半导体设备是电子产品核心元件占市场的 83%
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2019-08-22 03:29

  设备行业空间超 600 亿美元。根据 SIA 数据,2018 年全球半导体行业销售额 4690 亿美元,半导体设备销售额 616 亿美元。即使 19 年行业资本开支有所下降,根据 SEMI预测,设备销售额也将达 530 亿美元,半导体设备行业是不折不扣的大行业,大行业诞生大公司,应用材料、拉姆研究、阿斯麦(ASML)、东晶电子等设备巨头年收入均超百亿美元,而目前我国的半导体设备公司收入规模还非常小。

  自 2017 年以来,半导体相关产业链就成了投资热点,虽然受智能手机销量低迷等因素影响,全球半导体景气周期在 18 年后有所下行,但 5G 和人工智能或将推动半导体景气度再次上行。而国内半导体设计、制造、设备公司则面临更大的挑战和机遇“核芯”技术的“自主可控”已成为全局战略的重中之重,中兴、华为事件,乃至近期的日本队韩国半导体材料及设备的出口限制事件,更是让半导体领域的国产化迫在眉睫。

  在产业链中,半导体相关设备难度最高,也是我国芯片国产化所面临的的最大短板,它的自主可控直接决定了我国在未来在国际产业竞争、协商中的话语权。未来,贸易冲突可能从加征关税升级为技术封锁,面对日益严峻的外部环境,半导体国产化时不我待。

  本文主要从半导体市场格局、中国半导体发展现状、晶圆制备各流程及所需的半导体设备等方面进行介绍,展望半导体国产化的前景和产业链相关设备公司。我们认为,自主可控是半导体行业最大的投资逻辑,叠加半导体产业向中国的转移,看好设备行业长期成长性,重点关注掌握核心技术、在细分领域有突破的国产半导体设备公司。

  电子产品核心元件半导体。半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间,且导电性可控的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,硅是各种半导体材料中在商业应用上最具有影响力的一种。由于半导体导电性可控的特性,今日各种电子技术都基于半导体材料来实现。因此几乎所有电子产品如 PC、消费电子、通信设备等的核心单元都与半导体有着极为密切的关联,可以说半导体是电子产品的组成核心,承担了信息的载体和传输功能,是整个信息产业的发展基石。

  集成电路(IC 电路)占半导体总市场的八成以上,是半导体的主要构成部分,所以通常两个概念可以互相代替。半导体可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器。美国半导体产业协会(SIA)最新发布的数据显示,2018 年全球半导体市场规模为 4688 亿美元,其中规模最大的是集成电路产品,市场规模达到3933亿美元,占半导体总市场的 83%。

  集成电路还可以分为微处理器、逻辑电路、模拟电路和存储器;分立器件可以分为二极管、三极管和电容。

  2018 年下半年行业逐渐进入下行区间。2017 年,DRAM 和 NAND Flash 的价格分别上涨了 44%和 17%,在存储器价格上升的驱动下,当年半导体市场规模同比增长 20.6%至4086.91 亿美元,首破 4000 亿美元大关,增速创近七年新高。存储器对行业的拉升作用一直延续到 2018 年上半年,但进入到下半年,由于产能供给的过剩,内存和闪存开始全面降价,2018 年第四季度, NAND 价格跌 15%,厂商库存也逼近十年最高水平,为期两年的存储芯片热潮终结,半导体行业逐渐进入下行区间。

  众多半导体行业协会、公司纷纷调低市场收入目标,不过也认为2019 年下半年或触底反弹。对于 2019 年,各行业协会、咨询公司和行业龙头均表达了悲观预期。SIA 预计,2019 年全球半导体销售额将比 2018年下降 12.1%;IDC、IC Insights 一致认为今年行业将出现负增长;多家上市公司调低业务预测值和年内资本开支。但这其中也不乏 2019 下半年行业会触底反弹的观点,比如IC Insights、应用材料、高通等都预测 2019 年下半年需求将回暖。

  通信设备、计算机和消费电子为半导体最重要的下游行业。IDC 数据显示,2018 年全球半导体下游应用中,通信、计算机和消费电子为最大的 3 个下游产业,占比分别为67%,16%和 6%。从国内的情况来看,这三个下游行业也是国内集成电路占比最高的领域,2016 年三者占比总和超过 75%,2018 年的结构与 2016 年类似。

  智能手机、PC 行业增速放缓,但仍有庞大存量市场。20 世纪 80 年代开启的 PC 时代推动半导体行业进入快速发展期,深刻改变了半导体行业的产业链模式。智能手机时代来临后,对半导体产品需求量、技术升级要求更上一层楼,半导体行业进入了智能手机+计算机双驱动的发展模式。从 2012 年开始,全球 PC 销量连续 6 年小幅下滑,智能手机成为半导体行业发展最大的驱动力,不过全球智能手机出货量从近年来增幅也逐年收窄,2018 年首度出现下滑。但是智能手机和 PC 市场依旧为半导体行业提供了庞大的存量市场,主导地位暂时无可取代。

  汽车电子成为新蓝海,有望成为未来半导体应用主要增长点。随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来,半导体在汽车中的应用原来越多,从之前简单应用于汽车内外饰、LED 车灯,已转向助力包括安全系统、娱乐信息系统、车内网络、动力系统等汽车其他相关部件发展上,未来汽车半导体市场发展空间还将进一步增加,汽车电子将成为半导体应用的主要增长点。根据中国汽车工业协会等机构发布的数据,到 2020 年全球汽车电子产品市场的产业规模预计将达到 2400 亿美元,其中我国汽车电子市场规模将超过 1058 亿美元。

  5G 赋能 AI 催生新应用,人工智能芯片成长性确定。5G 网络的高带宽、高速率、低延时和可靠性缓解了人工智能云端计算时数据传输延时的困境,大大提高人工智能实时决策的能力,赋予了人工智能更广阔的的应用场景。相应的,对人工智能核心的底层硬件AI 芯片的算力需求呈现爆炸性增长。以 AlphaGo 为例,下一盘棋动用了 200 个 GPU和 1000 个 CPU。目前 AI 芯片行业的发展尚处于初级阶段,市场成长空间巨大。根据Allied Market Research 的报告,2017 年全球机器学习芯片市场规模约 24 亿美元,2025

