半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)剖析，中國整體水平如何？

半導(dǎo)體核心產(chǎn)業(yè)鏈為 IC 設(shè)計、 IC 制造、封裝測試，垂直分工模式持續(xù)深化。 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游為硅片、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(dǎo)體設(shè)備作為支撐產(chǎn)業(yè)；核心產(chǎn)業(yè)鏈為 IC 設(shè)計、 IC 制造以及封裝測試 3 大環(huán)節(jié)，由于Foundry（只進行芯片生產(chǎn)制造）、 Fabless（專業(yè)從事 IC 設(shè)計）模式誕生，設(shè)計、制造、封測業(yè)務(wù)開始相互獨立， Fabless 公司業(yè)績增長明顯高于 IDM（從設(shè)計到封測再到消費業(yè)務(wù)總包）公司，造成了 IDM 公司開始向 Fab-lite 模式發(fā)展，集中精力于優(yōu)勢產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)垂直分工模式持續(xù)深化；下游為消費電子、通信、汽車電子、計算機等產(chǎn)業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、 5G、 VR/AR 等新興工業(yè)領(lǐng)域。

我國半導(dǎo)體需求量占全球60%，供需缺口持續(xù)擴大

行業(yè)銷售額達 4122 億美元，未來幾年保持 7%的 CAGR。 據(jù) WSTS 統(tǒng)計， 2017 年全球半導(dǎo)體行業(yè)銷售額為 4122 億美元，同比增速 21.6%，創(chuàng)下歷年新高，我們預(yù)測未來 3年全球半導(dǎo)體行業(yè)銷售額年均增速達 7%，至 2020 年超過 5000 億美元。據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）數(shù)據(jù)， 2018 年 4 月份全球半導(dǎo)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(qū)銷售額增長最快，為 34.1%，中國地區(qū)緊隨其后，同比增長 22.1%，環(huán)比持平，行業(yè)景氣度有增無減。短期內(nèi)，半導(dǎo)體市場增長依然非常樂觀，預(yù)計 2018 年繼續(xù)保持高增長態(tài)勢。

歷經(jīng) 3 次轉(zhuǎn)移，半導(dǎo)體行業(yè)重心正遷至中國大陸。 上世紀(jì)四五十年代隨著軍用、商用計算機的出現(xiàn)，至 70 年代硅谷形成，美國成為世界上半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)頭人； 80 年代日本政府與產(chǎn)業(yè)界經(jīng)過努力開發(fā)基于 DRAM 的 IDM 商業(yè)模式，實現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)的崛起，超越美國在全球市場處于領(lǐng)先；之后韓國抓住 PC 端消費機遇，加上政府與財團支持，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中搶占了市場先機，在 DRAM 市場達到 80%的占有率，一舉將產(chǎn)業(yè)重心遷至韓國；中國臺灣在 60 年代切入 IC 后段封裝測試，受益于初期外企在臺設(shè)廠與 80 年代垂直分工模式加深， 以及本地企業(yè)如臺積電等崛起，依靠晶圓代工帶動全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展；在目前半導(dǎo)體行業(yè)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(chǎn)業(yè)銷售額達到5411.3 億元，產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度全球領(lǐng)先，行業(yè)重心正轉(zhuǎn)移至中國大陸。

中國半導(dǎo)體需求占全球 30%， 集成電路銷售額達 5400 億元成最大下游市場。 2017年，中國半導(dǎo)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(dǎo)體下游市場。

集成電路進口額連年超 2000 億美元位居進口產(chǎn)品之首，核心技術(shù)仍被國外壟斷。 數(shù)據(jù)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(shù)量已接近 4000 億個，同比增速 5 年來穩(wěn)定在 10%左右。顯然，集成電路已連續(xù)多年成為國內(nèi)最大進口產(chǎn)品， 12 寸硅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(yè)對外依存度高居不下。此外，如熱處理設(shè)備、光刻機、探針臺等半導(dǎo)體設(shè)備基本依賴進口，國產(chǎn)化率很低，核心技術(shù)仍未突破。

