半導體產業秩序/競合關系陷入大洗牌

在More than Moore的時代，晶圓代工業者除了制程微縮之外，還有許多其他道路可走。不管是還留在先進制程競技場上的臺積電、三星或英特爾，或是已經策略轉向的聯電、格芯，以及本來就走小而美路線的特殊制程晶圓代工業者，都必須用更全方位的眼光跟策略布局來面對未來市場需求的變化跟潛在競爭對手的動向。

舉例來說，臺積電近日便宣布將在銅鑼興建先進封裝廠，英特爾跟超微則聯合開發概念上類似臺積電CoWoS封裝技術的EMIB封裝，并借此聯合推出搭載了英特爾CPU、超微GPU的模組解決方案。

不過，目前EMIB封裝只用來串聯GPU跟周邊的HBM記憶體，CPU跟GPU之間的連線還是藉由模組基板上的PCIe來實現。或許在未來，EMIB也有機會用來實現CPU跟GPU之間的互聯，而這也意味著臺積電除了InFO、CoWoS之外，在先進封裝上還會有其他牌可打。該公司對先進封裝的投入，不是只有產能擴張這么簡單。

半導體供應鏈上各家廠商之間的關系正在大洗牌，昨日的合作伙伴，未來可能是最大的競爭對手；本來井水不犯河水的兩家廠商，也可能瞬間成為競爭關系；勢不兩立幾十年的死對頭，也有可能坐下來談聯合技術研發。半導體產業的未來，顯然還很有看頭。

晶圓制造主要設備市場情況

根據2017年SEMI公布的數據，在集成電路制程中，晶圓制造設備投入占比約占設備投資的80%，而封裝、測試設備投入則占比分別為9%和6%。在制造過程中，最主要、價值最昂貴的三類分別是沉積設備，包括PECVD，LPCVD等、刻蝕設備、光刻機，占半導體晶圓廠設備總投資的15%、15%、20-25%。

而這些設備因為被應用于制造，因此其精度和穩定性也要求最高。而憑借技術資金等優勢占據大份額的龍頭企業在這些領域尤為領先。

2017年全球營收前十大半導體設備公司

數據來源：各公司公告、國泰君安證券研究

幾乎壟斷了高端光刻市場份額高達80%的ASML，在CVD設備和PVD設備領域都保持領先的美國應用材料（AMAT）以及刻蝕機設備領域龍頭Lam Research穩坐前三。下面將就沉積、刻蝕、光刻這三大領域及代表公司進行詳解。

1. 沉積設備

沉積是半導體制程工藝中的一個非常重要的技術，分為物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）。

PVD是英文Physical Vapor Deposition的縮寫，中文意思是“物理氣相沉積”，是指在真空條件下，用物理的方法使材料沉積在被鍍工件上的薄膜制備技術。

PVD鍍膜技術主要分為三類，真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍和真空離子鍍膜。對應于PVD技術的三個分類，相應的真空鍍膜設備也就有真空蒸發鍍膜機、真空濺射鍍膜機和真空離子鍍膜機這三種。

CVD是英文Chemical Vapor Deposition的縮寫，中文意思為“化學氣相沉積”，是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，其可用于沉積大范圍的絕緣材料、大多數金屬材料和金屬合金材料。從理論上來說，化學氣相沉積法時將兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然后他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。

在集成電路制成中，經常使用的CVD技術有：大氣壓化學氣相沉積（APCVD）、低氣壓化學氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）以及新型氣相外延生長技術金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）等。相應的設備也就有APCVD設備，LPCVD設備，PECVD設備以及MOCVD設備。

代表企業：AMAT

美國應用材料股份有限公司AMAT是最大的納米制造技術企業。自1967年成立以來至今，作為全球最大的半導體與顯示行業制造設備供應商，產品與服務已覆蓋原子層沉積、物理氣相沉積、化學氣相沉積、刻蝕、快速熱處理、離子注入、測量與檢測、清洗等生產步驟。特別是其沉積設備技術更是全球領先。在PVD設備市場，AMAT全球占比近55%，在CVD市場，AMAT全球占比近30%。

