自主裝備助力打造中國“芯”

文=劉振宇 樊 可

大規模集成電路（IC）是二十世紀人類最重大的發明之一，也是人類社會大規模生產的最精密的產品之一。1947年貝爾實驗室的肖克利等三位科學家發明了第一個晶體管，推開了半導體行業發展的大門。1957年第一塊集成電路（IC）在德州儀器（TI）誕生，并在此后取得了長足的發展，目前先進制程的芯片上晶體管數量已可達到百億級別。

下游需求始終是推動半導體產業進步的動力源泉。從20世紀70年代以來，伴隨著電腦、手機和平板產品消費的持續增長，全球半導體行業實現了快速發展，全球半導體市場規模由最初的十億美元規模增長至2017年的4087億美元。未來幾年隨著汽車電子、云計算、大數據、AI等行業的興起，預計半導體行業規模仍將持續增長。據世界半導體貿易統計組織（WSTS）預計，到2018年全球半導體行業銷售規模將達到4110億美元。

集成電路是半導體產業的核心，通常將半導體和集成電路等價。根據產品類型的差異，半導體元器件可分為集成電路、分立器件、光電子器件和微型傳感器等。根據WSTS統計，2017年全球集成電路銷售額高達3402億美元，占半導體市場的83.33%，其中存儲器、邏輯器件、微芯片和模擬器件分別占30%、25%、15%和13%。

半導體行業發展符合“摩爾定律”

自大規模產業化生產開始以來，在市場需求與技術進步的雙重作用下，IC芯片技術發生了日新月異的變化。考究過去五十年間半導體產業的發展，基本符合“摩爾定律”：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。近年來隨著芯片制程逐步逼近物理極限，摩爾定律出現放緩的跡象，但新技術的不斷推出仍使得這一規律大致有效。

制程工藝是指在生產集成電路過程中所采用的線路的寬度。線路越窄，則在相同尺寸的晶圓上可以容納更多的電子元件，從而增加芯片的運算效率，并降低耗電量。芯片制造工藝從20世紀70年代開始不斷精進，從10微米（um）提升到當前的10納米（nm）。目前國際領先的IC廠商均已實現10nm工藝的量產，代工巨頭臺積電（TSMC）更是領先一步，即將實現7納米量產。但隨著物理極限的逼近，芯片制程提升的周期在拉長，同時成本也在指數級提升，經濟性變差，這都為后來者的追趕創造了機會。

為了降低芯片成本，需要不斷地提高生產的效率，一方面是提高產品的良率，另一方面是改進工藝，不斷變大的晶圓尺寸就是發展趨勢之一。芯片（chip）生產過程第一步是在圓形晶圓（Wafer）上制造出一個個集成電路，再切割成一個個長方形晶片（die），在切割的過程中必須切掉邊緣部分不完整的電路。因此晶片越大，容納的電路越多，廢棄的比例越少，同時也降低了成本，但其要求的材料技術和生產技術也更高。

從20世紀70年代至今晶圓尺寸逐步由100mm（4英寸）發展至當前的主流路線300mm（12英寸）。根據IC Insight統計，2016年全球晶圓出貨量為10738MSI（百萬平方英寸），其中300mm晶圓占全球晶圓產能的63.6%，預計到2021年，全球將有123家12英寸晶圓廠，產能占比將達到71.2%。18英寸晶圓技術尚未成熟，且成本高昂，需求不足，目前尚未達到量產階段。未來幾年內300mm（12英寸）晶圓仍將是主流技術路線。

技術進步推升投資規模，Fabless模式應運而生

芯片制造可以分為芯片設計、晶圓制造、封裝測試三個環節。

芯片設計是將系統、邏輯與性能的設計要求轉化為具體的物理版圖的過程，也是一個把產品從抽象的過程一步步具體化的過程。這一環節輸出的是集成電路設計圖紙。

晶圓制造的過程是設計成果轉化成最終物理產品的過程。通過一定的工藝方式在硅片襯底上制造出電路所需要的晶體管、二極管、電阻器和電容器等元器件，并連接起來，形成具有特定計算能力的芯片（Die，裸片）。

