晶爐 、研磨機等 ； 晶圓加工環節則需要熱處理設備 、光刻機 、刻蝕機 、離子注入設備 、 CVD/PVD 設備 、清洗設備等 ；在封裝測試環節需要切割機 、裝片機 、鍵合機 、 測試機 、分選機 、探針台等設備 ；

此外 ，還需要潔淨室等設備作為輔助設備 。由於集成電路產業製造過程需要多種設備協同工作 ，而如光刻機等高精度設備造價極高（ASML 一台光刻機售價超 1 億美元） ，因而使得半導體設備成為產業鏈最大投資項 ，占產業總支出接近 80% 。

全球半導體企業掀起投資建廠熱潮 ，中國大陸占比超 40% 。 為迎合快速增長的半導體市場需求 ，全球範圍尤其是中國地區迎來晶圓代工廠投資建廠熱潮 ， SEMI 預計 2017 年~2020 年間全球共將投產 62 座半導體晶圓廠 ，中國大陸新建投產約 26 座 ，占比達 42% 。此輪建廠潮主要以 12 寸晶圓廠為主 ， 2018 年即將到達建設投產高峰，全球半導體企業也迎來資本開支大年 。
月產能 1 萬片需投入 6 億美元設備 ， 2018 年中國設備支出將增大到 100 億美元 。 據SEMI 預測 ，2017 年全球晶圓廠設備支出 460 億美元 ，預計 2018 年支出高達 540 億美元 ，總支出（建設和設備總計）同比增長 54% ； 2017 年中國新建的新晶圓廠將於 2018 年開始裝機 ，預計 2018 年中國設備支出超 100 億美金 ，成長超 55% 。

美獅會根據一些公布的晶圓廠建設投資規劃進行統計測算 ，新建一座晶圓廠平均投資金額約 60 億美元 ，設備投資占總投資金額的 70%以上 ， 1 萬片/月的單位產能對應總投資約 8.5 億美元 ，對應設備投資約 6億美元 。而在設備配置中 ，製造設備占比最多 ，占比高達 70% ，其中光刻機 、刻蝕機以及薄膜沉積設備為核心 ，各占 30% 、25% ， 25% ；封裝設備與測試設備占設備投資比例為 15% 、10% 。
但在火熱的半導體設備背後 ，國產化率普遍低於 20% ，國內市場遭國外巨頭壟斷 。

目前 ，我國設備普遍國產化率很低 ，如光刻機 、離子注入設備 、氧化擴散設備國產化率均低於 10% ，刻蝕機約10% ，CVD/PVD 設備約 10%~15% ，封測設備國產化率普遍小於 20% 。據《中國製造 2025》重點領域技術創新綠皮書——技術路線圖預計 ，至 2020 年中國集成電路市場規模達到1180 億~1734 億美元 ，複合增長率 8% ，全球市場占比為 35.98%~43.35% ，產業規模達到 483 億~851 億美元 ，全球市占比達到 14.7%~21.3% ，中國市場占比達到 40.9%~49.1% 。

國際巨頭壟斷全球高端設備市場 ，打破壟斷提高國產化率是當務之急 。 當下 ， 國內半導體市場利潤多為國外巨頭瓜分 ，據美國半導體行業協會（SIA）數據顯示 ， 2016 年僅美國企業在中國半導體市場的占有率就高達 51% ，半導體設備國內自供給率不足 20% ，在如此廣闊市場空間下，國內企業唯有加緊技術突破 ，打破國外巨頭壟斷 ，才能安享自家豐盛的半導體市場大宴 。

為了改變則個局麵 ，國家推02 專項扶持國內設備產業發展 。 

02 專項即國家“極大規模集成電路製造技術及成套工藝”項目 ，在“十二五”期間著重進行了 45-22 納米關鍵製造裝備攻關 ，開發 32-22 納米互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝 、 90-65 納米特色工藝 ，開展 22-14納米前瞻性研究 ，形成 65-45 納米裝備 、材料 、工藝配套能力及集成電路製造產業鏈等重要任務 ，受益於 02 專項的扶持 ，國內設備企業如中微半導體 、北方華創 、上海微電子等迅速發展 ，攻克了一係列關鍵技術 ，在國家半導體產業發展進程中起到關鍵作用 。

“大基金”二期投資規模或超萬億 ，封測設備行業受益 。 

“十二五”開始我國大力發展集成電路產業 ， 2014 年 9 月 ，我國成立集成電路產業基金扶持產業發展 ，截至到 2017年上半年 ，“大基金”首期募資達到 1387.2 億元 。“大基金”的投資項目覆蓋了集成電路的製造 、設計 、材料設備 、封裝測試等環節 ，各環節投資比重分別是 63% 、 20% 、 7%、10% 。而“大基金”二期擬募金額比一期增加約 40% ，預計至少將按照 1∶3 的撬動比 ，預期撬動社會資金規模 4500 億-6000 億元左右 ，加上一期募得的 1387 億元及帶動的 5倍社會資金 ，總金額或將過萬億元 。