  5G 时代,手机芯片迎来结构性成长机会。5G 时代,覆盖频带数大幅增加,终端设备中射频前端模块器件数量大幅增加。根据 Skyworks 估算,相较于 4G 手机,5G 手机所需滤波器数量将从 40 只提升到 50 只,功率放大器数量翻倍,开关数量为之前的 2-3倍,天线G 下全新的网络架构和 Massive MIMO 等关键技术的实现对设备的射频器件性能也提出更高要求。从 4G 到 5G,终端射频系统单价会翻倍增长,射频器件在手机芯片中所占比重和成本或将超过 SOC。量价齐升,射频前端芯片市场规模迅速扩张,带来结构性成长机会。半导体市场有望在 5G 的带动下回温,根据SAF 预测,全球半导体营收将在 2020 年恢复,2018-2023 年复合年增长率(CAGR)为 2.0%,2023 年达到 5240 亿美元。

  第一次产业转移:家电行业助力,日本半导体迎来繁荣 20 年。美国是半导体芯片的发源地,美国半导体产业进入成熟阶段后逐渐意识生产环节效率不高,于是把半导体装配产业转移到日本。日本从对半导体的装配开始,逐步学习、消化、创新半导体技术。同时新兴的家电行业拉升了日本国内对半导体的需求,在家电行业的助力下,日本的半导体行业迅速扩张,东芝、索尼等系统厂商快速成长起来。到 20 世纪 80 年代,PC 产业逐渐兴起,带动了 DRAM 的需求,日本凭借其在家电领域技术的积累以及出色的管理能力,快速实现 DRAM 大规模量产,占领市场的主要地位。这次产业转移给日本半导

  第二次产业转移:技术升级+产业链分工模式创新,韩国、台湾半导体行业快速成长。20 世纪 90 年代随着 PC 产业不断升级,对 DRAM 存储技术要求也不断提升,而当时经济乏力的日本难以继续对技术升级和晶圆厂建设的投入。韩国借此时机加大资金对DRAM 的研发技术及产量规模持续投入,确立了在 PC 行业端的半导体龙头地位。而台湾则是把握住了美、日半导体的产业由 IDM 模式拆分为 IC 设计公司(Fabless)和晶圆代工厂(Foundry)的时机,重点发展 Foundry 产业,在半导体产业链中获得重要位置。由此产生了半导体的第二次重要转移,即美、日向韩国和台湾转移,同时也造就了三星、海力士、台积电、日月光等大型半导体厂商

  中国或接过产业接力棒,承接第三次半导体产业转移。中国是全球最大的电子产品制造基地,随着半导体产业同时迈入后摩尔时代与后 PC 时代,全球半导体市场增速明显放缓,中国已成为带动全球半导体市场增长的主要动力。此外我国在过去的二十多年中,凭借低廉的劳动力成本,获取了部分国外半导体封装、制造等业务,通过不断的技术引进和人才培养,已经完成了半导体产业的原始积累。但是目前国内半导体行业技术积累与国外先进水平差距仍然较大,并不能完全满足国内现阶段的需求,根据 IC Insights的数据,2017 年我国集成电路自给率仅为 14%,中国本土代工厂的市场份额在 2018年预计仅为 9.2%。下游需求端的强烈爆发叠加国内集成电路自给率不足加速半导体产业向中国大陆转移,据 SEMI 预估,2017-2020 年全球 62 座新投产的晶圆厂中有 27座来自中国大陆,2019 年中国大陆的前端晶圆厂产能将增长至全球半导体晶圆厂产能的 16%,2020 年达到 20%。

  虽然我国已经成为半导体产品消费的第一大国,但自给率仍然较低,集成电路产品已成为我国最大宗进口商品。过去几年中,国内 IC 企业虽然实现了较快增长,但是集成电路贸易逆差逐年攀升,2018 年达到 2274 亿美元,从 2011 年至今集成电路贸易逆差总额超过 1.2 万亿美元。

  我国集成电路产业发展较晚,虽然在部分领域已经形成一定规模,但在高端芯片领域仍几乎被国外企业控制。从进口结构来看,绝大多数计算机和服务器通用处理器中95%的高端专用芯片,70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口。从工艺流程来看,半导体制造要经过晶圆制备晶圆制造封装检测三个阶段,而我国掌握的技术主要集中于技术壁垒相对低的第一和第三阶段,在第二阶段的制造设备和工艺上的大部分领域还是空白。对高端半导体的依赖导致我国半导体产业整体对进口依赖度较高,2009 年,集成电路已经超过石油成为中国进口金额最大的商品,随后二者之间互有领先,但总体呈现持续增长的势头。

  贸易摩擦加剧,半导体成主战场。2018 年 4 月 16 日,美国商务部发表公告称,美政府在未来 7 年内禁止中兴通讯向美国企业购买敏感产品,众所周知,中兴从美国进口零部件中最主要的就是芯片;2019 年 5 月 16 日,美国商务部工业与安全局禁止华为从美国企业购买技术或配件;2019 年 5 月 22 日,全球设计巨头 Arm 断供华为。我国信息产业深受美国制裁的打击,半导体自主可控问题被推上风口浪尖。美国是当之无愧的世界半导体之王。根据《确保美国在半导体领域长期领导地位》报告显示,中国集成电路的进口产品有接近 50%来自美国,中国半导体进口对美国市场的依存度整体不高,但高端产品却严重依赖美国,其中,PVD 设备、检测设备、离子注入设备和 CMP 设备等半导体制造的核心设备几乎完全依赖美国。2016 年在中国收入最高的美国公司中,超过一半都是半导体公司。

  若贸易摩擦升级为技术封锁,影响更大。关税只会影响成交价格,若双方愿意支付更高的价格,贸易活动仍可继续,但技术封锁是对进出口绝对的限制,因此技术封锁的影响远远大于提高关税。从中兴、华为事件可以感受到技术封锁可能是关税之后,贸易冲突演变的新趋势,而一旦真正实施封锁我国经济将受到直接冲击。

  芯片自主可控直接决定我国贸易谈判话语权。芯片是美国的杀手锏,中国的软肋,一旦美国政府对华封锁半导体技术,我国信息产业或将陷入瘫痪。芯片的自主可控直接决定了我国在贸易谈判中的话语权和议价力,可以肯定的是,在贸易摩擦的事件催化下国家会加大半导体产业的资金投入和政策倾斜。

  中国制造 2025 彰显国产化决心。针对我国半导体产能不足的问题,2015 年 5 月发布的“中国制造 2025”白皮书中,对芯片的自给率提出了具体要求,分别是要在 2020年达到 20%,2025 年达到 70%。“中国制造 2025”重点领域技术路线图对 IC 制造产业的规划,产能扩充与先进制程的发展是最重要两大政策目标。其中在产能扩充上,全大陆晶圆代工月产能规划由 2015 年 70 万片 12 寸晶圆扩充至 2025 年 100 万片,2030年更进一步扩充至 150 万片。在先进制程发展上,大陆晶圆代工产业将以 2025 年 14纳米制程导入量产为目标。“中国制造 2025”针对中国先进制造业的顶层设计,关于IC 产业篇幅有限,在其后的十三五规划,发改高技(2016)1056 号文则明文中央政府将对高性能处理器、FPGA、物联网与信息安全相关芯片、存储器、电子设计自动化(EDA)及 IC 设计服务、工业芯片等六大领域的 IC 设计企业给予财税上的支持,具体如下:

