半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始于上世紀(jì)。隨著 1947 年固體晶體管的發(fā)明， 半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)獲得了長足發(fā)展， 之后的發(fā)展方向是引入了集成電路和硅材料。集成電路將多個元件結(jié)合在了一塊芯片上，提高了芯片性能、降低了成本。隨著硅材料的引入，芯片工藝逐步演化為器件在硅片上層以及電路層的襯底上淀積。

芯片制造主要有五大步驟：硅片制備、芯片制造、芯片測試與挑選、裝配與封裝、終測。

芯片制造的五大步驟

（1）硅片制備。

首先是將硅從礦物中提純并純化，經(jīng)過特殊工藝產(chǎn)生適當(dāng)直徑的硅錠。然后將硅錠切割成用于制造芯片的薄硅片。最后按照不同的定位邊和沾污水平等參數(shù)制成不同規(guī)格的硅片。 本文討論的主要內(nèi)容就是硅片制備環(huán)節(jié)。

（2）芯片制造。

裸露的硅片到達(dá)硅片制廠，經(jīng)過各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜等步驟，硅片上就刻蝕了一整套集成電路。芯片測試/揀選。 芯片制造完后將被送到測試與揀選區(qū)，在那里對單個芯片進(jìn)行探測和電學(xué)測試，然后揀選出合格的產(chǎn)品，并對有缺陷的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記。

（3）裝配與封裝。

硅片經(jīng)過測試和揀選后就進(jìn)入了裝配和封裝環(huán)節(jié)，目的是把單個的芯片包裝在一個保護(hù)殼管內(nèi)。 硅片的背面需要進(jìn)行研磨以減少襯底的厚度，然后把一個后塑料膜貼附在硅片背面，再沿劃線片用帶金剛石尖的鋸刃將硅片上每個芯片分開，塑料膜能保持芯片不脫落。在裝配廠，好的芯片被壓焊或抽空形成裝配包，再將芯片密封在塑料或陶瓷殼內(nèi)。

（4）終測。

為確保芯片的功能， 需要對每一個被封裝的集成電路進(jìn)行測試， 以滿足制造商的電學(xué)和環(huán)節(jié)的特性參數(shù)要求。

硅片制作的工藝流程

硅片制備之前是制作高純度的半導(dǎo)體級硅（semiconductor-grade silicon， SGS），也被稱為電子級硅。 制備過程大概分為三步，第一步是通過加熱含碳的硅石（SiO2） 來生成氣態(tài)的氧化硅 SiO；第二步是用純度大概 98%的氧化硅，通過壓碎和化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)含硅的三氯硅烷氣體（SiHCl3）； 第三步是用三氯硅烷經(jīng)過再一次的化學(xué)過程，用氫氣還原制備出純度為 99.9999999%的半導(dǎo)體級硅。

半導(dǎo)體硅的生產(chǎn)過程

對半導(dǎo)體級硅進(jìn)一步加工得到硅片的過程被稱為硅片制備環(huán)節(jié)。 硅片制備包括晶體生長、整型、切片、拋光、清洗和檢測等步驟，通過單晶硅生長、 機(jī)械加工、化學(xué)處理、表面拋光和質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)最終生產(chǎn)出符合條件的高質(zhì)量硅片。

硅片制備的工藝流程

（1）晶體生長

晶體生長環(huán)節(jié)是把半導(dǎo)體級多晶硅塊轉(zhuǎn)換為柱狀的單晶硅錠的過程。 半導(dǎo)體級硅生長出來的是多晶硅塊，而半導(dǎo)體器件對硅的晶體結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格，只有近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)才能避免對器件特性非常有害的電學(xué)和機(jī)械缺陷。

面心立方（FCC）的晶胞

非晶材料和晶體材料原子結(jié)構(gòu)差異巨大，晶體材料中有序排列晶胞的方式叫做單晶結(jié)構(gòu)。

非晶材料沒有重復(fù)的結(jié)構(gòu)， 在原子級結(jié)構(gòu)上雜亂無章， 典型的非晶體材料包括塑料等。 晶體材料中的原子在三維空間中保持著有序而重復(fù)的狀態(tài)， 晶體材料中最基本的原子模式是晶胞，硅晶胞由 14 個原子構(gòu)成，呈現(xiàn)立方體結(jié)構(gòu)。 根據(jù)晶胞的排列方式可以分為多晶結(jié)構(gòu)和單晶結(jié)構(gòu)，多晶硅中的晶胞無序排列，單晶硅中的晶胞則在三維方向上整齊地重復(fù)排列。 半導(dǎo)體器件所需的許多電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)都與其原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)， 非晶硅對生產(chǎn)半導(dǎo)體器件來說毫無用處， 晶體生長的目的就是把多晶硅轉(zhuǎn)換為半導(dǎo)體器件需要的單晶結(jié)構(gòu)。