封裝是指把晶圓制造環節所生產的裸片放在一塊起到承載作用的基板上，并把管腳引出來，然后固定包裝成一個整體。芯片面積與封裝面積比值可以用來衡量封裝技術的先進性。

測試包括芯片設計中的設計驗證、晶圓制造中的晶圓檢測（Probe Test）和封裝完成后的成品測試（Final Test）。一般將封裝后的測試環節與封裝環節合稱為封裝測試。

根據WSTS統計，2015年全球芯片設計、晶圓制造和封裝測試的收入分別約占產業鏈整體銷售收入的27%、51%和22%。

半導體行業發展是一個逐步專業化分工的過程。早期的集成電路企業以IDM（Integrated Device Manufacturing）模式為主，也稱為垂直集成模式，即IC 制造商自行設計、并將自行生產加工、封裝、測試后的成品芯片銷售。目前這類企業典型包括三星（Samsung）、英特爾（Intel）等。半導體設備行業率先于20世紀60年代分離出來，成為獨立的公司。此后EDA（電子設計自動化）軟件企業也于20世紀70年代分離出來。

與半導體工藝技術的進步同步出現的是成本的飆升。1995 年以來，芯片制造工藝經歷了從 0.5 微米到目前 28nm、16/14nm 的發展過程，從65nm 開始，晶圓制造生產線投資呈幾何級數的增長。以芯片制造過程中必須使用的光罩（MASK）為例，55nm的MASK費用約為400萬元人民幣，40nm的MASK費用約為700萬元人民幣，28nm的MASK費用約為1500萬元人民幣左右，16nm的MASK費用更高達4000萬元人民幣左右。晶圓廠的投資更是水漲船高，以月產3萬片12英寸20nm制程的晶圓生產線為例，建造成本約為70億美元。臺積電披露其最新7nm工廠預計投資將達到5000億新臺幣（約合170億美元）。隨著集成電路制程節點的縮小，制造技術難度成倍增加，能跟隨工藝發展的制造廠商越來越少。

1987年臺積電（TSMC）成立，開創性提出了Foundry模式，專注代工生產，為客戶提供芯片生產和測試服務。與臺積電Foundry模式對應，其客戶可以專注于芯片設計開發，而不需要自建工廠生產，被稱為Fabless（無工廠）模式。典型的Fabless公司包括ARM、AMD和高通等。國內絕大多數芯片企業都采用Fabless模式，從而避免投入巨量資金建設工廠。

由于Fabless模式充分體現了專業化分工的優勢，因此被大部分集成電路設計企業采用。這一模式下芯片設計企業（Fabless）、晶圓制造代工企業（Foundry）、封裝測試企業（Package & Testing House）分離成集成電路產業鏈中的獨立一環，因此也被稱為垂直分工模式。目前雖然全球半導體前20大廠商中大部分仍為IDM廠商，如三星（Samsung）、英特爾（Intel）等，但由于近年來半導體技術研發成本以及晶圓生產線投資成本呈指數級上揚，更多的IDM廠商開始采用輕晶圓制造（Fab-lite）模式，即將晶圓委托晶圓制造代工企業廠商制造，甚至直接變成獨立的芯片設計企業，如超微（AMD）、恩智浦（NXP）和瑞薩（Renesas）等，垂直分工已成為半導體行業經營模式的發展方向。

在垂直分工模式下，IC設計企業（Fabless）只需要完成芯片開發與銷售工作即可，晶圓制造代工企業（Foundry）與封裝測試企業（Package & Testing House）通過外包的形式完成制造工作。Fabless模式大大降低了IC行業的進入門檻，目前國內IC設計公司大多數都采用了Fabless模式，典型有海思半導體（HiSilicon）、展訊（SpreadTrum）等。同時一批專業代工企業也逐步發展起來，如晶圓代工企業中芯國際（SMIC）、長電科技等。