  中国大陆 IC 制造产业的发展重点则锁定新型态 3D 电晶体、下一代显影技术,及超大尺寸晶圆为发展方向,目标则是希望于 2030 年大陆 IC 制造技术能力能与台积电、英特尔、三星电子等世界级大厂齐平。

  02 专项反映国家战略,国家集成电路产业投资基金设推动产业爆发。“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》所确定的国家十六个科技重大专项之一。而在此基础上,《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,因次序排在国家重大专项所列 16 个重大专项第二位,在行业内被称为“02 专项”,02 专项是国家对集成电路发展的顶层设计。为解决半导体制造国产化的难题,02 专项全方面的对半导体设备行业进行了扶植,目前很多项目都已经进入了产业化阶段。如北方华创的刻蚀设备和 CVD 设备、中电科电子装备的抛光机与离子注入机、长川科技的测试机与分选机等。

  国家集成电路产业投资基金,半导体行业的“大金主”。2014 年 6 月 24 日《国家集成电路产业发展推进纲要》正式发布实施,明确提出设立国家产业投资基金。同年 9 月26 日国家集成电路产业投资基金股份有限公司成立,注册资本 987.2 亿元,公司实际融资 1378 亿元,目标是吸引大型企业、金融机构以及社会资金,重点支持集成电路产业发展,实现工业转型升级,实现自给自足的半导体产业。

  目前国家集成电路产业投资基金一期(2014.09~2018.05)已经投资完毕,总投资额为1387 亿元人民币,累计有效投资项目达到 70 个左右,其中集成电路制造 67%,设计17%,封测 10%,装备材料 6%。实现了产业链上的完整布局。

  集成电路产业基金二期预计募集规模达 2000 亿元,预计撬动的社会资金规模在4500~6000 亿左右。半导体行业作为典型的高技术含量的行业,其特点是前期的投资巨大,但是一旦产业进入规模之后,技术壁垒也会相应很高,产业集中度因此很高,通俗来说便是赢者通吃。而现状是该产业为国外企业所把持,政策方面的持续加码和真金白银的投入反映了政府对国家实现集成电路自主可控的渴求,持续的投入下,可以看到相关企业的产品研发和产业化已经给予了前期投资一定的回报。

  强化“市场化”方式运营,科创板应运而生。虽然科创板并不是为半导体专门设置的,但在《科创板企业上市推荐指引》明确的保荐机构应重点推荐的七大领域科技创新企业中,半导体集成电路企业位列第一。科创板落地将加速国内半导体企业上市步伐,有利于改进公司治理、引进核心技术人才,提高具备核心技术的半导体企业的估值,用市场化手段为半导体行业提供资金支持。截止 2019 年 6 月 21 日,共有 11 家半导体企业被受理,接近受理总数的 10%,预计共融资接近 900 亿元。7月22日,首批25家科创板企业正式上市交易,其中半导体企业数量达6家,且涨幅领跑整个科创板。涨幅最高的安集微电子涨幅高达400%。科创板可谓是是股市的半导体“大基金”。

  政策不断加码,保证长期扩产需求。理论上,下游需求的景气首先刺激中游制造厂商扩张产能,进而带动制造厂商对上游设备的需求。但对于我国半导体行业来说,不断扩张产能抢占市场份额以实现半导体“安全可控”才是当务之急。强有力的产业政策大大弱化了中国半导体行业的周期性,因此即便目前全球半导体景气度下行,未来我国半导体行业的投资力度也只会继续增加不会减少,叠加国产替代广阔的市场空间,中国半导体产业将逆势扩张。

  集成电路技术是世界最先进技术之一,并以惊人的速度不断革新,所需设备的“量”和“质”都在不断提高。集成电路在一块芯片上的器件数持续增长,所以集成的一个重要挑战是半导体制造工艺的能力,在可接受的成本条件下改善加工技术,以生产高度集成的甚大规模集成电路芯片。比如可以在一片硅片上同时制作几十甚至上百个特定的芯片,而一片硅片上芯片数的不同取决于产品的类型和每个芯片的尺寸,芯片尺寸改变取决于在一个芯片集成的水平,所以硅片尺寸要求越来越高。一方面,硅片尺寸的缩小提升了对硅片工艺的要求,另一方面,小硅片也要求在硅片上雕刻集成电路的工艺越来越精细、可靠,半导体行业持续性的创新带来广阔的半导体设备市场,本文将沿半导体(集成电路)制备产业链梳理相关工序所需的设备,并总结国内国外技术现状,估计相关设备国内公司面向的市场规模(提升自给率仍是最大的逻辑)。

  半导体(集成电路)产业链可以分为上游、中游和下游。上游包括制备半导体的材料以及所需设备,中游则是利用设备和原材料进行半导体制备,包括三大块:IC 设计、IC制造和封测,下游则将集成电路是用于汽车、消费电子等领域。我们聚焦半导体设备,则首先要将眼光落在中游半导体制备环节,这是对半导体设备需求的原动力。

  2018 年我国集成电路设计、制造和封测行业产值规模约是 1.4 : 1 : 1.2,其中设计业产值在 2016 年反超封测业。设计业 1999-2016 年年均增长率 45%,2016 年发生了巨大变化,在集成电路产业链各环节中,芯片设计业总规模超过制造和封测位列第一(设计占比约 38%),成为第一大产业,长期以来设计业疲弱的情况得到扭转,产业发生了质的变化,设计业在长三角、珠三角、环渤海和中西部地区分布集中,国内前十大芯片设计企业都是本土企业,几年来产品自给率增长不少,2012 年仅为 13.3%,而 2016年达到 26.6%,发展强劲,由此也催促 IC 制造和封测行业提升自给率,而制造和封测行业远比设计依赖设备,因此半导体设备逐步进口替代是重中之重。

  为了便于研究 IC 制造和封测行业对设备的需求,可以将封测也并入 IC 制造工序,也就是当芯片封装测试后才算制造完成,由此可以将广义的 IC 制造分为三大阶段:硅片制备晶圆制造晶圆封测。

  首先第一阶段硅片制备,开采半导体材料并根据半导体标准进行提纯。硅片以沙子为原料,通过转化可以成为具有多晶硅结构的纯净硅,形成带有特殊电子和结构参数的晶体,之后在晶体生长和晶体准备工艺中,晶体被切割成称为晶圆的薄片,并进行表面处理。