據半導體行業聯盟披露的“大基金”二期投向領域來看 ，封測行業及設備企業大大受益 ， 封裝測試行業長電科技 、華天科技 、通富微電 、晶方科技以及設備商長川科技均在投向領域內 ，大力投資必會帶動國內封測設備行業的快速發展 。

目前看來，國內封測設備發展趨向成熟 ，有望率先突破 。

國家戰術性重點突破後端環節 ，國內封測設備發展趨向成熟 。 集成電路是半導體行業的最主要組成部分 ，其設備投資占整個半導體產業鏈資本支出的 80%左右 ，其中由於芯片製造領域涉及技術難度很高 ，如光刻機工藝要求極高 ，國內與國外水平相差 3 代以上 ，短時間難以趕超 ，而產業鏈後端環節封裝測試領域技術含量相對較低 ，因而成為我國重點突破領域 ，目前也已經成為我國集成電路產業鏈中最具競爭力的環節 ， 2018 年 Q1 中國封測產業貢獻了 402.5 億元的銷售額 ，占國內半導體產業銷售額 35% ，封裝設備市場占全球封裝設備市場的 36.8% 。因此 ，借鑒中國台灣半導體產業的崛起是從封裝測試領域切入 ，我國未來也會實現首先從後端環節超車 。

前中後段設備的市場狀況

在前段 ，矽片製造和單晶爐是核心 。

矽片是製作芯片的基材 ，占整個半導體材料的 35%以上 。 矽是用來製造芯片的主要半導體材料 ，現在世界上典型的半導體公司都不自己製造矽片 ，而是直接采購矽片製造商生產的矽片進一步加工製造各式各樣的芯片 。在矽片上製作的芯片的質量與開始製作時所采用的的矽片的質量有直接關係 ，所以矽片製造（也稱晶圓製造）的發展對於整個半導體產業鏈也有著獨特的意義 。矽片的製造流程包含工藝眾多 ，主要包含矽的提煉與提純-單晶矽生長 、機械整型以及刻蝕 、拋光和外延生長等過程 。 


矽的提純是指將矽砂原料放入熔爐中熔煉，再通過蒸餾和化學反應得到高純度的多晶矽（純度 99.99999% 7 個 9 以上） ，之後在單晶爐中使用 CZ 法（提拉法）或區熔法得到單晶矽棒（純度 99.999999999% 11 個9 以上） 。隨著電子器件的不斷升級 ，對矽的純度要求也越來越高 。這一過程所用到的主要設備是單晶爐 。單晶爐設備支出占矽片製造設備的 25%左右 。

機械整型主要是指將拉好的單晶矽錠通過研磨 、去頭 、切片 、倒角等多種工藝形成物理形狀上的矽片 。 

矽錠整型是指將拉好的單晶矽棒整型為可處理的錠狀 ，主要通過滾磨（徑向研磨）實現 ，主要設備為滾磨機 。 

切片是將矽錠切成固定厚度 ，一般是1mm ，隨著矽片尺寸逐漸變大 ，這一過程目前主要采用線切割的方式進行 ，主要設備為線切割機 。 

磨片倒角是為了解決切片的表麵和邊緣的尺寸誤差問題 ，所用設備為研磨機。這一過程所使用的設備主要為機加工設備 ，技術難度相對較低 ，總和約占整個矽片製造設備的 20%左右 。

刻蝕是指進一步通過腐蝕手段對切片進行減薄腐蝕 ，去除損傷層 ，其目的是為了改善表麵質量 ，提高切片平整度 。這一過程所用設備為刻蝕機 ，約占矽片製造設備的 10% 。 

拋光則是利用機械 、化學和電化學的手段進一步降低矽片表麵粗糙度 ，獲得更加光亮平整表麵的加工方法 ，通過拋光生產的矽片也稱拋光片 。主要使用設備為拋光機 ，目前 CMP 拋光機使用最為廣泛 ， 約占矽片製造設備的 10% 。

外延生長是為達到所需器件性能和成本率目標 ，將切片放入外延爐進行外延生長 ，在已有表麵的外層新長出一層純度更高 ，更加平整的外延層 。通過外延生長得到的矽片也稱外延片 。一般而言外延片的性能優於拋光片 ，因為其密度低 、吸雜性能和電學性能好 ，而外延片的製造難度也稍大一些 。這一過程主要使用設備為外延爐 ， 約占總設備的 10% 。 

清洗設備在整個過程中會多出用到 ，目的是及時將加工片清洗去除表麵留存雜質 ，檢測設備則是對加工的矽片進行測試判斷是否達到要求。清洗過程所用設備為清洗機 ，占比 10%左右 ，檢測過程主要使用測試機 ， 約占比 10% 。