單晶體和多晶體的結(jié)構(gòu)

晶體硅生長環(huán)節(jié)主要有直拉法（Czochralski， CZ 法） 和區(qū)熔法。

直拉法用一塊單晶硅籽晶來生長硅錠， 首先在一個巨大的非晶體石英坩堝中加熱半導(dǎo)體級多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，然后用一個完美的籽晶放在熔體表面并在旋轉(zhuǎn)中緩慢拉起，它的旋轉(zhuǎn)方向和坩堝的旋轉(zhuǎn)方向相反。隨著籽晶在直拉過程中離開熔體，熔體上的液體會因為表面張力而提高，籽晶上的界面散發(fā)熱量并向下朝著熔體方向凝固，生長出來的單晶硅硅錠就像是籽晶的復(fù)制品。

直拉法單晶硅生長工藝

目前 85%以上的單晶硅都是用直拉法生長出來的。

另一種生長單晶硅的方法是區(qū)熔法，區(qū)熔法在上世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來，目前是生長單晶硅純度最高的技術(shù)。區(qū)熔法把多晶硅棒放在一個模型里，然后放入一個籽晶，然后用射頻線圈加熱籽晶與多晶接觸區(qū)域生長單晶硅。由于區(qū)熔法不使用坩堝，其生長的單晶硅含氧量低純度較高。

區(qū)熔法單晶硅生長工藝

（2）硅錠整型

在晶體生長爐中生長出單晶硅硅錠后，需要進(jìn)行整型處理為切片單晶硅做準(zhǔn)備。 整型處理主要分為三個步驟。

第一步是去掉兩端，硅錠兩端一般叫做籽晶端（籽晶所在位置）和非籽晶端（籽晶相對另一邊），當(dāng)兩端被去除后，可用四探針來檢查電阻以確定整個硅錠是否達(dá)到合適的雜質(zhì)均勻度。

第二步是徑向研磨，由于晶體生長中直徑和圓度控制不可能很精確，所以硅錠需要長得稍大來進(jìn)行徑向研磨，這一過程精確的直徑控制非常關(guān)鍵。

第三步是硅錠定位邊和定位槽處理，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝在硅錠上做一個定位邊來表明晶體結(jié)構(gòu)和硅片晶向，還有一個次定位邊來表明硅片的晶向和導(dǎo)電類型。 美國目前 200mm 以上的定位邊已經(jīng)被定位槽取代，一般是在硅片上的一小片區(qū)域上用激光刻上硅片有關(guān)信息。

硅錠整形處理

（3）切片

硅錠整型處理完后就是切片環(huán)節(jié)。 對于 200mm 及以下硅片，切片一般使用金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機(jī)來完成，對于 300mm 的硅片來講，由于直接較大一般都是用金剛線切割。

金剛線切割示意圖

對于硅錠來說，由于更薄的切口能讓線鋸相比內(nèi)圓切割機(jī)產(chǎn)生更薄的切口，線鋸能比傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割機(jī)生產(chǎn)出更多的硅切片。早期的線鋸采用裸露的金屬線和游離的磨料，加工過程中用將磨料加入金屬線和加工件之間產(chǎn)生切割作用，比較有代表的是以砂漿為磨料的砂漿切割工藝。目前新型的金剛線切割工藝相比砂漿切割，在切割速度、成本和單片耗材等方面有明顯優(yōu)勢，且由于成品厚度均勻使產(chǎn)品良率大幅提高。

砂漿切割工藝和金剛線切割工藝對比

（4）磨片、 倒角和刻蝕

切片完成后需要對硅片研磨、邊緣修整和刻蝕。

首先是磨片工藝，傳統(tǒng)上使用雙面機(jī)械磨片出去切片后的損傷，使硅片兩面高度平行和平坦。磨片是用墊片和帶有磨料的漿料利用旋轉(zhuǎn)的壓力完成，典型的磨料包括氧化硅、硅碳化合物和甘油。