中國市場已成為半導體行業發展的主戰場

（一）世界半導體市場仍由歐美日韓巨頭主導

根據WSTS統計數據，受存儲器價格上漲影響，2017年全球半導體行業銷售收入再次實現高速增長，銷售額達到4087億美元，其中集成電路行業實現銷售收入3402億美元。WSTS預計2018年半導體行業整體銷售額可達到4373億美元。

從供給端看，全球 IC 行業高度集中，美、歐、日、韓企業占據主導。根據Gartner統計，2017年世界前10大IC廠商銷售額高達2453.02億美元（未包括代工廠商），占全行業銷售收入的58.44%。其中三星憑借612.15億美元的銷售收入登頂，英特爾以577.12億美元收入居于次席，SK海力士以263.09億美元收入位居第三。臺積電以330億美元收入占據晶圓代工市場56%左右的份額。根據拓墣產業研究院預計，2017年全球晶圓代工總產值約為573億美元，整體增長7.1%。大陸企業中芯國際以30.99億美元收入位居代工企業第四，華虹宏力以8.07億美元收入位居第九。

從消費端看，大陸地區是全球最大半導體市場。2017年我國IC市場消費規模超過1.3萬億元人民幣。近幾年隨著國內電子行業的崛起，智能手機、平板電腦、汽車電子、工業控制、儀器儀表以及智能家居等物聯網市場快速發展，已在全球市場占據領先地位，同時對各類IC產品需求不斷增長。2000年我國IC市場消費規模僅為945億元人民幣，到2017年已增長至13215.6億元人民幣。2017年中國IC市場消費規模占全球市場的61%，并保持10%以上的增速。

集成電路產品已成為我國最大宗進口商品。過去幾年中，國內IC企業雖然實現了較快增長，但自給率仍然較低。2017年我國半導體行業產生的貿易逆差達1925億美元。

（二）國內IC行業初具規模，但自給率仍然較低

近年國內IC產業高速發展，2010年國內IC行業銷售額為1342億元人民幣，2017年實現銷售額5427億元，平均年復合增長率高達22.1%，遠高于全球行業整體增速。我們預計未來幾年行業增速仍將保持在20%以上。

根據Wind公布的集成電路產量數據來看，2016年和2017年我國集成電路產品產量分別以21.04%和19.46%的增速持續創造新高，2017年總產量已達1391.90億塊。

國內封測與設計環節發展較快，晶圓代工仍需努力。IC封裝測試行業特性與晶圓代工類似，以成本優勢和資本優勢作為重要的競爭力，但相對而言對資本的需求低，成本優勢更加顯著，技術難度也更低，因此成為中國企業進軍IC行業的突破口。2017年封測行業收入占全國IC行業總收入的39%。根據Yole Développement發布的《先進封裝產業現狀-2017版》報告，中國企業長電科技以7.8%的市場份額，超過日月光、安靠（Amkor）、臺積電及三星等公司，位列全球先進封裝行業第三。

基于貼近終端市場的優勢，國內IC設計企業也迅速崛起。根據IC Insight 統計，2009年國內僅有海思半導體一家企業入圍世界芯片設計五十強，到2016年這一數據已增長至11家。其中展訊與海思已進入全球前10強之列。

與設計和封裝測試行業形成對比的是，國內企業在晶圓制造環節仍是短板。國內領先代工企業中芯國際（SMIC）與華虹雖然進入了全球代工企業前十，但與臺積電相比在產能上還有相當大的差距，并且技術上也落后2-3個世代。晶圓制造是國內IC行業最為薄弱的一環，也是未來幾年投資的重點方向。