供需缺口 30 萬片/月以上且繼續(xù)增大，晶圓廠將迎資本開支高峰。 由于存儲器市場火爆， 12 寸硅片市場需求將持續(xù)大，國內(nèi)來看，據(jù)集邦咨詢統(tǒng)計，國內(nèi) 12 寸硅片月需求 46萬片，我們預(yù)計 2018 年需求增大到 120 萬片/月，而 12 寸硅片國內(nèi)尚無量產(chǎn)能力，供需缺口巨大。據(jù)統(tǒng)計， 8 寸硅片月需求為 70 萬片，而國內(nèi)包括浙江金瑞泓、昆山中辰等重點廠商平均產(chǎn)量共計約 23 萬片/月，供需缺口近 50 萬片/月；

從全球來看，據(jù)業(yè)界預(yù)測， 2017年、 2018 年全球 12 寸硅片需求為 550 萬片/月， 580 萬片/月，而據(jù) SEMI 數(shù)據(jù)，未來3年全球產(chǎn)能復(fù)合增速在 2%~3%，對應(yīng) 2017 年與 2018 年產(chǎn)能為 525 萬片/月、 540 萬片/月，供需缺口在 30 萬片/月以上，供不應(yīng)求狀態(tài)依舊持續(xù)。由于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(xù)走高，預(yù)計 2018~2020年迎來資本開支高峰。
半導(dǎo)體設(shè)備價值量占產(chǎn)業(yè)鏈80%，國產(chǎn)化率低于20%

眾多半導(dǎo)體設(shè)備支撐產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，投入占比接近 80%成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈最大投資項。 半導(dǎo)體設(shè)備鏈?zhǔn)侵伟雽?dǎo)體行業(yè)的上游基礎(chǔ)子產(chǎn)業(yè)，投資價值巨大。對應(yīng)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，設(shè)備鏈主要集中在硅片制備、 晶圓加工、封裝測試環(huán)節(jié)。 硅片制備需要設(shè)備為減薄機、單晶爐、研磨機等； 晶圓加工環(huán)節(jié)則需要熱處理設(shè)備、光刻機、刻蝕機、離子注入設(shè)備、 CVD/PVD 設(shè)備、清洗設(shè)備等；在封裝測試環(huán)節(jié)需要切割機、裝片機、鍵合機、 測試機、分選機、探針臺等設(shè)備；

此外，還需要潔凈室等設(shè)備作為輔助設(shè)備。由于集成電路產(chǎn)業(yè)制造過程需要多種設(shè)備協(xié)同工作，而如光刻機等高精度設(shè)備造價極高（ASML 一臺光刻機售價超 1 億美元），因而使得半導(dǎo)體設(shè)備成為產(chǎn)業(yè)鏈最大投資項，占產(chǎn)業(yè)總支出接近 80%。

全球半導(dǎo)體企業(yè)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(dǎo)體市場需求，全球范圍尤其是中國地區(qū)迎來晶圓代工廠投資建廠熱潮， SEMI 預(yù)計 2017 年~2020 年間全球共將投產(chǎn) 62 座半導(dǎo)體晶圓廠，中國大陸新建投產(chǎn)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(shè)投產(chǎn)高峰，全球半導(dǎo)體企業(yè)也迎來資本開支大年。
月產(chǎn)能 1 萬片需投入 6 億美元設(shè)備， 2018 年中國設(shè)備支出將增大到 100 億美元。 據(jù)SEMI 預(yù)測，2017 年全球晶圓廠設(shè)備支出 460 億美元，預(yù)計 2018 年支出高達 540 億美元，總支出（建設(shè)和設(shè)備總計）同比增長 54%； 2017 年中國新建的新晶圓廠將于 2018 年開始裝機，預(yù)計 2018 年中國設(shè)備支出超 100 億美金，成長超 55%。