在2018年，公司推出采用全新設計的新型CENTURA 200毫米常壓厚硅外延反應室PRONTO。該反應室專為生產工業級高質量厚硅（厚度為20～150微米）外延膜而設計，能使當前的外延膜生產效率最大化。

2. 刻蝕設備

刻蝕是采用物理或者化學的方法，通過掩膜圖形使薄膜材料選擇性銷蝕的技術，是薄膜制備的“反”過程。

刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩類。濕法刻蝕是將硅片浸泡在可與被刻蝕薄膜進行反應的溶液中，用化學方法除去不要部分的薄膜。早期制造業以濕法為主。當半導體制造業進入微米、亞微米時代以后，要求刻蝕的線寬越來越細，傳統的濕法化學刻蝕因其固有的橫向鉆蝕，無法控制線寬，甚至造成斷裂，已不再適應科研及生產的要求，取而代之的是以等離子體技術為基礎的干法刻蝕方法。這種方法是將被加工的硅片置于等離子體中，在帶有腐蝕性、具有一定能量離子的轟擊下，反應生成氣態物質，去除被刻薄膜，此種方法具有各向異性。

干法刻蝕種類較多，常見的有等離子體刻蝕（分為圓筒型和平行電極型）、反應離子刻蝕、濺射刻蝕、離子束刻蝕、反應離子束刻蝕等。相應的設備就有等離子體刻蝕機、反應離子刻蝕機、離子束刻蝕機等。

代表企業：Lam Research

Lam Research Corporation創立于1980年，總部位于美國加州弗里蒙特，是向世界半導體產業提供晶圓制造設備和服務的主要供應商之一，是目前全球第三大半導體生產商。

公司的三大核心產品是：刻蝕（ETCH--RIE/ALE）設備、沉積（Deposition--CVD/ECD/ALD）設備，以及去光阻和清洗（Strip & Clean）設備。

Lam Research通過專利刻蝕技術-變壓器耦合等離子（TCP，transformer coupled plasma）提供高水平的刻蝕，鞏固了Lam Research在半導體業界的地位。目前Lam Research占有全球刻蝕設備市場一半以上的市場份額。

3. 光刻機

光刻機是芯片制造的核心設備之一，按照用途可以分為好幾種：有用于生產芯片的光刻機；有用于封裝的光刻機；還有用于LED制造領域的投影光刻機。

在加工芯片的過程中，光刻機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模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經過一次光刻的芯片可以繼續涂膠、曝光。越復雜的芯片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。

代表企業：ASML

1984年，ASML從荷蘭著名電子制造商飛利浦獨立，此后主要專精于晶片制造微縮影設備之設計制造與整合，積體電路生產流程中，其關鍵的制程技術則是微縮影技術將電路圖影像投射在晶片上之曝光。

阿斯麥公司在世界14個國家和地區有50個子公司和生產據點，主要產品是用來生產大規模集成電路的核心設備光刻機，在世界同類產品中有90%的市占率。

今年，ASML已經開始出貨新品Twinscan NXT:2000i DUV（NXT:2000i雙工件臺深紫外光刻機），可用于7nm和5nm節點。

值得一提的是，ASML有一個非常奇特的規定，那就是只有投資ASML，才能夠獲得優先供貨權。這樣奇特的合作模式使得ASML獲得了大量的資金，包括英特爾、三星、臺積電、海力士都在ASML中有相當可觀的股份，可以說大半個半導體行業都是ASML一家的合作伙伴，形成了龐大的利益共同體。

半導體裝備是一個高度壟斷的市場。根據各細分設備市場占有率統計數據，在光刻機、CVD、PVD及刻蝕機，前三家設備商的總市占率都達 90%以上，且行業龍頭都能占據一半的市場，所以要想在半導體裝備市場中能分一杯羹，公司就必須在細分領域能夠做到全球前三。

中國半導體制造設備企業

2016年中國半導體設備銷售收入總計57.33億元，同比增長21.5%，其中前十強單位完成銷售收入47.7億元，同比增長28.5%，也就是說，前十強的增速快于整體增速，市場集中度在不斷提高，可喜可賀。

