2.1、硅片制造設備

2.1.1、硅片制造難度大，設備種類多

硅片是半導體、光伏電池生產的主要原材料，90%以上的集成電路都是制作在高純、優質的硅片上的。（1）半導體硅片的制造難度大于光伏硅片。半導體硅片純度要求達到99.99999999999%，即11個9以上，而普通太陽能級多晶硅材料純度通常在5-8個9左右。（2）硅片直徑越大制造難度越大。硅片制備工藝流程包括：單晶生長→截斷→外徑滾磨(定位槽或參考面處理)→切片→倒角→表面磨削→(刻蝕)→邊緣拋光→雙面拋光→單面拋光→最終清洗→(外延/退火)→包裝等。

硅片直徑的增大可降低單個芯片的制造成本，目前300mm硅片已成為業內主流，2017年全球12寸出貨面積約占硅片總體的66.1%。

硅片制造過程中涉及到單晶爐、滾磨機、切片機、倒角機、研磨設備、CMP拋光設備、清洗設備、檢測設備等多種生產設備。其中單晶爐、拋光機、測試設備是主要設備，分別約占硅片廠設備投資的25%、25%、20%。日本在硅片制備設備產業中占有相對優勢，其產品覆蓋了硅片制造的全套設備。

單晶生長分為直拉（CZ）法和區熔（FZ）法。目前90%以上硅片采用直拉法（CZ）生產，區熔法（FZ）制備的硅片主要用于功率半導體、光敏二極管、紅外探測器等領域。

2.1.2、硅片國產化推動硅片制造設備國產化

過去：受市場需求不足的影響，產業化推進較為緩慢。我國的硅片制備設備經過了30多年的發展，已可提供直徑200mm以下的硅片制備設備，但受市場需求量較少和國外二手設備的沖擊，國產設備發展的門類并不齊全。在300mm硅片制備設備的發展上，國內研發了單晶爐、多線切割機等幾種關鍵設備，也通過了300mm硅片生產試驗線的驗證。但與國外設備相比，受市場需求不足的影響，產業化推進較為緩慢，同時也影響了設備技術的進步。

現在：政策需求雙輪驅動，大硅片國產化指日可待。根據IC Insights 2017數據，2017年全球硅片需求1160萬片（等效8寸），國內需求110萬片。預計2020年國內對12寸大硅片需求從42萬片增加到105萬片；2020年對8寸硅片需求從70萬片增加到96.5萬片。受政策鼓勵與市場需求的雙重驅動，多家企業正在中國積極布局半導體大硅片項目。國內規劃中的12寸大硅片合計：145萬片，覆蓋國內需求。國內規劃中的8寸大硅片合計：168萬片，總投資規模超過500億元，覆蓋國內需求。

硅片設備產業化推進加快，國產廠商迎來發展良機。單晶爐方面，晶盛機電承擔的02專項“300mm硅單晶直拉生長設備的開發”、“8英寸區熔硅單晶爐國產設備研制”兩大項目均已通過專家組驗收，8寸直拉單晶爐和區熔單晶爐均已實現產業化，客戶包括有研半導體、環歐半導體、金瑞泓等；12寸直拉單晶爐產業化推進中，未來有望為國內大硅片項目供貨。南京晶能12寸直拉單晶爐已進入新昇半導體大硅片產線。

2.2、晶圓制造設備——光刻機2.2.1、光刻機發展歷史

在集成電路制造工藝中，光刻是決定集成電路集成度的核心工序，該工序的作用是將電路圖形信息從掩模版上保真傳輸、轉印到半導體材料襯底上。光刻工藝的基本原理是，利用涂敷在襯底表面的光刻膠的光化學反應作用，記錄掩模版上的電路圖形，從而實現將集成電路圖形從設計轉印到襯底的目的。

光刻機分為無掩模光刻機和有掩模光刻機兩大類。無掩模光刻機又稱直寫光刻機，按照所采用的輻射源的不同可分為電子束直寫光刻機、離子束直寫光刻機、激光直寫光刻機，分別用于不同的特定應用領域。例如，電子束直寫光刻機主要用于高分辨率掩模版、集成電路原型驗證芯片的制造，以及特種器件的小批量制造;激光直寫光刻機主要用于特定的小批量芯片的制造。