（三）政策與市場雙重推動，未來兩年將迎國內建廠高潮

一是“政策+資金”，助力國內IC企業崛起。2020年基本建成技術先進、安全可靠的集成電路產業體系。近年來我國政府持續出臺各種鼓勵政策，從財政稅收、基礎建設等多方面支持其發展。2015年《中國制造2025——重點領域技術路線圖》中提出：到2020年，集成電路產業與國際先進水平的差距逐步縮小，全行業銷售收入年均增速超過20%，企業可持續發展能力大幅增強。移動智能終端、網絡通信、云計算、物聯網、大數據等重點領域集成電路設計技術達到國際領先水平，產業生態體系初步形成。16/14nm制造工藝實現規模量產，封裝測試技術達到國際領先水平，關鍵裝備和材料進入國際采購體系，基本建成技術先進、安全可靠的集成電路產業體系。

2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》正式實施，作為核心配套措施，由財政部牽頭成立了“國家集成電路產業投資基金”（大基金），以公司形式投資并扶植國內IC行業重點公司，同時撬動更大規模的投資以解決IC行業投資規模大、周期長、風險大、社會資本不愿意進入的問題。截至2017年6月，國家集成電路產業投資基金一期投資規模已達1387億元。另據《中國證券報》3月2日的報道，目前大基金二期正在募資，預計規模將在1500億-2000億元左右。

大基金一期投資重點在制造環節，投資了中芯國際、長江存儲、三安光電等一批高端晶圓制造項目。二期重點在設計，聚焦新興應用，圍繞國家戰略和新興行業，比如智能汽車、智能電網、人工智能、物聯網、5G等領域進行投資規劃。

除財政部牽頭的大基金之外，多地政府也針對IC行業成立了有針對性的產業基金。北京市于2013年12月成立了集成電路產業發展基金，募集總規模為300億元；上海市于2016年1月成立的產業基金總規模為500億元；陜西省于2016年8月成立的產業基金初期規模為60億元，目標規模300億元；南京市于2016年12月成立了總規模達到600億元的產業基金。根據我們的統計，國內各地地方政府主導成立的集成電路產業發展基金總規模接近5000億元。

在國內資金涌入IC行業的同時，基于接近終端消費市場和降低成本的考慮，各大國際IC廠商也開始在中國境內投資建設工廠，包括英特爾、三星、格羅方德、日月光等。

二是全球 IC 產業向中國轉移的趨勢明顯。據國際半導體設備材料產業協會（SEMI）公布數據顯示，2017-2020年，全球將新建62座晶圓廠投入營運，其中26座落戶中國，占比高達42%。2017年中國境內有6座新建的晶圓廠投產，2018年將達到峰值，預計將有多達13座晶圓廠投產。

集成電路項目資本開支中，設備是占比最大的一類，高達60%-70%。國內晶圓制造項目投資高峰無疑也將帶來新一輪設備采購的高峰，利好國內相關專用設備廠商。預計未來幾年國內半導體專用設備年市場規模可達千億規模。

內資廠商與國內設備企業共攀先進制程高峰

從物理制造流程來看，集成電路制造可以分為晶片制造、晶圓制造和封裝測試三個環節。IC產業對設備的需要也都集中在這三個環節上。其中晶圓制造環節又稱為前段（Front End），封裝測試環節又被稱為后段（Back End）。

晶圓制造設備是半導體設備的核心。根據SEMI統計，全球半導體設備銷售額中晶圓處理設備占比80%，其中光刻設備、鍍膜設備和刻蝕設備分別占20%、15%和15%，其他晶圓處理相關設備占30%。

晶圓制造是IC生產環節中技術難度最大，也是價值量最高的一環。晶圓制造的過程是將IC設計階段所產生的電路設計成果轉化到硅晶片上，并生產出能夠實現設計功能的裸晶。制造環節主要的工藝包括薄膜、圖形化、摻雜和熱處理。隨著集成電路技術的進步，目前使用的先進芯片大多具有幾十層的結構，在生產的過程中需要反復多次進行薄膜、圖形化、摻雜和熱處理過程，因此也對相關設備產生了大量的需求。