  第二阶段晶圆制造,就是在表面形成器件或集成电路。在每个晶圆上通常可形成200-300 个同样的器件,也可多至几千个,晶圆制造有几千个步骤,可以分为两大主要部分:前段工艺线(FEOL)是晶体管和其他器件在晶圆表面形成的,后端工艺线(BEOL)是以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层。

  第三阶段晶圆封测,在第二阶段晶圆制造后,晶圆上的芯片已经完成,但是仍旧保持晶圆形式并未经测试,因此每个芯片都需要晶圆电测来检测是否符合客户要求。随后进行封装,是指通过一系列过程把晶圆上的芯片分隔开,然后将它们封装起来,保护芯片免受污染和外来伤害的作用,并提供坚固耐用的电气引脚以和电路板或电子产品相连,这个阶段最后还有芯片最终测试,因此称为晶圆封测。

  硅片质量要求越来越高,加工流程也水涨船高,越来越精细。目前集成电路技术早已经迈进线 微米的纳米电子时代,对硅单晶抛光片的表面加工质量要求愈来愈高,为保证硅抛光片的翘曲度、表面局部平整度、表面粗糙度等具有更高的加工精度,尤其是对大直径硅抛光片进行更加细致的加工,目前硅片制备主要步骤可以概括为:拉晶-切片-磨片-倒角-刻蚀-抛光-清洗-晶圆测试。

  晶体生长:半导体晶圆是从大块硅锭切割后的结果,而硅锭是从大块具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来。把多晶块转变成一个大单晶,给予正确的定向和适量的 N 型或 P 型掺杂,这就是晶体生长,而晶体生长主要通过三种方法:直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法。采用直拉法(包括液体掩盖直拉法)的硅单晶约占 85%,其他则采用区熔法,直拉法生长的硅单晶主要用于生产低功率的集成电路和分立元件(如 DRAM、SRAM、ASIC 电路和各种晶体管),更容易获得高含氧量和大直径的硅锭,而区熔法生产的硅单晶,成本较高,具有电阻率均匀、氧含量低、金属污染低等特性,故主要生

  无论是直拉法还是区熔法,使用的设备均为单晶炉,单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成,其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉生产能力的关键。单晶炉主要是以进口设备为主,如德国 CGS 公司和美国 KAYEX 的直拉单晶炉都是口碑较好的老牌产品,此外还有德国 PVA、日本 FERROTEC 等,但目前国内已经实现部分单晶炉国产化,8 英寸单晶炉逐步开始国产化,12 寸单晶炉尚无批量供货,国内的晶盛机电、南京京能、西安理工晶科等是单晶炉先行者。其中晶盛机电承担的 02 专项“300mm 硅单晶直拉生长设备的开发”、“8 英寸区熔硅单晶炉国产设备研制”两大项目,均已通过专家组验收。晶盛的 8 寸直拉单晶炉和区熔单晶炉均已实现了产业化,为中环半导体、有研半导体、环欧半导体、金瑞泓等国内知名半导体硅片生产商累计供应了几十台设备。单晶炉投资占硅片制备设备的投资 25%左右,预计到2020 年新增需求为 40.5 亿元,是逐渐加快进口替代的设备行业。

  晶体生长之后变进入晶圆准备环节,第一步是硅切片加工。硅切片加工的目的在于将硅锭切成一定厚度的薄晶片,切后的参数如晶向偏离度、TTV 等精度对后道工序的加工(如研磨、刻蚀和抛光等)起直接作用,主要包括切去两端、硅片定位、精准切割等步骤,切割通常有外圆、内圆和线切割三种方式,小直径硅锭多采用内圆切片机加工,而线切割工艺则具有更高的加工精度和更小的切口材料损耗,目前大于 200mm 的硅锭均采用线切割系统。以加工直径 200mm 硅单晶为例,切片厚度为 800 微米,每千克单晶出片约为 13.4 片,切割成本每片约 1.51 美元,线切割机的产量是内圆切割机的 5 倍以上、线切割机的切割运行成本可低于內圆切割机运行成本 20%以上。

  切片工序主要应用的设备包括切割机、滚圆机、截断机等。由于精度要求高,国内和国外技术差别较大,因而目前以进口设备为主,主要有日本的东京精密、齐藤精机、瑞士HCT、M&B 等,国内的晶盛机电在 2018 年展成功推出 6-12 英寸半导体级的单晶硅滚圆机、单晶硅截断机,中电科 45 所能提供部分切片机产品。切片设备占硅片制备设备的投资 5%左右,预计到 2020 年我国新增需求为 8.1 亿,也是继续进口替代的行业。

  半导体晶圆的表面要光滑规则,并且没有切割损伤,完全平整,因此需要磨片处理。要求来自于很小尺寸制造器件的表面和次表层面,平整度是小尺寸图案绝对必要条件,先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面,如果表面不平,投影将会扭曲。而平整则需要磨片,是一个传统的磨料研磨工艺,精调到半导体使用的要求。主要包括双面磨削(直径小于 300mm)和表面磨削(直径大于 300mm),双面磨削加工损耗较大,而表面磨削损耗较小。

  磨片步骤使用的设备为研磨系统,和切片设备一样,几乎完全是进口。国外品牌包括日本 KoYo、NTC、Okamoto 和德国 Peter Wolters 等,国内无相应产品,占硅片设备投资 5%左右,到 2020 年新增需求 8.1 亿。

  倒角是要消除硅片边缘表面由于经切割加工后产生的棱角、毛刺、崩边、裂缝或其他缺陷和各种边缘表面污染,从而降低硅片边缘表面的粗糙度,增加硅片边缘表面的机械强度,减少颗粒的表面玷污。主要使用的设备是倒角机,一般分为 T 形磨轮和 R 形磨轮,R 形磨轮比 T 形磨轮加工效率高 30%作用,倒角机系统仍然是国外垄断,日本 TSK、日立,德国博世等技术领先,占硅片制备设备投资 5%左右,预计到 2020 年我国新增市场空间为 8.1 亿。

  硅刻蚀是一种化学腐蚀工艺,包括酸腐蚀和碱腐蚀。硅晶片在经过切片、研磨等机械加工后,表面因机械加工应力而形成有一定深度的机械应力损伤层,而且硅片表面有金属离子等杂质污染,通常采用化学腐蚀工艺(酸腐蚀或碱腐蚀)来消除这些影响,化学腐蚀的厚度去除总量一般是 30-50 微米,酸腐蚀后硅晶片各个结晶方向会受到均匀的化学腐蚀,速度较快,硅片表面比较光亮,不易吸附杂质,但平坦度差、较难控制,而碱腐蚀虽然速度慢,但硅片表面比较平坦,但又比较粗糙易吸附杂质。