2016全國半導體設備十強 數據來源：中國半導體產業協會

從圖中可以看到，國內的設備公司在前道制造中有一席之地有：中電科、北方華創、中微半導體、上海微電子。下面就來介紹這幾家公司：

1. 中電科電子裝備公司

中電科電子裝備集團有限公司是在中國電子科技集團公司2所、45所、48所基礎上組建成立的二級成員單位，屬中國電子科技集團公司獨資公司，具備集成電路局部成套和系統集成能力以及光伏太陽能產業鏈整線交鑰匙能力。已形成以離子注入機、電化學沉積設備等為代表的微電子工藝設備研究開發與生產制造體系，可服務于材料加工、芯片制造、先進封裝和測試檢測等多個領域。

中電科裝備公司主營業務是光伏。不過在中電科電子的不斷努力下，公司在離子注入機和CMP（化學機械拋光機）兩個領域實現了重大突破。

承擔02專項后，電科裝備在離子注入機方面的研發可謂是一年邁一個臺階。在14年通過02專項的驗收后，其離子注入機即在中芯國際投入使用。

2015年，電科裝備12英寸中束流離子注入機在中芯國際先后完成了55nm、45nm和40nm小批量產品工藝驗證，并開始批量生產，逐步提升產能，增加驗證機臺的數量。同年，中束流設備實現了批量銷售，量產晶圓超過300萬片。

2016年，用于45nm~22nm低能大束流離子注入機與中束流離子注入機通過了28nm工藝制程同步驗證，已經實現銷售。

2017年，電科裝備離子注入機批量制造條件廠房及工藝實驗室已投入使用，重點打造離子注入機零部件檢測、模塊裝配及局部成套三大平臺，可實現10臺設備同時組裝調試，具備年產20臺以上的批量制造能力，具備集成電路裝備系統集成能力及局部成套工藝生產能力。

在CMP拋光機方面，中電科裝備也有了新的突破。2017年8月，電科裝備成功研發出了國內首臺擁有完全自主知識產權的200mm化學機械拋光商用機，研發團隊在3年的時間里突破了10余項關鍵技術，完成技術改進50余項，經過3個批次近10000片的馬拉松測試，性能指標獲得中芯國際工程師的好評，并于2017年11月21日成功在中芯國際天津廠8英寸大生產線裝機驗證，已經進入24小時生產階段。

在沉積設備方面，也有PECVD的產品。

就在今年8月，電科裝備正式發布了“SEMICORE爍科”系列品牌，將把離子注入機和CMP設備注入爍科裝備，推動其進入生產線批量應用，實現進口替代、自主可控，具備國際競爭能力。

2. 北方華創

北京北方華創微電子裝備有限公司是北方華創科技集團股份有限公司的全資子公司，主營業務由原七星電子的半導體裝備相關業務與原北方微電子的全部業務整合而成。產品涵蓋：等離子刻蝕、物理氣相沉積、化學氣相沉積、氧化/擴散、清洗、退火等半導體工藝裝備；平板顯示制造裝備和氣體質量流量控制器等核心零部件。涉及集成電路、先進封裝、LED、MEMS、電力電子、平板顯示、光伏電池等半導體相關領域。

北方華創目前和所有國內大廠都有合作，比如正在武漢和南京如火如荼建設的長江存儲公司，3D NAND FLASH產線的氧化爐設備就有采用北方華創的產品，2017年11月搬入產線。

在氧化爐領域，2017年11月30日，北方華創下屬子公司北方華創微電子自主研發的12英寸立式氧化爐THEORISO 302 Move In長江存儲生產線，應用于3D NAND Flash制程，擴展了國產立式氧化爐的應用領域。

在硅刻蝕機領域，在2003年啟動研制時，中國和國外差距在20年以上，僅僅能夠制造90nm制程，在國家02專項的支持下，北方華創在硅刻蝕機領域不斷實現突破，先進制程工藝一路上揚，28nm，22nm都實現了突破，2016年研發出了14nm工藝的硅刻蝕機，更先進的7nm硅刻蝕機也正研發中。