倒角環(huán)節(jié)主要是對硅片邊緣進(jìn)行拋光修修整。硅片邊緣的裂痕和小裂縫會在硅片上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力并產(chǎn)生錯位，尤其是在硅片制備的高溫過程中，小的裂縫會在生產(chǎn)過程中成為有害沾污物的聚集地并產(chǎn)生顆粒脫落，因此平滑的邊緣對硅片制備十分重要。

刻蝕環(huán)節(jié)目的在于消除硅片表面損傷。 在硅片的各個整型環(huán)節(jié)中， 硅片表面和邊緣會收到損傷和沾污， 損傷深度和廠商的工藝水平有關(guān)，一般為幾微米深。 硅片刻蝕用化學(xué)刻蝕的方法選擇性的去除表面物質(zhì)，去除硅片表面約 20 微米以內(nèi)的損傷。刻蝕可以用酸性或者堿性化學(xué)物質(zhì)，刻蝕不同部位使用不同的化學(xué)制劑。

（5）拋光

拋光是刻蝕硅片后的重要環(huán)節(jié)，拋光工藝主要是化學(xué)機(jī)械化平坦化（CMP）， 通過機(jī)械研磨和化學(xué)液體溶解“腐蝕”的綜合作用使硅片表面高度光滑。對于 200mm 及以下硅片，CMP傳統(tǒng)上只用對表面拋光，背后仍然保留刻蝕后的表面，背面大約要比表面粗糙三倍左右。

CMP拋光機(jī)原理圖

這樣做的目的是提供一個粗糙的表面來方面器件傳送。對于 300mm 及以上硅片，硅片需要在拋光盤之間行星式運(yùn)動進(jìn)行雙面拋光，在改善表面粗糙程度的同時使硅片平坦且兩面平行。背面拋光也使硅片提交給芯片制造商前增加其潔凈程度，硅片兩面都會像鏡子一樣。

CMP拋光機(jī)示例圖

（6）清洗、評估和包裝

硅片拋光后需要清洗環(huán)節(jié)來使其保持超凈的潔凈狀態(tài)，清洗規(guī)范在過去幾年獲得了巨大發(fā)展，使硅片達(dá)到了幾乎沒有顆粒和沾污的程度。評估是用各種檢測設(shè)備確保硅片達(dá)到客戶的生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。包裝是將硅片疊放在有窄槽的塑料架中支撐硅片，碳氟化合物樹脂材料（如特氟綸）常被用于盒子材料使顆粒產(chǎn)生減少到最少，且特氟綸能作為導(dǎo)體使其不會產(chǎn)生靜電釋放。

包裝完成的硅片

硅片尺寸加大和增加外延層是未來發(fā)展方向

硅片尺寸逐步加大是硅片發(fā)展的主要方向。 硅錠直徑從 20 世紀(jì) 50 年代的初期的不到25mm 增加到現(xiàn)在的 300mm 和 400mm， 隨著硅片直徑的不斷擴(kuò)大，其厚度、面積、重量等技術(shù)參數(shù)都不斷增大。 下圖主要展示了不同尺寸硅片的參數(shù)，可以看到 400mm 直徑硅片的面積是 150mm 硅片的 7.5 倍以上，重量則是 150mm 硅片的 8 倍以上。

各級硅片的尺寸與參數(shù)

硅片尺寸不斷加大的原因是因為規(guī)模效應(yīng)。 對于 300mm 硅片來說，其面積大約比 200mm硅片多 2.25 倍， 200mm 硅片大概能生產(chǎn)出 88 塊芯片而 300mm 硅片則能生產(chǎn)出 232 塊芯片。

根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)學(xué)，每塊芯片的加工和處理時間都會相應(yīng)減少。據(jù)據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)資深教授 Michael Quirk 估計，通過設(shè)備利用率的提高，轉(zhuǎn)換到 300mm 硅片可以把每塊芯片的生產(chǎn)成本減少 30%。 首先，更大直徑的硅片可以減少邊緣芯片，提高生產(chǎn)成品率；

其次，在同一工藝過程中能一次性處理更多的芯片，設(shè)備的重復(fù)利用率提高了。硅片直徑的不斷加大給硅錠生長工藝提出了更高的要求，設(shè)備更新需求巨大。 300mm 硅錠大概有 1 米長，需要在坩堝中融化 150kg 到 300kg 的半導(dǎo)體級硅，大尺寸硅片對于設(shè)備和工藝的要求更高。 由于升級設(shè)備的成本達(dá)上億美元，晶圓廠最常見的做法是新建工廠提高生產(chǎn)直徑。