  刻蚀流程所采用的设备为刻蚀设备。国外产品包括美国 SEMITOOL、德国 RENA 等,国内逐渐开始进口替代,主要以北方华创(等离子硅刻蚀机)和中微半导体(等离子介质刻蚀机)为主,刻蚀设备占硅片设备投资 10%左右,未来两年共 16.3 亿市场。

  抛光目的在于去除前序切片、研磨等残留的微缺陷及表面应力损伤层和去除表面的各种金属离子等杂志污染,以求获得硅片表面局部平整、表面粗糙度极低的洁净、光亮“镜面”,满足制备各种微电子器件对硅片的技术要求。流程包括粗抛、细抛、精抛和最终抛光,值得注意的是,硅片表面的化学机械抛光 CMP 技术和 IC 制备工艺中的晶片表面平坦化 CMP 是两种不同的抛光工艺,两者在抛光对象、抛光布、抛光液、抛光压力、转速等方面均有较大差别。

  目前国内仍以国外设备为主,但已经开始了国产化进程。国内晶盛机电率先取得突破,2018年成功研发出 6-8 英寸的全自动硅片抛光机,未来有望将产品拓展至 12 英寸抛光设备。国外以美国 Revasum、日本 Speed Bfam、KOVAX,荷兰 ASML 等为主,占硅片制备设备投资约 25%,预计到 2020 年共 40.5 亿市场。

  硅片经过不同工序加工后,表面已经收到严重污染,硅片清洁的目的在于清除表面的微粒、金属离子及有机物沾污等。一般先通过强氧化剂使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属,溶解在清洗液或者附在硅片上,然后用小直径正离子替代吸附在硅片表面的金属离子,使之溶解在清洗液中,最后用大量去离子水进行超声波清洗,以排除溶液中的金属离子。

  清洗设备目前国内已经开始进口替代,但高端市场仍被国外垄断。北方华创、盛美半导体、至纯科技为国内清洗设备“三剑客”,其中盛美半导体是国内唯一跨入 14nm 产线验证的清洗设备厂商,技术上已经具备国际竞争力。但高端市场仍被全球半导体晶圆清洗设备市场的前三名厂商 LamResearch、东京电子和 DNS 垄断,在 2015 年占据市场87.7%的份额。清洗设备占硅片制备设备投资约 10%,预计到 2020 年共 16.2 亿市场。

  晶圆检测主要是对表面缺陷检测。硅单晶、抛光片的电学、物理和化学等性质以及加工精度将直接影响集成电路制备的特性和成品率,为了满足对硅单晶、抛光片的高要求,必须采用先进的测试方法,对硅单晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、电阻率、导电型号、少数载流子浓度、等技术参数有效测试,对抛光片表面缺陷(点缺陷、错位、层错等),颗粒污染和沾污进行检测。

  检测设备包括厚度仪、颗粒检测仪、硅片分选仪等。目前国产设备涉足较少,主要以进口设备为主,包括日本 Advantest、美国 MTI 等公司,检测设备占硅片制备设备投资约15%,预期未来两年共 24.3 亿市场。

  供给端全球硅片出货量维持高位。硅片是半导体芯片制备的基础原材料,目前 90%以上的芯片和传感器是基于半导体单晶硅片制造而成,2018 年我国硅片占晶圆厂制造材料的总比重高达 30%,是不可或缺的制备材料,2018 年全球硅片出货接近 130 亿平方英寸,增速 7.81%。

  需求端硅片需求继续攀升。在经历了 2018 年硅片需求的高速增长后,尽管 2019 年下游景气度不佳,但 IHS Markit 估计 2019 年硅片需求仍将继续增长 3.6%,供应缺口会一直延续到 2022 年。

  供需缺口将成常态,国产硅片势在必行。在市场供不应求和寡头垄断的格局下(日本信越、日本SUMCO、台湾环球晶圆、德国Siltronic、韩国LG Silitron 五大半导体硅片供应商市场规模合计占94%),硅片价格水涨船高,2016-2018 年间硅片价格暴涨40%。

  相对于全球晶圆需求缺口增速来说,随着近年来国产集成电路产业的快速发展,国内的晶圆需求缺口增速更大。面对这一情况,我国只能大幅兴建晶圆制造厂,根据 SEMI 统计,过去两年间,全球新建 17 座 12 寸晶圆制造厂,其中有 10 座位于中国大陆;从 2017 年到 2020 年,预计全球新增半导体产线 条位于中国大陆。晶圆制造厂的大量兴建,必然催生硅片制备设备的需求,由此为设备国产化带来突破契机。

  硅片制造工序为拉晶切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检测,其中拉晶、抛光和检测为硅片制造核心环节,对应设备分别为单晶炉(占整体设备价值量 25%)、CMP抛光机(25%)、检测设备(15%)。

  目前,硅片制造设备主要被日韩、欧美企业垄断,代表厂商有德国 CGS、日本齐藤精机、KoYo 等。国产设备由于起步较晚,在硅片制造环仍处于发展阶段,进口替代市场极大,代表厂商有晶盛机电、北方华创、中微半导体等,其中晶盛机电的 8 英寸单晶炉逐步开始实现国产化替代,12 寸单晶炉开始小批量生产,现已交付上海新昇使用,并在 SEMICON China 2018 展会上推出了滚圆机、截断机、双面研磨机、全自动硅片抛光机等新品设备,进一步向硅片制造全制程延伸。

  国内需求缺口大,硅片制备迎来“野蛮生长期”,设备投资迎来高峰。根据芯思想研究院的统计数据,2018-2020 年,我国对 8 英寸硅片的需求量将从 90 万片/月上升至 180万片/月,新增需求 80 万片/月。12 英寸硅片的需求量从 60 万片/月上升到 105 万片/月,新增需求量 45 万片/月。假设 8 英寸和 12 英寸每 10 万片投资额分别为 6 亿元和24 亿元,潜在新增设备需求为 54 亿元和 108 亿元,目前我国 4-6 英寸硅片已经完全资产,因此主要设备需求都在 8 英寸和 12 英寸,因此预计 2018-2020 年硅片设备国内新增设备投资额为 162 亿元。

  自硅片开始的晶圆制造是第二阶段,硅片经过氧化、沉积、蚀刻及离子注入等步骤反复处理,成为一整套集成电路。晶圆制造就是裸露的硅片到达工厂,然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂处理,成为永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。具体来说,就是在硅晶圆上制作电路与电子元件(如电晶体、电容体、逻辑闸等),这个步骤为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程,以微处理器为例,其所需处理步骤可达数百道,而其所需加工机台先进且昂贵,动辄数千万美元一台,其所需制造环境为温度、湿度与含尘量均需控制的无尘室,虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关,不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗之后,接著进行氧化及沉积,最后进行显影、蚀刻及离子植入等反覆步骤,以完成晶圆上电路的加工与制作。