矽晶體生長主要的製造方法是直拉法和區熔法 。 

在晶體生長直拉法（CZ）中 ，被加熱的坩堝中盛著熔融的料 ，籽晶杆帶著籽晶由上而下插入熔體 ，由於固液界麵附近的熔體維持一定的過冷度 、熔體沿籽晶結晶 ，並隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶 。直拉法適用於大尺寸完美晶體的批量生產 ，比如半導體鍺 、矽 、氧化物單晶 。

區熔法將一個多晶材料棒 ，通過一個狹窄的高溫區 ，使材料形成一個狹窄的熔區，移動材料棒或加熱體 ，使熔區移動而結晶 ，最後材料棒就形成了單晶棒 。區熔法生產的單晶材料含氧量少 ，純度高 ，摻質均勻 ，適用 ITBT 工業電子 。

來到中段晶圓加工 ，光刻機和刻蝕機是核心 。

光刻作為晶圓加工最為關鍵的步驟之一 ，是將所設計的 IC 電路圖映射到矽片上的程序 。光刻環節所需的設備光刻機是整個過程最為核心的設備 ，光刻設備占整個晶圓加工設備的40%左右 ，目前最為先進的 EUV 光刻機單價在 1 億美元以上 ，高端光刻機市場被 ASML所壟斷 。

刻蝕是與光刻工藝相關的工藝 ，在光刻之後通過使用特定試劑將未被光刻膠保護的地方刻蝕掉 ，並將矽片上剩餘的光刻膠清洗掉的過程 。刻蝕也是晶圓加工的重要工藝 ，刻蝕設備支出占整個晶圓加工設備的 15%左右 。 薄膜沉積又稱澱積或膜澱積 ，主要是在矽片表麵生產不同膜層以達到更好的機械和電學特性的過程 。目前的工藝主要是采用 CVD（化學氣相沉積） ，指通過氣體混合的化學反應在矽片表麵澱積一層固體膜的工藝 。

隨著對芯片工藝要求的不斷升高 ， CVD 技術也在不斷升級 ，目前主要采用等離子體輔助 CVD（包含PECVD 和 HDPCVD）進行相應工序 。主要設備 CVD 設備占整個晶圓加工設備的 15%左右 。美國應用材料和諾發是該設備全球領先企業 ，中國企業差距較大 。

主要工藝光刻和刻蝕用到的光刻機和刻蝕機工藝複雜 ，造價極高 。 光刻機是以光學光刻為基礎 ，利用光學係統把掩膜版上的圖形精確地投影曝光到塗過的光刻膠的矽片上 。光刻機就是在矽片表麵勻膠 ，通過一係列的光源能量 、形狀控製手段 ，將光束透射過畫著線路圖的掩膜 ，經物鏡補償各種光學誤差 ，將掩膜版塊上的圖形轉移到光刻膠上 ，把器件或電器結構臨時成比例縮小後映射到矽片上 。一般離子反應刻蝕會用到等離子刻蝕機 ，它包括反應室 、電源 、真空部分 。等離子體在工件表麵發生反應 ，反應的揮發性副產物被真空泵抽走 。濕法刻蝕將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內進行腐蝕的技術 。

至於後段的封裝測試 ，測試設備貫穿始終 。

封裝測試為芯片製造後段工藝 ，提高芯片良率獲最終產品 。 芯片製造完成即被送去檢測 ，合格的芯片才會被分選出來進行最後的封裝和終測 。 經過芯片設計與製造工藝 ，晶圓片還需要進行封裝及檢測才能產出成品 。封測一般需要經過劃片 、裝片 、鍵合 、塑封 、電鍍 、切筋成型及打碼幾個步驟完成 ，封裝後的測試則為電性測試 、老化測試 。其實在芯片設計和製造的環節也有設計驗證以及晶圓檢測步驟 ，因而封裝為產業鏈後端工藝 ，測試在半導體製造的各環節均需參與 。 封裝設備市場規模占整個半導體設備的 7% 。

測試設備遍布前道檢測 、後道中測和後道終測 。 前道檢測 、晶圓可接受性測試及後道終測保證芯片質量及性能 ，外觀測試與電性功能測試並重 。 前道檢測主要指晶圓檢測 ，包含 IC 設計的邏輯檢測 、 IC 製造後進行的晶圓檢測等 ，目的是進行外觀結構性檢測 ，包含各種線寬度 、厚度以及表麵形貌等檢測 ；中測是指封裝測試前進行的揀選測試 ，主要包括晶圓可接受性測試及晶圓電測，可以標記製造失敗的晶片 ，分選出良好的 Die（晶片）以便封測 ，同時可以得到晶圓片製造良率 ；後道終測是在封裝後檢測 Chip（芯片）邏輯 ，保證芯片良率 ，主要是進行電性功能檢測 。 測試設備規模占整個半導體設備的 8% 。