據(jù) Michael Quirk 估計，整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由 200mm 硅片升級到 300mm 硅片的花費(fèi)大概是 130 億-150 億美元， 設(shè)備升級換代需求巨大。

硅片尺寸逐漸加大

另外， 增加外延層也是硅片制備的另一個主要發(fā)展方向。 硅外延指的是在硅片上面生長一薄層硅，新的外延層會復(fù)制硅片的晶體結(jié)構(gòu)。硅外延發(fā)展你的起因是為了提高雙極器件和集成電路的性能。外延層可以優(yōu)化 pn 結(jié)的擊穿電壓且降低集成電路電阻，在始終的電流強(qiáng)度下提高了器件運(yùn)行速度。

外延工藝流程簡介

另外，外延在 CMOS 集成電路中變得更重要，因為隨著器件尺寸的不斷縮小它將閂鎖效應(yīng)降到最低。外延層的厚度也不盡相同，用于高速數(shù)字電路的典型厚度是 0.5-5um， 用于硅功率器件的典型厚度是 50-100um。

北方華創(chuàng) Esther200 單片硅外延系統(tǒng)

硅片廠快速擴(kuò)產(chǎn)，國內(nèi)投資風(fēng)起云涌，設(shè)備投資需求巨大

全球半導(dǎo)體行業(yè)高度景氣。 2016 年開始全球半導(dǎo)體行業(yè)保持高景氣度，費(fèi)城半導(dǎo)體指數(shù)和***半導(dǎo)體行業(yè)指數(shù)一路上漲，分別由 2016 年初的 600 點(diǎn)左右和 100 點(diǎn)左右上漲至今年12 月底的 1270 余點(diǎn)和 160 余點(diǎn)，增幅分別超過 100%和 70%。 根據(jù)歷史經(jīng)驗， 行業(yè)復(fù)蘇持續(xù)時間一般不小于兩年 ，此輪景氣度周期始于 2016 年下半年，有望持續(xù)至年。

費(fèi)城半導(dǎo)體指數(shù)

伴隨行業(yè)景氣度的提升， 半導(dǎo)體設(shè)備投資也進(jìn)入上行區(qū)間。 根據(jù) SEMI 的數(shù)據(jù)，預(yù)計 2017年-2019 年拋光硅晶圓與外延硅晶圓總出貨量將分別達(dá)到 11448 百萬平方英寸、 11814 百萬英寸和 12235 百萬平方英寸，同比增速分別為 8.2%、 3.2%和 3.6%， 2017 年晶圓出貨量將創(chuàng)造歷史最高紀(jì)錄， 2018-2019 年有望持續(xù)突破該數(shù)值。

全球硅晶圓出貨量預(yù)測

晶圓出貨量的大幅增加和晶圓加工技術(shù)水平的提高勢必在未來幾年對半導(dǎo)體加工設(shè)備形成持續(xù)性的需求， 全球半導(dǎo)體設(shè)備迎來新一輪投資熱潮。 2016 年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為 412 億元，同比增加 13%，為 2012年以來的階段性新高。

全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額及其增速

我國半導(dǎo)體行業(yè)的政策支持體系建設(shè)最早始于 2008 年。在國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）》中，包括了 16 個國家科技重大專項，每個專項投資數(shù)百億元，目前已公布其中 13 個。 從綱要所制定的發(fā)展目標(biāo)來看，我國半導(dǎo)體行業(yè)的國產(chǎn)替代大戰(zhàn)略將分成兩個步驟進(jìn)行，第一步是在 IC 制造、 IC 封裝測試方面將實(shí)現(xiàn)率先突破，第二步是在 IC 設(shè)計、設(shè)備和材料這 3 個方向上實(shí)現(xiàn)全方位突破，提升我國半導(dǎo)體行業(yè)整體制造水平。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， 2014 年 9 月 26 日國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司（ICF）成功注冊。 兩個重大專項的建立、《綱要》的發(fā)布與 ICF 的成立，使得集成電路產(chǎn)業(yè)成了國內(nèi)新興行業(yè)中最為政策體系支持的重點(diǎn)行業(yè)之一。