  氧化目的在于生成二氧化硅薄膜。用硅作为原材料的一个重要原因就是硅容易生长出二氧化硅膜层,这样在半导体上结合一层绝缘材料,再加上二氧化硅的其他特性,使得二氧化硅成为硅器件制造中得到最广泛应用的薄膜。可以用来处理硅表面,做掺杂阻挡层、表面绝缘层,以及器件中的绝缘部分。半导体二氧化硅是高浓度的,经过特定方法制成,即是在氧化剂及逐渐升温的条件下,光洁的硅表面生成的,这种工艺称为热氧化。二氧化硅层在常压或高压条件下才能生长,常压氧化发生在不必有意控制内部压力的系统中(也就是大气压),目前有两种常压技术:管式反应炉和快速氧化系统,也因此有两种氧化炉:传统管式反应炉和快速热处理设备(RTP)。RTP 相对于传统管式反应炉的区别在于,RTP 甚至可以以每秒 50-100 摄氏度的速率达到 800-1050 摄氏度的工艺温度,而传统反应炉需要几分钟才可以,相应的也可以迅速冷却。此外随着晶圆直径越来越大,对均匀度的要求也更倾向于采用单片工艺的 RTP。

  传统管式反应炉约占晶圆制造设备投资 5%,RTP 设备约占 2%。我们预计 2019/2020年氧化炉的市场空间为 8.8 亿美元、11.93 亿美元,RTP 设备市场空间 2.51 亿美元、3.41 亿美元,并且已经开始进口替代。国外主要厂家有英国 Themco 公司、Centrothermthermal Solutions 公司等,国内北方华创的氧化炉目前已经批量应用于中芯国际、华力微电子、长江存储等厂商,此外中电科 48 所、青岛旭光等也取得重大进展。

  从光刻开始就进入图形化工艺阶段,图形化工艺是在晶圆内和表面层建立图形的一系列加工,这些图形根据集成电路中物理器件的要求来确定其尺寸和位置,是半导体工艺过程中最重要的工序之一。光刻工艺主要有两个目标,一是在晶圆中和表面产生图形,这些图形的尺寸在集成电路或者器件设计阶段建立,二是将电路图形相对于晶圆的晶向及以所有层的部分对准的方式,正确地定位于晶圆上。一种集成电路工艺要求 40 个以上独立的光刻(或掩模)步骤,图形定位的要求就好像是一栋建筑物每一层之间所要求的而正确对准,如果每层无法和上一层精确对准将导致整个电路的失效,因此光刻对精度要求非常高,是技术壁垒最高的工艺之一。

  光刻工艺和照相、蜡纸印刷比较接近的一种多步骤的图形转移过程。开始将一个电路的设计转化为器件和电路的各个部分的 3 个维度,接下来绘出 X-Y(表面)尺寸、形状和表面对准的复合图。然后将复合图分割成单独掩模层(一套掩模)。这个电子信息被夹在到图形发生器中,来自图形发生器的信息又被用来制造放大掩膜版和光刻掩模版,或者信息可以驱动曝光和对准设备来直接将图形转移到晶圆上。

  概括而言,图形转移是通过两步完成的。第一次图形被转移到光刻胶层,光刻胶类似胶卷上所涂的感光物质,曝光后会导致自身性质和结构的变化,比如负胶会产生聚合现象,即光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质,反之则成为正胶。第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层,当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉时,图形转移就发生了。

  具体的转移过程称为光刻十步法,第 1 步到第 7 步之间发生了第一次图形转移,第 8-第 10 步中图形被转移到了晶圆表面层(第二次图形转移)。

  光刻工艺需要的设备就是光刻机,光刻机根据原理不同可分为三代:第一代(接触式光刻机、接近式光刻机)、第二代(扫描投影光刻机)、第三代(步进式光刻机、步进扫描式光刻机)。第一代接触式光刻机属于 20 世纪 70 年代应用最广的光刻机,主要用于分立器件产品、小规模(SSI)和中规模(MSI)集成电路,以及大约在 5 微米或者更大的特征图形尺寸,还可以用于平板显示、红外传感器、器件封装和多芯片封装(MCM),但是之所以被取代,主要是由于掩模版与晶圆的接触带来的良品率损失。

  接近式光刻机属于接触式光刻机的加强版,而扫描投影光刻机则属于第二代,它采用了带有夹缝的反射镜系统,夹缝挡住了部分来自光源的光,也就是用扫描技术避免全局掩模曝光投影产生的问题。第三代步进式光刻机原理则是把图像从掩模版分步曝光到晶圆表面上,带有一个或几个芯片图形的放大掩模版被对准、曝光、然后步进到下一个曝光场,重复这样的过程,这样放大掩模版比全局掩模版的质量高,因此产生缺陷的数量就更小,而且每次曝光区域变小,分辨率也得以提高。步进光刻机的难度在于自动对准系统。

  目前世界上最大的光刻机制造商是荷兰 ASML。1984 年 ASML 从飞利浦独立出来,专门致力于研发光刻技术,得益于近乎完美的德国机械工艺以及世界顶级光学厂商德国蔡司镜头,再加上美国提供的光源,ASML 迅速发展,到如今占到了全球光刻机总销售收入的 80%,其他如尼康则在中低端光刻机领域耕耘,在极紫外光(EUV)领域,目前 ASML处于完全垄断地位。曾经一台高端设备卖到了 1 亿欧元。荷兰是全球为数不多拥有完整半导体产业链的国家,其半导体产业年收益高达百亿欧元以上,全球超过四分之一的半导体设备来自荷兰。

  光刻机这种高精度光机一体化设备,研发过程没有什么捷径可走,精度只能一步步提升。没有一微米的基础,就不可能造 90 纳米的设备,没有 90 纳米的基础,就不可能造 45纳米的设备。现在 ASML 可以造 10 纳米以内精度的设备,也是一步步积累出来的。

  除了荷兰 ASML 外,德国 SUSS、日本尼康、美国 Ultratech 等也具有较强实力。这些年来,国内早就有设备厂商,以及研究机构在对光刻机进行研发。如上海微电子、中电科四十五所、中电科四十八所等。上海微电子,则研发出了中端的投影式光刻机。2016年初,光刻机核心子系统双工件台系统样机研发项目通过内部验收,为我国自主研发65nm 至 28nm 双工件干台式及浸没式光刻机奠定了基础。光刻机约占晶圆制造设备投资 30%,预计 2019/2020 年我国光刻机市场空间为 37.68 亿美元、51.12 亿美元。