我們根據(jù)一些公布的晶圓廠建設(shè)投資規(guī)劃進行統(tǒng)計測算，新建一座晶圓廠平均投資金額約 60 億美元，設(shè)備投資占總投資金額的 70%以上， 1 萬片/月的單位產(chǎn)能對應(yīng)總投資約 8.5 億美元，對應(yīng)設(shè)備投資約 6億美元。而在設(shè)備配置中，制造設(shè)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(shè)備為核心，各占 30%、25%， 25%；封裝設(shè)備與測試設(shè)備占設(shè)備投資比例為 15%、10%。
但在火熱的半導(dǎo)體設(shè)備背后，國產(chǎn)化率普遍低于 20%，國內(nèi)市場遭國外巨頭壟斷。

目前，我國設(shè)備普遍國產(chǎn)化率很低，如光刻機、離子注入設(shè)備、氧化擴散設(shè)備國產(chǎn)化率均低于 10%，刻蝕機約10%，CVD/PVD 設(shè)備約 10%~15%，封測設(shè)備國產(chǎn)化率普遍小于 20%。據(jù)《中國制造 2025》重點領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新綠皮書——技術(shù)路線圖預(yù)計，至 2020 年中國集成電路市場規(guī)模達到1180 億~1734 億美元，復(fù)合增長率 8%，全球市場占比為 35.98%~43.35%，產(chǎn)業(yè)規(guī)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(shè)備市場，打破壟斷提高國產(chǎn)化率是當(dāng)務(wù)之急。 當(dāng)下， 國內(nèi)半導(dǎo)體市場利潤多為國外巨頭瓜分，據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）數(shù)據(jù)顯示， 2016 年僅美國企業(yè)在中國半導(dǎo)體市場的占有率就高達 51%，半導(dǎo)體設(shè)備國內(nèi)自供給率不足 20%，在如此廣闊市場空間下，國內(nèi)企業(yè)唯有加緊技術(shù)突破，打破國外巨頭壟斷，才能安享自家豐盛的半導(dǎo)體市場大宴。

為了改變則個局面，國家推02 專項扶持國內(nèi)設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 

02 專項即國家“極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝”項目，在“十二五”期間著重進行了 45-22 納米關(guān)鍵制造裝備攻關(guān)，開發(fā) 32-22 納米互補金屬氧化物半導(dǎo)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制造產(chǎn)業(yè)鏈等重要任務(wù)，受益于 02 專項的扶持，國內(nèi)設(shè)備企業(yè)如中微半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、上海微電子等迅速發(fā)展，攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)，在國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程中起到關(guān)鍵作用。

“大基金”二期投資規(guī)?；虺f億，封測設(shè)備行業(yè)受益。 

“十二五”開始我國大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)， 2014 年 9 月，我國成立集成電路產(chǎn)業(yè)基金扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展，截至到 2017年上半年，“大基金”首期募資達到 1387.2 億元?！按蠡稹钡耐顿Y項目覆蓋了集成電路的制造、設(shè)計、材料設(shè)備、封裝測試等環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)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(yù)計至少將按照 1∶3 的撬動比，預(yù)期撬動社會資金規(guī)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?qū)⑦^萬億元。

據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)聯(lián)盟披露的“大基金”二期投向領(lǐng)域來看，封測行業(yè)及設(shè)備企業(yè)大大受益， 封裝測試行業(yè)長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技以及設(shè)備商長川科技均在投向領(lǐng)域內(nèi)，大力投資必會帶動國內(nèi)封測設(shè)備行業(yè)的快速發(fā)展。