我國集成電路產(chǎn)業(yè)政策支持體系

大基金一期重點(diǎn)在制造，其中 28nm 晶圓代工和存儲是關(guān)鍵。在一期目前的投資中，晶圓制造的投資額占 65%，設(shè)計占 17%，封測占 10%，裝備材料占 8%。大基金晶圓制造方面的投資策略為：重點(diǎn)投資每個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中的骨干企業(yè)，結(jié)合投資另外一些具有一定特色的企業(yè)。大基金從兩個方面切入晶圓制造：一是存儲器，二是晶圓代工。

大基金目前一期的投資已經(jīng)取得了成效，預(yù)計 2017 年中國集成電路晶圓制造業(yè)銷售額為 1390 億元，2018年銷售額預(yù)計將進(jìn)一步攀升至 1767 億元。含外資及存儲器在內(nèi)，目前中國大陸 12 英寸晶圓廠共有 22 座，其中在建 11 座，規(guī)劃中 1 座； 8 英寸晶圓廠 18 座，其中在建 5 座。

大基金二期重點(diǎn)在設(shè)計、聚焦新興應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)高科技含量芯片的國產(chǎn)替代。 目前，大基金二期正在醞釀中， 二期將會適當(dāng)加大對于設(shè)計業(yè)的投資，圍繞智能汽車、智能電網(wǎng)、

2014 年以來大基金投資情況概覽

全球硅片供不應(yīng)求，需求持續(xù)增加而產(chǎn)能增加緩慢

從各個尺寸的晶圓月產(chǎn)情況占比來看， 大尺寸硅片市場持續(xù)擴(kuò)大，擠壓 200mm 及以下市場空間。 近年來 300mm 硅片占比持續(xù)提升，從 2014 年的 61.1%上升到 2020 年的 68.4%。150mm 和 200mm 硅片的市場將被逐步擠壓，預(yù)計 2020 年二者合計占比由 2014 年的 40%左右下降到 2020 年的 30%左右， 而更大尺寸 450mm 產(chǎn)能將在 19 年開始逐步投建。

2014-2020 年 12 月全球晶圓月產(chǎn)能情況

全球半導(dǎo)體行業(yè)高度景氣，硅片制造作為芯片制造的第一個環(huán)節(jié)需求巨大，目前主流300mm 和 200mm 硅片均屬于供不應(yīng)求狀態(tài)。

以目前全球最大的硅片廠商 SUMCO 為例，2016 年-2020 年其全球客戶的 300mm 晶圓擴(kuò)產(chǎn)計劃就超過了 147.5 萬片/月。 其中中國地區(qū)的國外廠商擴(kuò)產(chǎn)計劃為 36 萬片/月，本土原有產(chǎn)商的擴(kuò)產(chǎn)計劃為 20 萬片/月，新客戶擴(kuò)產(chǎn)計劃為 32-42 萬片/月。其中值得注意的是位于武漢的新晉半導(dǎo)體企業(yè)長江存儲，其一家的 3D-NAND 的項目擴(kuò)產(chǎn)計劃就達(dá) 20-30萬片/月。 我們預(yù)計，隨著 2D-NAND 的占比逐步下滑， 3D-NAND 有望成為未來晶圓需求的重要推動力量。

SUMCO 的客戶擴(kuò)產(chǎn)計劃

根據(jù) SUMCO 公司預(yù)計，未來三年 300mm 硅片需求將持續(xù)增加。 2020 年新增硅片月需求預(yù)計超過 750 萬片/月，較 2017 年增加 200 萬片/月以上，需求提升 36%，從 2017-2022年復(fù)合需求增速超過 9.7%，值得注意的是，以上測算需求還沒有考慮部分中國戶。

300mm 硅片需求量（千片/月）

硅片供給屬于寡頭壟斷市場， 2017 年格局有所改變但擴(kuò)產(chǎn)速度仍然較慢。 目前硅片供應(yīng)商主要以日系為主， 信越化學(xué)(Shin-Etsu)和三菱住友(Sumco)兩家的合計市占率接近 60%，寡頭壟斷特征明顯。進(jìn)入 2017 年，市場格局有所改變，首先是環(huán)球晶圓 6.83 億美元收購了SunEdision，兩家合計市占率將達(dá) 15.5%，另外是 SK Group 收購了 LG Siltron。

