半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈可按照主要生產(chǎn)過程進(jìn)行劃分，整體可分為上游中游下游。以半導(dǎo)體中占比最高的集成電路產(chǎn)業(yè)為例，上游包括半導(dǎo)體材料、生產(chǎn)設(shè)備、EDA、IP 核。EDA，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，主要包括設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)軟件。

本文內(nèi)容選自德邦證券半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)深度報(bào)告“工欲善其事必先利其器，國產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)”。

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國產(chǎn)化半導(dǎo)體行業(yè)深度報(bào)告（2021）

IP 核（Intellectual Property Core）提供已經(jīng)完成邏輯設(shè)計(jì)或物理設(shè)計(jì)的芯片功能模塊，通過授權(quán)允許客戶將其集成在 IC 設(shè)計(jì)中。中游包括設(shè)計(jì)、制造、封測三大環(huán)節(jié)。下游主要為半導(dǎo)體應(yīng)用，主要包括 3C 電子、醫(yī)療、通信、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、汽車、新能源、工業(yè)等。

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體產(chǎn)品按照功能區(qū)分可以分為集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器等四大類。其中集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心，根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)，2020 年集成電路市場規(guī)模占到了半導(dǎo)體市場的 82%。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)運(yùn)作主要有兩種模式，即IDM模式和垂直分工模式。如前文所述，半導(dǎo)體整個(gè)制造過程主要包括芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測試三大環(huán)節(jié)。所謂 IDM（Integrated Device Manufacture）模式，即由一個(gè)廠商獨(dú)立完成芯片設(shè)計(jì)、制造和封裝三大環(huán)節(jié)，英特爾和三星是全球最具代表性的 IDM 企業(yè)。

另一種模式為垂直分工模式，即 Fabless（無晶圓制造的設(shè)計(jì)公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業(yè)），Fabless 是指專注于芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，只負(fù)責(zé)芯片的電路設(shè)計(jì)與銷售，將生產(chǎn)、測試、封裝等環(huán)節(jié)外包的設(shè)計(jì)企業(yè)，代表企業(yè)有高通、英偉達(dá)、 AMD 等；Foundry 即晶圓代工廠，指只負(fù)責(zé)制造、封測的一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)，不負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)，可以同時(shí)為多家設(shè)計(jì)公司提供服務(wù)的企業(yè)，代表企業(yè)有臺(tái)積電、中芯國際等。OSAT 指專門從事半導(dǎo)體封裝和測試的企業(yè)。

在臺(tái)積電成立以前，半導(dǎo)體行業(yè)只有 IDM 一種模式。IDM 模式的優(yōu)勢在于資源的內(nèi)部整合優(yōu)勢，以及具有較高的利潤率。IDM 模式貫穿整個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)流程，不存在工藝流程對(duì)接問題，新產(chǎn)品從開發(fā)到面市的時(shí)間較短，且因?yàn)楦采w前端的IC 設(shè)計(jì)和末端的品牌營銷環(huán)節(jié)，具有較高的利潤率水平。但其公司規(guī)模龐大、管理成本和運(yùn)營費(fèi)用較高，同時(shí)半導(dǎo)體生產(chǎn)需要龐大的資本支出，使得行業(yè)內(nèi)只有極大的幾家 IDM 企業(yè)能夠生存。

半導(dǎo)體制造業(yè)具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，擴(kuò)大規(guī)模可以顯著降低單位產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)競爭力，降低產(chǎn)品價(jià)格，垂直分工模式應(yīng)運(yùn)而生。

一方面，垂直分工模式使得 Fabless 投資規(guī)模較小，運(yùn)行費(fèi)用較低，因此涌現(xiàn)出了大量的優(yōu)質(zhì)的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)。

另一方面，Foundry 能夠最大化的利用產(chǎn)能，提高資本支出的收益率。但垂直分工模式可能會(huì)因芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)無法順利協(xié)同，導(dǎo)致芯片從設(shè)計(jì)到面市的時(shí)間過長，給芯片設(shè)計(jì)廠商造成損失。