薄膜工藝是在晶圓表面形成薄膜的加工工藝，這些薄膜可能是不同的材料，并使用多種工藝生長或沉積而成。通用的沉淀技術包括物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、蒸發和濺射、分子束、外延生長、分子束外延和原子層沉積（ALD）等。生長技術包括氧化工藝和氮化工藝等。

圖形化工藝是通過一系列生產步驟將晶圓表面薄膜的特定部分除去的工藝，此后晶圓表面會留下帶有微圖形結構的薄膜。主要工藝是光刻。圖形化是四個基本工藝中最關鍵的一步，確定了器件的關鍵尺寸。

摻雜是將特定的雜質通過薄膜開口引入晶圓表層的工藝過程，可在晶圓表層建立兜形區。摻雜的主要工藝方法包括熱擴散和離子注入兩種。

熱處理是簡單地將晶圓加熱和冷卻來達到特定結果的制程。熱處理并不會在晶圓上增加或減少任何物質，但可以消除離子注入所產生的損傷、改善金屬導線性能或者去除晶圓表面光刻膠中溶劑。

一代設備，一代器件。薄膜、圖形化、摻雜和熱處理等工藝環節都需要使用對應的設備，常用的包括：擴散爐、氧化爐、CVD爐、濕法刻蝕機、離子刻蝕機、光刻機、清洗機和拋光機等類設備。晶圓生產完成后，檢驗合格的產品會送往封裝工廠進行封裝。在封裝測試環節會使用到劃片機、鍵合機、測試機等設備。在提升芯片制程技術時，芯片制造廠商需要與設備產商協力研發新一代技術所需的專用設備，因此有了“一代設備，一代器件”的說法。

全球集成電路設備市場規模在800億美元左右。根據IC Insight統計，2017年全球集成電路設備市場達到912億美元，增長36%。另外IC Insight預測未來5年全球集成電路設備市場規模仍然巨大，將保持在800億美元左右。

晶圓設備投資是集成電路設備投資中最主要的部分。根據SEMI發布的世界晶圓產線報告，2017年全球晶圓設備支出達到570億美元，增長41%，預計2018年將繼續增長11%至630億美元。

中國和韓國（三星與SK海力士天量投資）在晶圓生產設備上的投資是造成全球支出高速增長的主要原因。我們認為隨著國內半導體行業投資的走高，未來幾年國內設備投資規模有望達到年均千億，國內設備廠商也將迎來一輪歷史性成長機會。

國內投資高峰帶來設備廠商崛起的歷史機遇

（一）集成電路專用設備市場外企為主，國產化突破可期

全球集成電路專用設備生產商以美、歐、日企業為主，主要包括美國應用材料公司（Applied Materials）、荷蘭阿斯美爾（ASML）、美國泛林半導體（Lam Research）、日本東京電子（Tokyo Electron）、美國科磊（KLA-Tencor）等。根據Gartner統計的數據，2016年前十大設備廠商銷售額合計達到294億美元，合計市占率達到79%。其中應用材料公司以77.36億美元的收入，占有了20.68%的市場份額。在細分領域上集中度甚至更高，通常行業前三市占率可達到90%以上。比如在光刻機領域ASML一家獨大，市占率高達80%以上。

我國集成電路專用設備行業市場份額仍主要由國外知名企業所占據。外企企業憑借較強的技術、品牌優勢，在高端市場占據領先地位，面對我國巨大的市場需求和相對較低的生產成本，紛紛通過在我國建立獨資企業、合資建廠的方式占領大部分國內市場。