2016年硅片廠市占率

總體來說，前五大產(chǎn)商占據(jù)了世界上 91.3%的硅片供應(yīng)量，而眾多寡頭在本輪行業(yè)高景氣中擴(kuò)產(chǎn)緩慢，各大廠商以漲價和穩(wěn)固市占率為主要策略，到目前為止僅有 SUMCO 發(fā)布了 550 億日元的投資項目，預(yù)計在 2019 年上半年增加 300mm 硅片 11 萬片/月。

2017年硅片廠市占率

由于需求旺盛而供給不足，下游半導(dǎo)體企業(yè)庫存逐步下降，硅片價格逐步上升。 根據(jù)SUMCO 預(yù)計，其客戶的庫存指數(shù)從 2017 年開始逐步下降，庫存目前已達(dá)到近幾年的最低水平。另外，根據(jù) SUMCO 預(yù)計， 300mm 硅片在 2017 年 Q4 預(yù)計漲價 20%，進(jìn)一步在2018 年漲價 20%，未來幾年硅片供給仍然存在明顯缺口。

SUMCO 客戶的 300mm 硅片庫存指數(shù)水平

200mm 硅片也處于供不應(yīng)求狀態(tài)，需求穩(wěn)步提升但供給增長乏力。 未來可預(yù)見的 3年，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等需求的仍將保持高增長，其他需求減弱（部分原因包括 12 寸對于 8 寸的替代）。 到 2020 年 200mm 硅片需求量將達(dá) 574 萬片/月， 比 2016 年底的 460 萬片/月增加 24.78%。 供給方面， Sumco 公司表示由于制備硅片的所需設(shè)備“極難購入”，未來很難進(jìn)一步擴(kuò)充產(chǎn)能。 預(yù)計未來幾年 200mm 硅片也將處于供給緊平衡中。

200mm 硅片需求量（千片/月）

國內(nèi)硅片投資風(fēng)起云涌，設(shè)備需求巨大

晶圓廠產(chǎn)能向大陸轉(zhuǎn)移趨勢明顯。 根據(jù) SEMI 的統(tǒng)計，未來四年全球?qū)⑿陆?62 座晶圓廠，其中 26 座集中于中國大陸地區(qū)。未來， 中國大陸晶圓廠產(chǎn)能更加飽滿， 對晶圓產(chǎn)能的壟斷性加強(qiáng)， 其議價能力也將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提高。

硅片供需緊張，國外寡頭擴(kuò)產(chǎn)緩慢， 國內(nèi)硅片制造商開始大規(guī)模投資。 根據(jù)我們統(tǒng)計近年來主要企業(yè)的大硅片項目投資為 586 億元左右，設(shè)備投資為 498 億元左右，設(shè)備投資占總投資的 85%左右。另外昆山中辰、河北普興、南京國盛和中電科 46 所等企業(yè)也在積極籌備大硅片擴(kuò)產(chǎn)項目，最近幾年將會有多個大硅片項目投資落地，極大地拉動了硅片設(shè)備的投資需求。

國內(nèi)公司積極擴(kuò)產(chǎn)，新老龍頭群雄并起。 以新晟半導(dǎo)體為例，公司成立于 2014 年 6 月，坐落于臨港重裝備區(qū)內(nèi)，總投資為 68 億元，一期項目投資為 23 億元。新晟目前是國內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體硅片制造商，一期項目主要是在國內(nèi)研發(fā)制造適用于 40-28nm 節(jié)點(diǎn)的 300mm單晶硅硅片，一期預(yù)計月產(chǎn) 15 萬片，全部達(dá)產(chǎn)后產(chǎn)能規(guī)劃每月 60 萬片。另外中環(huán)+晶盛、京東方、合晶等企業(yè)也在近期陸續(xù)公布了其大硅片投資擴(kuò)產(chǎn)計劃，投資額最大的是中環(huán)和晶盛聯(lián)合無錫市政府簽訂的總投資約 30 億美元（200 億人民幣）的“集成電路大硅片項目”計劃。

國內(nèi)大硅片擴(kuò)產(chǎn)及投資統(tǒng)計

根據(jù)我們的測算，每月 1 萬片的 12 寸硅片項目總投資在 1.1 億元左右，其中 85%是設(shè)備投資。 在設(shè)備投資中，拉晶爐、拋光機(jī)和測試設(shè)備是投資額最大的三種設(shè)備，分別占總設(shè)備投資的 25%、 25%和 20%左右，切割機(jī)、研磨機(jī)、清洗設(shè)備和耗材占比較小，每部分占比在 5%-10%之間。