目前看來，國內(nèi)封測設(shè)備發(fā)展趨向成熟，有望率先突破。

國家戰(zhàn)術(shù)性重點突破后端環(huán)節(jié)，國內(nèi)封測設(shè)備發(fā)展趨向成熟。 集成電路是半導(dǎo)體行業(yè)的最主要組成部分，其設(shè)備投資占整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈資本支出的 80%左右，其中由于芯片制造領(lǐng)域涉及技術(shù)難度很高，如光刻機工藝要求極高，國內(nèi)與國外水平相差 3 代以上，短時間難以趕超，而產(chǎn)業(yè)鏈后端環(huán)節(jié)封裝測試領(lǐng)域技術(shù)含量相對較低，因而成為我國重點突破領(lǐng)域，目前也已經(jīng)成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中最具競爭力的環(huán)節(jié)， 2018 年 Q1 中國封測產(chǎn)業(yè)貢獻了 402.5 億元的銷售額，占國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷售額 35%，封裝設(shè)備市場占全球封裝設(shè)備市場的 36.8%。因此，借鑒中國臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起是從封裝測試領(lǐng)域切入，我國未來也會實現(xiàn)首先從后端環(huán)節(jié)超車。

前中后段設(shè)備的市場狀況

在前段，硅片制造和單晶爐是核心。

硅片是制作芯片的基材，占整個半導(dǎo)體材料的 35%以上。 硅是用來制造芯片的主要半導(dǎo)體材料，現(xiàn)在世界上典型的半導(dǎo)體公司都不自己制造硅片，而是直接采購硅片制造商生產(chǎn)的硅片進一步加工制造各式各樣的芯片。在硅片上制作的芯片的質(zhì)量與開始制作時所采用的的硅片的質(zhì)量有直接關(guān)系，所以硅片制造（也稱晶圓制造）的發(fā)展對于整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈也有著獨特的意義。硅片的制造流程包含工藝眾多，主要包含硅的提煉與提純-單晶硅生長、機械整型以及刻蝕、拋光和外延生長等過程。 


硅的提純是指將硅砂原料放入熔爐中熔煉，再通過蒸餾和化學(xué)反應(yīng)得到高純度的多晶硅（純度 99.99999% 7 個 9 以上），之后在單晶爐中使用 CZ 法（提拉法）或區(qū)熔法得到單晶硅棒（純度 99.999999999% 11 個9 以上）。隨著電子器件的不斷升級，對硅的純度要求也越來越高。這一過程所用到的主要設(shè)備是單晶爐。單晶爐設(shè)備支出占硅片制造設(shè)備的 25%左右。

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

硅錠整型是指將拉好的單晶硅棒整型為可處理的錠狀，主要通過滾磨（徑向研磨）實現(xiàn)，主要設(shè)備為滾磨機。 

切片是將硅錠切成固定厚度，一般是1mm，隨著硅片尺寸逐漸變大，這一過程目前主要采用線切割的方式進行，主要設(shè)備為線切割機。 

磨片倒角是為了解決切片的表面和邊緣的尺寸誤差問題，所用設(shè)備為研磨機。這一過程所使用的設(shè)備主要為機加工設(shè)備，技術(shù)難度相對較低，總和約占整個硅片制造設(shè)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面質(zhì)量，提高切片平整度。這一過程所用設(shè)備為刻蝕機，約占硅片制造設(shè)備的 10%。 

拋光則是利用機械、化學(xué)和電化學(xué)的手段進一步降低硅片表面粗糙度，獲得更加光亮平整表面的加工方法，通過拋光生產(chǎn)的硅片也稱拋光片。主要使用設(shè)備為拋光機，目前 CMP 拋光機使用最為廣泛， 約占硅片制造設(shè)備的 10%。

外延生長是為達到所需器件性能和成本率目標(biāo)，將切片放入外延爐進行外延生長，在已有表面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硅片也稱外延片。一般而言外延片的性能優(yōu)于拋光片，因為其密度低、吸雜性能和電學(xué)性能好，而外延片的制造難度也稍大一些。這一過程主要使用設(shè)備為外延爐， 約占總設(shè)備的 10%。 

清洗設(shè)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面留存雜質(zhì)，檢測設(shè)備則是對加工的硅片進行測試判斷是否達到要求。清洗過程所用設(shè)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%。

硅晶體生長主要的制造方法是直拉法和區(qū)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，籽晶桿帶著籽晶由上而下插入熔體，由于固液界面附近的熔體維持一定的過冷度、熔體沿籽晶結(jié)晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶。直拉法適用于大尺寸完美晶體的批量生產(chǎn)，比如半導(dǎo)體鍺、硅、氧化物單晶。