  晶圆完成对准和曝光后,器件或电路的图案将以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上通过对为聚合光刻胶的化学分解来使图案显影。完成显影后,掩模板就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀,在刻蚀后图形就会被永久的转移到晶圆的表层,刻蚀就是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆最表层的工艺,主要分为两大类:湿法刻蚀和干法刻蚀。

  湿法刻蚀是使用液体刻蚀沉浸的技术,晶圆沉浸于装有刻蚀剂的槽中,经过一定的时间,传递到冲洗设备去除残留的酸,再送到最终清洗台以冲洗和甩干。相对于干法刻蚀,湿法刻蚀有众多缺陷,比如局限于 2 微米以上的图形尺寸、容易导致边侧形成斜坡、要求冲洗和干燥步骤等,因此干法刻蚀被用于先进电路的小特征尺寸精细刻蚀中,并且在刻蚀率、辐射损伤、微粒产生等方面拥有较大优势,包括等离子体刻蚀、离子铣刻蚀及反应离子刻蚀。刻蚀后再通过剥离技术去除光阻层。

  刻蚀机约占晶圆制造设备投资 12%,预计 2019/2020 年我国刻蚀机空间为 15.07 亿美元、20.45 亿美元,行业已经开始进口替代,海外主要是美国应用材料公司、美国泛林等。国内主要是北方华创在硅刻蚀机领域实现了 14nm 的突破,同时也在去年实现了适用于 8 英寸晶圆的金属刻蚀机的研发和生产,即将登录科创板的中微半导体的介质刻蚀机自主研发的 5nm 等离子体刻蚀机经台积电验证,性能优良,将用于全球首条 5nm制程生产线 抛光:CMP 抛光机 9 亿美元市场

  化学机械抛光(CMP)兼具有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用,可以使晶圆表面达到全面性的平坦化,以利后续薄膜沉积之进行。在 CMP 制程的硬设备中,研磨头被用来将晶圆压在研磨垫上并带动晶圆旋转,至于研磨垫则以相反的方向旋转。在进行研磨时,由研磨颗粒所构成的研浆会被置于晶圆与研磨垫间。影响CMP 制程的变量包括有:研磨头所施的压力与晶圆的平坦度、晶圆与研磨垫的旋转速度、研浆与研磨颗粒的化学成份、温度、以及研磨垫的材质与磨损性等,因此对 CMP抛光机质量要求很高。

  预计 2019/2020 年抛光机空间 3.77 亿美元、5.11 亿美元。参与企业有美国应用材料公司、Rtec 公司等,国内有中电科装备、盛美半导体等。中电科装备的 8 寸 CMP 设备已经进入中芯国际生产线 英寸的设备也在研发当中。

  掺杂目的在于形成 PN 结。半导体材料的特性之一就是导电性和导电类型(N 型和 P 型)能够通过在材料中掺入专门的杂质而被产生和控制,通过引入专门的掺杂物,形成使晶体管和二极管工作的 PN 结。主要有两种方式:采用离子注入或热扩散工艺,在晶圆表面形成结。热扩散是指通过加热,将掺杂材料散布到晶圆体内,而现在离子注入已经逐渐取代了较老的热扩散工艺,并且在当今的小型和多种结构器件方面起作用,与热扩散不同,离子注入是物理过程,也就是说注入动作不依赖于杂质与晶圆材料的化学反应,意味着工艺在接近室温下可以进行,宽范围浓度的掺杂成为可能,并可以对晶圆内掺杂的位置和数量进行更好的控制,因此广泛应用于先进电路的掺杂步骤。

  虽然掺杂的区域和 PN 结的形成电路中的电子有源原件的核心,但是需要各种其他半导体、绝缘介质和导电层完成器件,并促使这些器件集成为电路,化学气象淀积(CVD)就是将这些层加到晶圆表面。CVD 沉积之后产生的薄层具有各种作用,包括外延层、绝缘介质层、金属导体层、最终的钝化层等。并且播磨需要具有均匀的厚度以同时满足电性能和机械性能的要求,也必须具有平整光滑的表面,以及必须无应力且不含有不需要的化学元素,是较为复杂的工艺。

  CVD 沉淀的工序中,氧化是以循环的方式进行的,首先将晶圆装载到反应室内,装载过程通常是在惰性气体环境下进行的,然后晶圆被加热到预定温度,将反应气体引入淀积薄膜的反应室内进行反应,最后将参与反应的化学气体排出反应室,移出晶圆。

  预计 2019/2020 年离子注入机的市场空间为 5.02 亿美元、6.82 亿美元。国外厂商有美国 AMAT 公司等,目前国内能生产离子注入机的企业只有中电科电子装备公司,其 12英寸中束流离子注入机以优秀等级通过国家 02 专项实施管理办公室组织的验收,2015年在中芯国际完成了 55nm、45nm 和 40nm 的小批量产品工艺验证,到 2017 年中束流离子注入机已经在中芯国际实现了稳定流片 200 万片。目前中电科的大束流离子注入机已经进驻中芯国际。

  PVD 沉积主要是一种物理制程而非化学制程。此技术一般使用氩等惰性气体,藉由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后,可将靶材原子一个个溅击出来,并使被溅击出来的材质(通常为铝、钛或其合金)沉积在晶圆表面。PVD 以真空、测射、离子化或离子束等方法使纯金属挥发,与碳化氢、氮气等气体作用,加热至 400~600℃(约1~3 小时)后,蒸镀碳化物、氮化物、氧化物及硼化物等 1-10 微米厚之微细粒状薄膜。

  对比 CVD 和 PVD 薄膜的沉积方法,两者根据其用途的不同而不同,形成薄膜的厚度通常小于 1um,有绝缘膜、半导体薄膜、金属薄膜等各种各样的薄膜。CVD 法有外延生长法、HCVD,PECVD 等。PVD 有溅射法和真空蒸发法。一般而言,PVD 温度低,没有毒气问题;CVD 温度高,需达到 1000 摄氏度以上将气体解离,来产生化学作用。

  PVD 沉积到材料表面的附着力较 CVD 差一些,PVD 适用于在光电产业,而半导体制程中的金属导电膜大多使用 PVD 来沉积,而其他绝缘膜则大多数采用要求较严谨 CVD技术。PVD 形成的硬质薄膜具有高强度,耐腐蚀等特点。

  预测 2019/2020 年 PVD 设备空间为 15.07 亿美元、20.45 亿美元,CVD 设备空间为25.12 亿美元、34.08 亿美元。薄膜沉积设备主要的生产企业包括美国应用材料公司、美国 PVD 公司、美国 Vaportech 公司、泛林半导体、荷兰 ASM 公司、日本 Tokki 公司等,而国内企业包括北方华创、沈阳拓荆等,北方华创是国内薄膜沉积领域的领先者,目前技术达到 14nm,未来会向 12nm 等更小节点推进工艺。