其中晶盛機(jī)電在拉晶爐方面優(yōu)勢最為明顯，目前公司 12 寸拉晶爐方面已經(jīng)可以生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，未來有望憑借技術(shù)、服務(wù)等優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代；拋光機(jī)方面，晶盛半導(dǎo)體單晶硅滾磨一體機(jī)可以一次性完成硅錠的滾磨和定位邊磨削兩大工藝，現(xiàn)在又與美國 Revasum 公司合作生產(chǎn) CMP 拋光機(jī)，未來發(fā)展空間巨大； 另外晶盛在耗材方面也有布局。 我們認(rèn)為晶盛機(jī)電目前在硅片制備環(huán)節(jié)掌握多種核心技術(shù)， 所布局設(shè)備占設(shè)備投資的 50%以上，未來有望在硅片國產(chǎn)化大潮中搶占先機(jī)、快速發(fā)展。

各類設(shè)備投資占比

我們根據(jù)目前公布的國內(nèi)大硅片投資，我們預(yù)測未來四年設(shè)備投資總額大概為 498.1 億元，設(shè)備投資占總投資的 85%左右。 分年度投資來說， 2017 年-2020 年每年設(shè)備投資額大概為60、 106、 170、 250 億元。其中，拉晶爐、拋光機(jī)、測試設(shè)備、切割機(jī)、研磨機(jī)、清洗機(jī)和耗材分別占比為 25%、 25%、 20%、 10%、 5%、 10%、 5%，四年合計投資額大概為 124.5、124.5、 99.6、 49.8、 24.9、 49.8、 24.9 億元。

2017-2020 年各類設(shè)備投資額預(yù)測

硅片設(shè)備投資巨大，進(jìn)口替代東風(fēng)已起

硅片制備環(huán)節(jié)復(fù)雜， 使用設(shè)備眾多。 從晶體生長， 硅錠整型、 切片、磨片倒角刻蝕、拋光、清洗、評估和包裝環(huán)節(jié)來看，需要使用的主要設(shè)備包括拉晶爐、拋光機(jī)、測試設(shè)備、切割機(jī)、清洗設(shè)備等。從價值量來看，拉晶爐、拋光機(jī)和測試設(shè)備占比較高，一共占設(shè)備投資的 70%左右。 目前硅片設(shè)備主要以國外為主， 目前國內(nèi)在拉晶爐、切割、磨削等設(shè)備上較大突破，未來有望在外延爐、 CMP 等設(shè)備上實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

硅片制備環(huán)節(jié)主要設(shè)備簡介

（1）拉晶爐

目前國內(nèi)拉晶爐技術(shù)水平進(jìn)步迅速， 逐步可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。 國外硅片廠 SUMCO 和信越化學(xué)的設(shè)備都由自己子公司生產(chǎn)，不對外銷售。 國內(nèi)硅片廠采購韓國、德國設(shè)備，如韓國STECH 公司拉晶爐。 國內(nèi)廠商 300mm 拉晶爐技術(shù)逐步成型，目前比較有名的有晶能科技和晶盛機(jī)電。國外拉晶爐均價在 2000 萬元左右，國內(nèi)廠商具有明顯價格和服務(wù)等方面優(yōu)勢。

晶能科技成立于 2015 年 3 月，位于南京經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)。公司專業(yè)從事 300mm 半導(dǎo)體級單晶爐的研發(fā)和制造，能夠滿足 28nm 以上半導(dǎo)體晶圓廠對材料的性能和成本要求。公司300mm 半導(dǎo)體級拉晶爐已經(jīng)于 2016 年向上海新晟供貨，目前拉晶爐運(yùn)行穩(wěn)定。公司未來有望顯著受益于硅片國產(chǎn)化。

晶能科技拉晶爐

晶盛機(jī)電成立于 2006 年，是國內(nèi)先進(jìn)的拉晶爐生產(chǎn)制造商。 目前公司 300mm 拉晶爐已經(jīng)可以生長出合格的晶片，未來有望憑借公司技術(shù)渠道優(yōu)勢在硅片國產(chǎn)化進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)快速增長。