除了氧化爐和刻蝕機領域以外，北方華創在PVD設備（物理氣相沉積，薄膜沉積設備的一種）和單片退火設備領域也實現了批量出貨，目前主要在28nm級別。

在薄膜沉積設備領域，北方華創進展較快，多種14nm的生產設備也在產線驗證中，包括ALD，AL PVD，LPCVD，HM PVD等，基本都是不同的沉積設備，目的是制作氧化薄膜，便于絕緣，和控制不同的雜質擴散速度，或者金屬化，PVD是物理氣相沉積，CVD是化學氣相沉積，ALD是原子層沉積，他們的工作原理不同，但是目的是一樣的。

除了這三大類設備外，北方華創還有第四種關鍵設備：清洗機。

2017年8月7日，北方華創1500萬美元，也就是才1億人民幣多點實現了對美國Akrion公司的收購。Akrion公司是位于美國賓夕法尼亞州的一家專注于硅片清洗設備業務的公司，主要用于集成電路制造領域，硅晶圓制造領域、微機電系統和先進封裝領域，該公司擁有多年的清洗技術積累和廣泛的市場與客戶基礎，累計在線機臺千余臺。

北方華創自研的12英寸單片清洗機產品主要應用于集成電路芯片制程，成功收購Akrion公司，北方華創微電子的清洗機產品線將得以補充，形成涵蓋應用于集成電路、先進封裝、功率器件、微機電系統和半導體照明等半導體領域的8-12英寸批式和單片清洗機產品線。

實際上，根據北方華創2017年披露的2016年年報，其自研的12英寸清洗機到2016年底的累計流片量已突破60萬片，收購Akrion之后，北方華創的實力進一步加強。

3. 中微半導體

中微半導體是尹志堯創辦，他之前是全球最大的半導體生產設備商應用材料公司的副總裁，回國創辦中微。

中微的產品，主要是三大領域，一個是LED芯片的MOCVD機臺，這個是LED芯片制造的核心設備，以致于衡量芯片廠家的制造能力，都是用它有多少MOCVD機臺來衡量，機臺數量越多的產能越大。國產MOCVD設備從2012年底研發成功，到2016年開始完成批量驗證，目前處于迅速上升的態勢。經過不斷洗牌，中微半導體已占據領先地位，目前國產MOCVD市場份額已呈現增長局面。

中微半導體的另外一個領域，主要是其最早開始研發，具有多年經驗的介質刻蝕機，這個目前是用在集成電路芯片制造上面，目前已經可以做到22nm及其以下，且中微半導體的14nm也在產線進行驗證，同時在推進5nm的聯合研究。

目前總體而言，中微處于比較好的發展態勢，MOCVD機臺已經經受住了量產的考驗，將會迎來大批量出貨時期，其多年來集中力量攻關的等離子體介質刻蝕機，已經在國際大廠部署多年，同時目前也開始進入最先進的5nm制程的預研。

4. 上海微電子公司

上海微電子裝備（集團）股份有限公司是一家掌握了高端光刻機相關技術且具有高端投影光刻機生產能力的企業。于今年3月份，與全球領先的半導體設備企業ASML簽署了戰略合作備忘錄。公司主要從事半導體裝備、泛半導體裝備、高端智能裝備的開發、設計、制造、銷售及技術服務。旗下產品可應用于集成電路前道、先進封裝、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等制造領域。

總結

目前，中國半導體設備已有了一定的基礎，雖然設備總量不大，但一直并保持著高速增長的態勢。但需要認清的是，目前我國的技術實力與國外相比仍存在較大的差距，尤其與市占率超80%的設備企業如ASML、應用材料等相比，實力偏弱且絕大部分設備廠商無法滿足國際已經實現量產的制程，較難進入國際代工巨頭的產線。

當然，在落后的局面下，我國半導體設備也在奮起直追，并取得了一定成績，在國內產線上已經進行了一部分國產替代。半導體設備是我國發展半導體集成電路的基石，我們要把握好先行條件，率先推進，爭取早日完成進口替代。