半導(dǎo)體工業(yè)中有兩種常用方法生產(chǎn)單晶硅，即直拉單晶制造法（CZ 法）和懸浮區(qū)熔法（FZ 法）。CZ 法是硅片制造常用的方法，它較 FZ 法有較多優(yōu)點(diǎn)，例如只有 CZ 法能夠做出直徑大于 200mm 的晶圓，并且它的價(jià)格較為便宜。CZ 法的原理是將多晶硅硅料置于坩堝中，使用射頻或電阻加熱線圈加熱熔化，待溫度超過硅的熔點(diǎn)溫度后，將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩等徑等步驟，完成一根單晶硅棒的拉制。

單晶硅棒完成后，還需要經(jīng)過一系列加工才能得到硅片成品，主要涉及的半導(dǎo)體設(shè)備有切片機(jī)、研磨機(jī)、濕法刻蝕機(jī)、清洗機(jī)、拋光機(jī)和量測機(jī)。目前上述硅片加工設(shè)備主要由日本、德國和美國廠商提供，國內(nèi)僅有晶盛機(jī)電等少數(shù)廠家推出了部分硅片加工設(shè)備，市場占有率較低。

晶圓制造是半導(dǎo)體制造過程中最重要也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，整個(gè)晶圓制造過程包括數(shù)百道工藝流程，涉及數(shù)十種半導(dǎo)體設(shè)備。晶圓制造主要的工藝流程包括熱處理、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械研磨和清洗。

熱處理主要包括氧化、擴(kuò)散和退火工藝。氧化是一種添加工藝，是將硅片放入高溫爐中，加入氧氣與之反應(yīng)，在晶圓表面形成二氧化硅。擴(kuò)散是通過分子熱運(yùn)動(dòng)使物質(zhì)由高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，利用擴(kuò)散工藝可以在硅襯底中摻雜特定的摻雜物，從而改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電率，但與離子注入相比擴(kuò)散摻雜不能獨(dú)立控制摻雜物濃度和結(jié)深，因此現(xiàn)在應(yīng)用越來越少。退火是一種加熱過程，通過加熱使晶圓產(chǎn)生特定的物理和化學(xué)變化，并在晶圓表面增加或移除少量物質(zhì)。

熱處理工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備為氧化擴(kuò)散設(shè)備，其實(shí)質(zhì)為高溫爐。高溫爐分為直立式和水平式高溫爐，高溫爐主要包括五個(gè)基本組件：控制系統(tǒng)、工藝爐管、氣體輸送系統(tǒng)、氣體排放系統(tǒng)和裝載系統(tǒng)。高溫爐必須具有穩(wěn)定性、均勻性、精確的溫度控制、低微粒污染、高生產(chǎn)率和可靠性。

光刻是將設(shè)計(jì)好的電路圖從光刻版或倍縮光刻版轉(zhuǎn)印到晶圓表面的光刻膠上，便于后續(xù)通過刻蝕和離子注入等工藝實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路，是晶圓制造中最重要的技術(shù)。光刻工藝包括三個(gè)核心流程：涂膠、對(duì)準(zhǔn)和曝光以及光刻膠顯影。整個(gè)光刻過程需要經(jīng)過八道工序：晶圓清洗、表面預(yù)處理、光刻膠自旋涂敷、軟烘烤、對(duì)準(zhǔn)、曝光、曝光后烘烤、顯影、堅(jiān)膜烘烤和圖形檢測。

光刻工藝流程中最核心的半導(dǎo)體設(shè)備是光刻機(jī)，光刻機(jī)是半導(dǎo)體設(shè)備中技術(shù)壁壘最高的設(shè)備，其研發(fā)難度大，價(jià)值量占晶圓制造設(shè)備中的 30%。目前全球的高端光刻機(jī)由荷蘭 ASML 公司壟斷，ASML 是全球最大的光刻機(jī)生產(chǎn)商，是全球唯一能夠生產(chǎn) EUV 光刻機(jī)的廠商，EUV 光刻機(jī)是先進(jìn)制程工藝中的核心設(shè)備。中低端光刻機(jī)除 ASML 外，還有日本的 Canon 和 Nikon 可以供應(yīng)。