根據中國電子專業設備工業協會統計，2016 年中國大陸半導體設備的市場規模（泛半導體，包括集成電路、LED、光伏）為 72.88 億美元，其中進口設備的市場規模為64.6億美元，同比增長 31.8%，國產設備的市場規模為57億元（折合8.28億美元），國產設備占比為11.36%。國產設備中IC裝備占比為50%，約為28.5億元（折合4.14億美元）。

在國家科技重大專項之“極大規模集成電路制造裝備與成套工藝專項”（02專項）的大力支持和推動下，我國集成電路設備制造行業已實現從無到有、從低端裝備到高端裝備的突破，部分集成電路關鍵裝備通過02專項驗收并投入規模化生產中，包括90nm-65nm等離子體介質刻蝕機、45nm-32nm等離子體介質刻蝕機、65nm硅柵刻蝕機、封裝光刻機等設備。總的來看，除光刻機這一核心產品外，國內廠商已能夠接近或達到28nm制程要求，與國內領軍企業目前的制程水平基本一致，能夠滿足國內廠商建廠需求。中微半導體7nm深硅刻蝕機已成功進入臺積電7nm先進制程生產線，達到了國際一流水平。目前國內半導體廠商14nm工藝仍處于研發階段，北方華創等國內領先設備企業有機會共同參與研發相關專用設備。

《中國制造2025》對于半導體設備國產化提出了明確要求：在2020年之前，90—32納米工藝設備國產化率達到50%，實現90納米光刻機國產化，封測關鍵設備國產化率達到50%。在2025年之前，20－14納米工藝設備國產化率達到30%，實現浸沒式光刻機國產化。到2030年，實現18英寸工藝設備、EUV光刻機、封測設備的國產化。國內具有足夠技術儲備的設備廠商將能夠借助本輪投資高峰登上世界的舞臺。

（二）內資企業投資高峰為國產設備創造成長機會

近兩年中國晶圓廠房建設投入創下歷史紀錄。SEMI預計2017-2018年中國境內晶圓廠房土建投入分別為60億和66億美元，創下歷史紀錄。其中國內企業的投資額也首次超過了外國企業在華投資額。

晶圓廠建設高峰意味著后續更多的配套設備支出。2013-2017年，國內企業每年的晶圓設備投資額（國內市場投資部分）通常保持在15億-25億美元，而國外企業每年的投資額在25億-50億美元。SEMI預計2018年國外企業將在中國投資63億晶圓設備，同時中國企業的投資額將達到58億美元，將進一步縮小與在中國投資的國外企業的差距。

外資企業都已經形成了全球穩定的供應鏈關系，基于生產穩定性的考慮，核心部分采購一般不會考慮國內廠商，因此其投資對國內設備企業難以形成有力的拉動。國內半導體企業一方面技術水平相對落后，在提升制程的過程中需要設備廠商配合研發，同時在政策的引導下能夠加大與國內設備廠商的合作力度，因此我們認為，國內企業在晶圓設備投資上的增加將為國內集成電路專用設備廠商創造快速發展的機遇。

以2018年國內企業投資額預測數據（58億美元）作為目標市場，扣除其中技術門檻較高的光刻機部分（假設占比為25%），國產設備廠商可以進軍的市場空間可達43.5億美元。如假設內資采購部分國產化率達到35%，國產設備廠商的銷售額可達到20億美元左右，接近2016年國產半導體設備銷售額的5倍。假設2019年國內投資額與2018年持平，但國產化率達到40%，則國產設備廠商的銷售額可達到23億美元。在上述假設條件下，2018-2019年國產設備銷售額合計可達到43億美元，約合270億元人民幣（假設匯率為6.3）。

晶圓廠所需設備包括光刻設備、鍍膜設備、刻蝕設備和其他輔助設備四大類，在整體設備采購額中占比分別約為25%、18.5%、18.5%和38%。以2018年國內企業投資額預測數據（58億美元）作為目標市場，則上述四類設備市場規模分別為14.5億美元、10.73億美元、10.73億美元和22億美元。