晶盛電機(jī)拉晶爐

（2）CMP

CMP 領(lǐng)域中，美國應(yīng)用材料公司（AMAT）和日本荏原制作所（EBARA）占據(jù)著 300mm晶元的絕大部分市場，兩家大約各占 40%市占率。 國內(nèi)晶盛機(jī)電、 華海清科、盛美半導(dǎo)體和中電 45 所有涉足該領(lǐng)域， 華海清科目前有一臺供貨到中芯國際，運(yùn)營穩(wěn)定可以處理 1萬片/月。 晶盛機(jī)電近日與 Revasum 簽訂協(xié)議，擬利用 Revasum 技術(shù)和公司生產(chǎn)和銷售優(yōu)勢，為 Revasum 生產(chǎn) 200mm 晶元用 CMP 設(shè)備。

美國應(yīng)用材料公司創(chuàng)立于 1967 年，目前全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備和服務(wù)供應(yīng)商。公司的主要產(chǎn)品為芯片制造相關(guān)類產(chǎn)品，覆蓋半導(dǎo)體生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)。公司主要客戶包括超微半導(dǎo)體、英特爾、三星等全球知名半導(dǎo)體晶圓與集成電路制造商。近年公司營業(yè)收入增長穩(wěn)定，硅系統(tǒng)組收入成為主要業(yè)務(wù)收入來源。 2010-2016 年， 公司營業(yè)收入由 105.2 億美元增加至 168.33 億美元；伴隨規(guī)模擴(kuò)張，公司毛利率由 2010 年的 41.5% 提升至 2016 年的44.9% ， 增幅超過 3 個百分點(diǎn)。 公司沒有公布細(xì)分業(yè)務(wù)的收入情況， 但其在 2016 年年報分析中分析道，業(yè)績增長的一大主要原因是來自 CMP 業(yè)務(wù)需求的迅猛增加。

應(yīng)用材料的主營業(yè)務(wù)和增速

日本荏原制作所于 1912 年成立于日本東京，主要業(yè)務(wù)是設(shè)計和制造工業(yè)機(jī)械設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。荏原制作所收入增長穩(wěn)定， CMP 業(yè)務(wù)開始爆發(fā)。 2010 年-2016 年，公司收入由 47.0 億美元下降到 44.0 億美元，凈利潤由 3.31 億美元減少到 1.79 億美元。 公司營業(yè)收入逐步下降， CMP 業(yè)務(wù)成為少數(shù)快速增長的業(yè)務(wù)。 該部分收入由 2015 年的 3.54 億美元增加到 2016 年的 5.97 億美元，同比增長 68.8%。 2016 年公司 CMP 業(yè)務(wù)新增訂單為 6.72 億美元，超過同年業(yè)務(wù)收入，反映了市場旺盛的需求。

荏原制作所營收及利潤

（3）其它主要設(shè)備

測試設(shè)備主要包括 KOA 量測，微粒檢測和平感度精測設(shè)備。 硅片制備中會出現(xiàn)點(diǎn)缺陷、位錯和層錯等各種缺陷，晶胞錯位會導(dǎo)致硅片的質(zhì)量大幅下降，檢測設(shè)備顆粒要求達(dá) 32nm級別。 測試設(shè)備單價高、技術(shù)先進(jìn)，一臺設(shè)備平均在 350 萬美元左右， 美國應(yīng)用材料公司檢測設(shè)備全球領(lǐng)先， 目前國內(nèi)公司介入較少。

應(yīng)用材料公司 DUV 亮場硅片檢測設(shè)備

切割和磨削等設(shè)備技術(shù)水平相對較低，國產(chǎn)設(shè)備有很大機(jī)會。 其中， 切片工藝目前逐步更新為金剛線切割，日本小松等企業(yè)技術(shù)領(lǐng)先， 金剛線切片工藝中設(shè)備價格相對較低，耗材較貴。 預(yù)計在 2018 年后單晶硅切片市場中金剛線切割工藝市場滲透率將超過 70%。

金剛線市場中，日本的旭金剛石（Asahi Diamond），中村超硬（Nakamura）占據(jù)較高市場份額，國內(nèi)主要企業(yè)包括岱勒新材、三超新材等企業(yè)。

金剛線切割示意圖

硅片外延近年來成為硅片工藝的一大趨勢，外延爐需求巨大。 我們預(yù)計，每月 1 萬片產(chǎn)能的 300mm 硅片外延層的設(shè)備投資大概在 2000-3000 萬元左右，未來有望成為設(shè)備投資主要新方向。 目前外延爐產(chǎn)商主要是 AMAT 和 ASM 公司， 前者的市占率在 90%，國內(nèi)企業(yè)北方華創(chuàng)也生產(chǎn)外延爐設(shè)備。