目前國內(nèi)具備光刻機(jī)生產(chǎn)能力的企業(yè)主要是上海微電子裝備有限公司。上海微電子裝備(集團(tuán))股份有限公司(簡稱 SMEE)主要致力于半導(dǎo)體裝備、泛半導(dǎo)體裝備、高端智能裝備的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷售及技術(shù)服務(wù)。公司設(shè)備廣泛應(yīng)用于集成電路前道、先進(jìn)封裝、FPD 面板、MEMS、LED、Power Devices 等制造領(lǐng)域。

除上海微電子生產(chǎn)光刻機(jī)整機(jī)以外，國內(nèi)還有華卓精科和國科精密從事光刻機(jī)零部件的研發(fā)和生產(chǎn)。華卓精科以光刻機(jī)雙工件臺(tái)這一超精密機(jī)械領(lǐng)域的尖端產(chǎn)品為核心，并以該產(chǎn)品的超精密測控技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了晶圓級(jí)鍵合設(shè)備、激光退火設(shè)備等整機(jī)產(chǎn)品。

刻蝕是通過移除晶圓表面材料，在晶圓上根據(jù)光刻圖案進(jìn)行微觀雕刻，將圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面的工藝?？涛g分為濕法刻蝕和干法刻蝕，濕法刻蝕是利用化學(xué)溶液溶解晶圓表面的材料，干法刻蝕使用氣態(tài)化學(xué)刻蝕劑與材料產(chǎn)生反應(yīng)來刻蝕材料并形成可以從襯底上移除的揮發(fā)性副產(chǎn)品。由于等離子體產(chǎn)生促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的自由基能顯著增加化學(xué)反應(yīng)的速率并加強(qiáng)化學(xué)刻蝕，等離子體同時(shí)也會(huì)造成晶圓表面的離子轟擊，故干法刻蝕一般都是采用等離子刻蝕。

集成電路芯片刻蝕工藝中包含多種材料的刻蝕，單晶硅刻蝕用于形成淺溝槽隔離，多晶硅刻蝕用于界定柵和局部連線，氧化物刻蝕界定接觸窗和金屬層間接觸窗孔，金屬刻蝕主要形成金屬連線。

目前等離子刻蝕是晶圓制造中使用的主要刻蝕方法，電容性等離子刻蝕（CCP）和電感性等離子刻蝕（ICP）是兩種常用的等離子刻蝕方法。電容性等離子體刻蝕主要是以高能離子在較硬的介質(zhì)材料上，刻蝕高深寬比的深孔、深溝等微觀結(jié)構(gòu)；而電感性等離子體刻蝕主要是以較低的離子能量和極均勻的離子濃度刻蝕較軟的和較薄的材料。

刻蝕工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備為刻蝕機(jī)。全球刻蝕設(shè)備行業(yè)的主要企業(yè)即泛林半導(dǎo)體(Lam Research)，東京電子(TEL)和應(yīng)用材料(AMAT)三家。從全球刻蝕設(shè)備市場份額來看，三家企業(yè)的合計(jì)市場份額就占到了全球刻蝕設(shè)備市場的 90%以上。其中泛林半導(dǎo)體獨(dú)占 52%的市場份額，東京電子與應(yīng)用材料分別占據(jù) 20%和19%的市場份額。

國內(nèi)的刻蝕設(shè)備企業(yè)主要有中微公司、北方華創(chuàng)、屹唐半導(dǎo)體和中電科。其 中，中微公司、北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體均以生產(chǎn)干法刻蝕設(shè)備為主，中電科除了生產(chǎn)干法刻蝕設(shè)備以外還生產(chǎn)濕法刻蝕設(shè)備。除上述企業(yè)外，國內(nèi)還有創(chuàng)世微納、芯源微和華林科納等企業(yè)生產(chǎn)刻蝕設(shè)備。

國內(nèi)刻蝕設(shè)備生產(chǎn)商中，中微公司在 CCP 刻蝕領(lǐng)域具備明顯優(yōu)勢。在邏輯集成電路制造方面，公司的 CCP 刻蝕設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入國際知名晶圓代工廠的先進(jìn)制程生產(chǎn)線，用于 7/5 納米器件的生產(chǎn)。在 3D NAND 芯片制造方面，公司的CCP 刻蝕設(shè)備技術(shù)可應(yīng)用于 64 層的量產(chǎn)，同時(shí)公司根據(jù)存儲(chǔ)器廠商的需求正在開發(fā) 96 層及更先進(jìn)的刻蝕設(shè)備和工藝。