  在晶圆完成制造之前,会有一步晶圆中测,相当于晶圆生产过程中的报告卡,属于后道工序环节(ATE)。在测试过程中,会检测每一个芯片的电性能和电路功能,因此又称为芯片分选或电分选。在测试时,晶圆被固定在真空吸力的卡盘上,并将很细的探针对准芯片的每一个压点使其接触,从而检测是否合格,重复对每一个电路进行电测试。目的是在送往封装工厂前,鉴别出合格的芯片。

  晶圆中测检测设备包括 CDSEM(扫描电镜)、AOI(自动光学检测机)等,美国的KLA-Tencor、美国应用材料、日本 Hitachi、美国 Rudolph 公司、以色列 Camtek 公司等,国内主要有上市公司长川科技,上海睿励科学仪器等,但目前与国际巨头还有一定差距。

  晶圆制造环节是生产链条里最重资产的一环,成熟市场的设备投入占总设备比在70%-80%之间。晶圆制造工序分别是氧化光刻刻蚀抛光掺杂和 CVD 沉积/PVD沉积晶圆中测,主要涉及到的生产设备分别是氧化炉、光刻机、刻蚀机、CMP 抛光机、离子注入机、薄膜沉积设备、清洗机和检测机,其中光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备的价值量最大,生产难度也最高。

  美国、欧洲、日本等国家在晶圆制造设备上远远领先其他国家,我国尽管开始突破,但仍处于起步阶段。北方华创在氧化炉、PVD 沉积设备、刻蚀机等领域取得重大突破,甚至部分产品已经批量供货,中电科也取得一定突破。根据 SEMI 预计,2019/2020 年我国半导体设备市场空间为 126 亿美元、170 亿美元。

  经过晶圆中测后,进入装配和封装步骤,以便把单个芯片包装在一个保护管壳内。硅片背面进行研磨以减少衬底的厚度。一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面,然后在正面沿着划片线用带划片刀将每个硅片上的芯片分开。在装配厂,芯片被压焊或抽空形成装配包,利用塑料或陶瓷包装晶粒与引线以成集成电路(目的是为了制造出所生产的电路的保护层,避免电路受到机械性刮伤或是高温破坏)。经过晶片切割焊线封胶剪切/成形,完成封装,先进封装技术包括 3D、TSV(穿硅通孔)、FOWLP(扇出晶圆级封装)和倒装芯片。最后进行芯片终测,为确保芯片的功能,要对每一个被封装的集成电路进行测试,包括结构检测、光罩检测等,以满足制造商的电学和环境特性参数要求。

  测试往往在封装工厂进行,因而封装和测试常常被当做整体的封测行业。封测环节的市场集中度较高,截止 2019Q1 全球前十大的封测企业市场份额约为 83%。主要包括各大 IDM 公司和专业代工封测厂商,份额各占 50%。比较大型的封测厂商有日月光、安靠、力成等,内地为长电科技、华天科技和通富微电等。

  封测环节是我国最早进入半导体的切入口,因而也是我国半导体产业链中发展最成熟的环节,增长稳定,属于率先突破的行业。自 2012 年以来,我国集成电路封装测试业一直持续保持两位数增长。2018 年我国集成电路封装测试业的销售规模为 2194 亿元,同比增长 16%。我国大陆在全球半导体封装测试产业领域的销售规模仅次于中国台湾,封测产值占全球比例超过 16%,是第三大封测市场。而通过收购星科金朋,长电科技拥有了 WLSCP(晶圆级封装)、SiP(系统级封装)、PoP(堆叠封装)的高端先进封装技术,已经发展了高通、博通、闪迪、Marvell 等国际高端客户。

  半导体检测设备分为过程工艺控制检测和后道测试环节(ATE),前者主要包括结构检测、光罩检测、缺陷检测、电阻检测、离子浓度检测等前道检测,后者主要包括封装前的中测以及封装后的测试(FT)。过程工艺控制检测的企业主要有 KLA-TENCOR、应用材料和日立三家公司,CR3 不低于 70%。后道工序检测主要有泰瑞达、爱德万和Xcerra 垄断,CR3 接近 90%,国产厂商包括长川科技,精测电子以及华兴源创等。

  半导体的封测环节设备投入占设备总投入比例约为 15%,预计 2019 年我国封测设备的市场空间为 176 亿元,其中封装和测试的比例各占一半左右。

  在“02”专项和大基金的推动下,我国半导体设备产业有了根本性进步。2008 年我们没有自己的装备,现在拥有一定的自产装备,并在部分领域(光学系统、检测设备等)有了一定突破。中国半导体设备市场从 2009 年的 0.9 亿美元增长到了 2018 年 131 亿美元,跃升为全球第二大半导体设备市场。其中我国自产设备市场规模从2009 年的 0.69亿美元增长到 2018 年的 16 亿美元,自产比例上升至 12%左右,自产设备的销售收入也从 2008 年的 2.43 亿人民币增长为 2018 年的 36.4 亿人民币。从具体技术来看,在相对先进的 12 英寸设备领域,国产设备厂商进度稍慢,但也开始崭露头角,如北方华创的 PVD 设备、硅刻蚀机、立式炉等已经批量应用,中微半导体的介质刻蚀机也广受好评。

  半导体设备技术壁垒极高,强者恒强格局下突破不易。纵观半导体产业链可以发现,我国在 IC 设计、制造和封测等领域都已经取得显著进展,但在在半导体设备领域与国际龙头企业还存在十分大的差距。原因是半导体具有资本密集、技术密集、经验密集的特点,技术壁垒极高。目前半导体设备被美国、日本、荷兰等少数国家的巨头牢牢控制,据统计,半导体设备市场集中度 CR10 高达 60%,且集中度正逐年增强。从细分领域来看,光刻设备ASML占比达到了75%,而高端7nm制程的EUV设备已经完全被ASML垄断(国产技术领先光刻机仅能用来加工 90nm 芯片);在蚀刻设备方面,拉姆研究市场份额高达 45%,薄膜设备 AMAT 公司市场占比也达到了 40%。中国在半导体设备领域的发展,正处于从 0 到 1 的过程,短期内难以形成国际竞争力。

  道阻且长,行则将至。回忆过往,我国的科技创新能够克服从无到有的困难;展望未来,也必然有信心突破核心技术的瓶颈。半导体设备是芯片国产化的最大短板,发挥龙头企业作用,在关键领域、卡脖子的地方下大力气、真功夫,方能把挑战变成机遇。