有掩模光刻機又分為接觸/接近式光刻機和投影式光刻機。接觸式光刻出現于20世紀60年代，是小規模集成電路（SSI）時代的主要光刻手段，主要用于生產制程在5μm以上的集成電路。接近式光刻機于20世紀70年代在小規模集成電路與中規模集成電路（MSI）時代早期被廣泛應用，主要用于生產制程在3μm以上的集成電路。目前接觸接近式光刻機的國外生產商主要有德國的蘇斯公司、奧地利EVG公司，國內生產商主要有中電科45所、中科院光電技術研究所等。

投影光刻機自20世紀70年代中后期開始替代接觸接近式光刻機，是先進集成電路大批量制造中的唯一光刻形式。早期的投影光刻機的掩模版與襯底圖形尺寸比例為1:1，通過掃描方式完成整個襯底的曝光過程。隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小和襯底尺寸的增大，縮小倍率的步進重復光刻機問世，替代了圖形比例為1:1的掃描光刻方式。當集成電路圖形特征尺寸小于0.25μm時，由于集成電路集成度的進一步提高，芯片面積更大，要求一次曝光的面積增大，促使更為先進的步進掃描光刻機問世。通過配置不同的曝光光源，步進掃描技術可支撐不同的工藝技術節點，從KrF248mm、ArF193mm、ArF193mm浸沒式，直至EUV光刻。在0.18μm工藝節點后，高端光刻機廠商基本采用步進掃描技術，并一直沿用至今。

投影光刻機的基本分辨率R=K1*λ/NA，其中K1為工藝因子，根據衍射成像原理，其理論極限值是0.25；NA為光刻機成像物鏡的數值孔徑；λ為所使用的光源的波長。提高投影光刻機分辨率的理論和工程途徑是增大數值孔徑NA，縮減波長λ，減小K1。

采用ArF干法曝光方式最大支持65nm成像分辨率，45nm以下及更高成像分辨率無法滿足，故而需要引入浸沒式光刻方法。浸沒式光刻方法通過將鏡頭像方下表面與圓片上表面之間充滿液體(通常是折射率為1.44的超純水)，從而提升了成像系統的有效數值孔徑(NA=1.35)。采用ArF浸沒式光刻技術，考慮光刻物理極限的限制和設備的實際工作能力，其最小分辨率可實現38nm。為了實現更小的工藝線寬(CD)要求，目前通過采用多重圖形技術(Multi-pattern Technology)可以支撐至7nm節點工藝。

為了提高光刻分辨率，在采用準分子光源后進一步縮短曝光波長，引入波長10~14mm的極紫外光EUV作為曝光光源。EUV光刻機研發難度及費用極大，英特爾、三星和臺積電都曾對光刻機龍頭ASML投資，以支持EUV光刻設備研發，并希望取得EUV設備的優先權。ASML從事EUV光刻機的研制已是第12個年頭了，甚于“十年磨一劍”。2017年，姍姍來遲的EUV光刻機終于進入了量產階段。

2.2.2、光刻機競爭格局

步進掃描投影光刻機的主要生產廠商包括ASML(荷蘭)、尼康(日本)、佳能(日本)和SMEE (中國)。ASML于2001年推出了TWINSCAN系列步進掃描光刻機，采用雙工件臺系統架構，可以有效提高設備產出率，已成為應用最為廣泛的高端光刻機。ASML在光刻機領域一騎絕塵，一家獨占全球70%以上的市場份額。國內廠商上海微電子 (SMEE)研制的90nm高端步進掃描投影光刻機已完成整機集成測試，并在客戶生產線上進行了工藝試驗。

2.3、晶圓制造設備——刻蝕機2.3.1、刻蝕原理及分類

刻蝕是使用化學或者物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程。通常的晶圓加工流程中，刻蝕工藝位于光刻工藝之后，有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會受到腐蝕源的顯著侵蝕，從而完成圖形轉移的工藝步驟。

刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。早期普遍采用的是濕法刻蝕，但由于其在線寬控制及刻蝕方向性等多方面的局限，3μm之后的工藝大多采用干法刻蝕，濕法刻蝕僅用于某些特殊材料層的去除和殘留物的清洗。