離子注入是一種添加工藝，利用高能量帶電離子束注入的形式，將摻雜原子強(qiáng)行摻入半導(dǎo)體中，從而控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電率。離子注入提供了比擴(kuò)散過程更好的摻雜工藝控制，例如在擴(kuò)散工藝中摻雜物的濃度和結(jié)深無法獨(dú)立控制，而在離子注入中可以通過離子束電流和注入時(shí)間控制摻雜物濃度，通過離子的能量控制摻雜物的結(jié)深，因此離子注入是目前半導(dǎo)體行業(yè)中的主要摻雜方法。

離子注入所使用的半導(dǎo)體設(shè)備為離子注入機(jī)，離子注入機(jī)是非常龐大的設(shè)備，包括了氣體系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和最重要的射線系統(tǒng)。根據(jù)離子束電流和束流能量范圍，一般可以把離子注入機(jī)分為低能大束流離子注入機(jī)、高能離子注入機(jī)和中低束離子注入機(jī)。

薄膜沉積是一種添加工藝，是指利用化學(xué)方法或物理方法在晶圓表面沉積一層電介質(zhì)薄膜或金屬薄膜，根據(jù)沉積方法可以分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。

CVD 是利用氣態(tài)化學(xué)源材料在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)過程，在表面沉積一種固態(tài)物作為薄膜層。CVD 廣泛應(yīng)用在晶圓制造的沉積工藝中，包括外延硅沉積、多晶硅沉積、電介質(zhì)薄膜沉積和金屬薄膜沉積。常用的化學(xué)氣相沉積工藝包括常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（PECVD）。

APCVD 主要應(yīng)用在二氧化硅和氮化硅的沉積，LPCVD 主要應(yīng)用于多晶硅、二氧化硅及氮化硅的沉積。PECVD 通過等離子產(chǎn)生的自由基來增加化學(xué)反應(yīng)速度，可以利用相對(duì)較低的溫度達(dá)到較高的沉積速率，廣泛應(yīng)用于氧化硅、氮化硅、 低 k、ESL 和其他電介質(zhì)薄膜沉積。

CVD 工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備是化學(xué)氣相沉積設(shè)備，全球的化學(xué)氣相沉積設(shè)備市場主要由應(yīng)用材料、泛林半導(dǎo)體和東京電子所壟斷，CR3 為 70%。從 CVD 設(shè)備種類來看，PECVD、APCVD 和 LPCVD 三類 CVD 設(shè)備合計(jì)市場份額約占總市場份額的 70%，仍舊是 CVD 設(shè)備市場的主流。

國內(nèi)在集成電路領(lǐng)域的 PVD 生產(chǎn)商主要為北方華創(chuàng)。北方華創(chuàng)突破了濺射源設(shè)計(jì)技術(shù)、等離子產(chǎn)生與控制技術(shù)、顆?？刂萍夹g(shù)、腔室設(shè)計(jì)與仿真模擬技術(shù)、軟件控制技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)集成電路領(lǐng)域高端薄膜制備設(shè)備零的突破，設(shè)備覆蓋了 90-14nm 多個(gè)制程。根據(jù)公司官網(wǎng)消息，公司 PVD 設(shè)備被國內(nèi)先進(jìn)集成電路芯片制造企業(yè)指定為 28nm 制程 Baseline 機(jī)臺(tái)，并成功進(jìn)入國際供應(yīng)鏈體系。

化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）是一種移除工藝技術(shù)，該工藝結(jié)合化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械研磨去除沉積的薄膜，使得晶圓表面更加平坦和光滑。CMP 技術(shù)有多種優(yōu)勢，例如CMP 允許高解析度的光刻技術(shù)，可以減小過度曝光和顯影的需求，允許更均勻的薄膜沉積從而減小刻蝕的時(shí)間。