區(qū)熔法將一個多晶材料棒，通過一個狹窄的高溫區(qū)，使材料形成一個狹窄的熔區(qū)，移動材料棒或加熱體，使熔區(qū)移動而結(jié)晶，最后材料棒就形成了單晶棒。區(qū)熔法生產(chǎn)的單晶材料含氧量少，純度高，摻質(zhì)均勻，適用 ITBT 工業(yè)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(guān)鍵的步驟之一，是將所設(shè)計的 IC 電路圖映射到硅片上的程序。光刻環(huán)節(jié)所需的設(shè)備光刻機是整個過程最為核心的設(shè)備，光刻設(shè)備占整個晶圓加工設(shè)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(guān)的工藝，在光刻之后通過使用特定試劑將未被光刻膠保護的地方刻蝕掉，并將硅片上剩余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(shè)備支出占整個晶圓加工設(shè)備的 15%左右。 薄膜沉積又稱淀積或膜淀積，主要是在硅片表面生產(chǎn)不同膜層以達到更好的機械和電學(xué)特性的過程。目前的工藝主要是采用 CVD（化學(xué)氣相沉積），指通過氣體混合的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面淀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(shù)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(yīng)工序。主要設(shè)備 CVD 設(shè)備占整個晶圓加工設(shè)備的 15%左右。美國應(yīng)用材料和諾發(fā)是該設(shè)備全球領(lǐng)先企業(yè)，中國企業(yè)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復(fù)雜，造價極高。 光刻機是以光學(xué)光刻為基礎(chǔ)，利用光學(xué)系統(tǒng)把掩膜版上的圖形精確地投影曝光到涂過的光刻膠的硅片上。光刻機就是在硅片表面勻膠，通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩膜，經(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將掩膜版塊上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，把器件或電器結(jié)構(gòu)臨時成比例縮小后映射到硅片上。一般離子反應(yīng)刻蝕會用到等離子刻蝕機，它包括反應(yīng)室、電源、真空部分。等離子體在工件表面發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的揮發(fā)性副產(chǎn)物被真空泵抽走。濕法刻蝕將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進行腐蝕的技術(shù)。

至于后段的封裝測試，測試設(shè)備貫穿始終。

封裝測試為芯片制造后段工藝，提高芯片良率獲最終產(chǎn)品。 芯片制造完成即被送去檢測，合格的芯片才會被分選出來進行最后的封裝和終測。 經(jīng)過芯片設(shè)計與制造工藝，晶圓片還需要進行封裝及檢測才能產(chǎn)出成品。封測一般需要經(jīng)過劃片、裝片、鍵合、塑封、電鍍、切筋成型及打碼幾個步驟完成，封裝后的測試則為電性測試、老化測試。其實在芯片設(shè)計和制造的環(huán)節(jié)也有設(shè)計驗證以及晶圓檢測步驟，因而封裝為產(chǎn)業(yè)鏈后端工藝，測試在半導(dǎo)體制造的各環(huán)節(jié)均需參與。 封裝設(shè)備市場規(guī)模占整個半導(dǎo)體設(shè)備的 7%。

測試設(shè)備遍布前道檢測、后道中測和后道終測。 前道檢測、晶圓可接受性測試及后道終測保證芯片質(zhì)量及性能，外觀測試與電性功能測試并重。 前道檢測主要指晶圓檢測，包含 IC 設(shè)計的邏輯檢測、 IC 制造后進行的晶圓檢測等，目的是進行外觀結(jié)構(gòu)性檢測，包含各種線寬度、厚度以及表面形貌等檢測；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(biāo)記制造失敗的晶片，分選出良好的 Die（晶片）以便封測，同時可以得到晶圓片制造良率；后道終測是在封裝后檢測 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(shè)備規(guī)模占整個半導(dǎo)體設(shè)備的 8%。