干法刻蝕也稱等離子刻蝕。干法刻蝕是指使用氣態的化學刻蝕劑（Etchant）與圓片上的材料發生反應，以刻蝕掉需去除的部分材料并形成可揮發性的反應生成物，然后將其抽離反應腔的過程�？涛g劑通常直接或間接地產生于刻蝕氣體的等離子體，所以干法刻蝕也稱等離子體刻蝕。

等離子體刻蝕機可以根據等離子體產生和控制技術的不同而大致分為兩大類，即電容耦合等離子體（capacitivelycoupled plasma，CCP）刻蝕機和電感耦合等離子體（Inductively coupled plasma，ICP）刻蝕機。在集成電路生產線上，等離子體刻蝕設備通常按照被刻蝕材料的種類分為硅刻蝕設備、金屬刻蝕設備和電介質刻蝕設備三大類。

CCP刻蝕機主要用于電介質材料的刻蝕工藝，如邏輯芯片工藝前段的柵側墻和硬掩�？涛g，中段的接觸孔刻蝕，后段的鑲嵌式和鋁墊刻蝕等，以及在3D閃存芯片工藝(以氮化硅/氧化硅結構為例)中的深槽、深孔和連線接觸孔的刻蝕等。

ICP刻蝕機主要用于硅刻蝕和金屬刻蝕，包括對硅淺溝槽(STI)、鍺(Ge)、多晶硅柵結構、金屬柵結構、應變硅(Strained-Si)、金屬導線、金屬焊墊(Pad)、鑲嵌式刻蝕金屬硬掩模和多重成像(Multiple Patteming)技術中的多道工序的刻蝕等。另外，隨著三維集成電路(3D IC)、CMOS圖像傳感器(CIS)和微機電系統（MEMS)的興起，以及硅通孔(TSV)、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蝕應用的快速增加，多個廠商推出了專為這些應用而開發的刻蝕設備。

隨著工藝要求的專門化、精細化，刻蝕設備的多樣化，以及新型材料的應用，上述分類方法已變得越來越模糊。除了集成電路制造領域，等離子體刻蝕還被廣泛用于LED、MEMS及光通信等領域。

2.3.2、刻蝕機行業發展趨勢及競爭格局

隨著芯片集成度的不斷提高，生產工藝越來越復雜，刻蝕在整個生產流程中的比重也呈上升趨勢。因此，刻蝕機支出在生產線設備總支出中的比重也在增加。而刻蝕機按刻蝕材料細分后的增長速度，則根據工藝技術的發展階段不同呈現此消彼長的狀況。例如，當0.13μm工藝的銅互連技術出現時，金屬刻蝕設備的占比大幅下降，而介質刻蝕設備的占比大幅上升；30nm之后的工藝中出現的多重圖像技術及越來越多的軟刻蝕應用，則使得硅刻蝕設備的占比快速增加。

國際巨頭泛林集團、東京電子、應用材料均實現了硅刻蝕、介質刻蝕、金屬刻蝕的全覆蓋，占據了全球干法刻蝕機市場的80%以上份額。國內廠商中微半導體在介質刻蝕領域較強，其產品已在包括臺積電、海力士、中芯國際等芯片生產商的20多條生產線上實現了量產；5nm等離子體蝕刻機已成功通過臺積電驗證，將用于全球首條5nm工藝生產線；同時已切入TSV硅通孔刻蝕和金屬硬掩膜刻蝕領域。北方華創在硅刻蝕和金屬刻蝕領域較強，其55/65nm硅刻蝕機已成為中芯國際Baseline機臺，28nm硅刻蝕機進入產業化階段，14nm硅刻蝕機正在產線驗證中，金屬硬掩膜刻蝕機攻破28-14nm 制程。

2.4、晶圓制造設備——薄膜生長設備2.4.1、薄膜生長設備分類

采用物理或化學方法是物質（原材料）附著于襯底材料表面的過程即為薄膜生長。薄膜生長廣泛用于集成電路、先進封裝、發光二極管、MEMS、功率器件、平板顯示等領域。