全球 CMP 設(shè)備市場主要由應(yīng)用材料和荏原機(jī)械壟斷，其中應(yīng)用材料占據(jù)了全球 70%的市場份額，荏原機(jī)械的市占率為 25%。國內(nèi) CMP 設(shè)備的主要研發(fā)生產(chǎn)單位有華海清科和北京爍科精微電子裝備有限公司，其中華海清科是目前國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn) 12 英寸系列 CMP 設(shè)備量產(chǎn)銷售的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，打破了國際廠商的壟斷，填補(bǔ)國內(nèi)空白并實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

清洗是貫穿晶圓制造的重要工藝環(huán)節(jié)，用于去除晶圓制造中各工藝步驟中可能存在的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能。目前，隨著芯片制造工藝先進(jìn)程度的持續(xù)提升，對(duì)晶圓表面污染物的控制要求不斷提高，每一步光刻、刻蝕、沉積等重復(fù)性工序后，都需要一步清洗工序。清洗不僅應(yīng)用于晶圓制造，在硅片制造和封裝測試過程中也必不可少。

半導(dǎo)體測試貫穿了半導(dǎo)體整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造以及最后的芯片封裝環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行相應(yīng)的測試，以保證產(chǎn)品的良率。

芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的測試主要是設(shè)計(jì)商使用測試機(jī)、探針臺(tái)和分選機(jī)對(duì)晶圓樣品和芯片封裝樣品的功能和性能進(jìn)行測試。晶圓制造環(huán)節(jié)的測試包括晶圓幾何尺寸與表面形貌的檢測、成分結(jié)構(gòu)分析以及電性測試。封裝測試環(huán)節(jié)主要是通過分選機(jī)和測試機(jī)對(duì)芯片的電性參數(shù)及性能等進(jìn)行測試，以保證出廠后的芯片在性能和壽命方面達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

全球測試機(jī)市場被愛德萬、泰瑞達(dá)和科休壟斷，三者市場占有率分別為 50%， 40%和 8%。國內(nèi)測試機(jī)生產(chǎn)商主要有華峰測控和長川科技。華峰測控和長川科技專注于模擬測試機(jī)和數(shù)字模擬混合測試機(jī)，其中華峰測控在國內(nèi)模擬測試機(jī)市占率接近 60%。我國測試機(jī)市場中占市場主要份額的為存儲(chǔ)測試機(jī)和 SOC 測試機(jī)，市場份額分別為 43.8%和 23.5%。

半導(dǎo)體探針臺(tái)設(shè)備行業(yè)集中度較高，目前主要由東京精密、東京電子兩家壟斷，兩個(gè)公司共計(jì)占據(jù)全球約 70%的市場份額。臺(tái)灣惠特、臺(tái)灣旺矽等也占有較大的市場份額，特別是在 LED 探針臺(tái)領(lǐng)域具有優(yōu)勢。國內(nèi)最大的探針臺(tái)生產(chǎn)企業(yè)是深圳矽電，長川科技、中電科 45 所也具備探針臺(tái)生產(chǎn)能力。

分選機(jī)按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為三大類別，即重力式分選機(jī)、轉(zhuǎn)塔式分選機(jī)、平移拾取和放置式分選機(jī)。全球分選機(jī)市場由愛德萬、科休、愛普生三家企業(yè)所壟斷，國內(nèi)的分選機(jī)生產(chǎn)商主要有長川科技。

封裝是將芯片在基板上布局、固定及連接，并用可塑性絕緣介質(zhì)灌封形成電子產(chǎn)品的過程，目的是保護(hù)芯片免受損傷，保證芯片的散熱性能，以及實(shí)現(xiàn)電能和電信號(hào)的傳輸，確保系統(tǒng)正常工作。封裝設(shè)備主要有切割減薄設(shè)備、引線機(jī)、鍵合機(jī)、分選測試機(jī)等。目前封裝設(shè)備主要由國外企業(yè)壟斷，全球封裝設(shè)備主要由 ASM Pacific、K&S、Shinkawa、Besi 等國外企業(yè)壟斷，國內(nèi)具備封裝設(shè)備制造能力的企業(yè)主要有中電科 45 所、艾科瑞斯和大連佳峰。

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