PVD是指利用熱蒸發或受到粒子轟擊時物質表面原子的濺射等物理過程，實現物質原子從源物質到襯底材料表面的物質轉移，從而在襯底表面沉積形成薄膜的技術。PVD可以分為真空蒸鍍和濺射兩種類型。目前蒸鍍主要應用于LED電極制造，而主流IC制造領域已經不再采用此類設備進行薄膜制備。濺射PVD廣泛應用于集成電路后道互連工藝中金屬薄膜制備。磁控直流DCPVD可用于平面薄膜制備，如鋁互連和28nm氮化鈦硬掩膜，但在銅互連中應用減少。離子化PVD是磁控DCPVD中的一種新技術，可用于鋁互連的隔離層、鎢栓塞的粘附層，以及銅互連中的隔離層和籽晶層。同時，離子化PVD和金屬CVD腔室可以結合在一個系統中，比如鎢栓塞的粘附層（鈦離子PVD）和隔離層（氮化鈦CVD）。

CVD是通過混合化學氣體并發生化學反應，從而在襯底表面沉積薄膜的一種工藝，用于沉積的材料包括金屬材料(W， TIN， Co)、介電材料(Si02、Si，N4、摻磷二氧化硅、摻硼磷二氧化硅)和半導體材料(多晶硅、無晶硅)等。

1) 在微米技術代，化學氣相沉積均采取多片式的常壓化學氣相沉積設備(APCVD)，其結構比較簡單，圓片的傳輸和工藝是連續的。

2) 在亞微米技術代，低壓化學氣相沉積設備(LPCVD)成為主流設備，其工作壓力大大降低，從而改善了沉積薄膜的均勻性和溝槽覆蓋填充能力。

3) 從90nm技術代開始，等離子體增強化學氣相沉積設備(PECVD)扮演了重要的角色。由于等離子體的作用，化學反應溫度明顯降低，薄膜純度得到提高，薄膜密度得以加強。

4) 從180nm技術代開始，Cu取代Al作為金屬互連材料。金屬栓塞工藝模塊中的TIN阻擋層和W栓塞均是采用金屬化學氣相沉積（金屬Metal-CVD）完成的。

5) 從45nm技術代開始，為了減小器件的漏電流，新的高介電材料(High k)材料及金屬柵(Metal Gate)工藝被應用到集成電路工藝中，由于膜層非常薄，通常在數納米量級內，所以不得不引入原子層沉積(ALD)的工藝設備，以滿足對薄膜沉積的控制和薄膜均勻性的需求。

6) MOCVD主要用于制備半導體光電子、微電子器件領域的各種砷化鎵、氮化鎵等三五族化合物，在LED、激光器、高頻電子器件和太陽能電池等領域具有規�；�生產的能力。

外延是一種在晶片等單晶襯底上按照襯底晶向生長單晶薄膜的工藝過程。根據外延生長材料的不同，外延可以分為同質外延和異質外延。同質外延是指生長的外延層和襯底是同一種材料，異質外延是指外延生長的薄膜材料與襯底材料不同，如SPS技術(在藍寶石或尖晶石上生長硅)。根據外延技術可分為分子束外延、氣相外延、液相外延等。MOCVD也可作為氣相外延的一種。

2.4.2、薄膜生長設備競爭格局

PVD領域，AMAT一家獨大，約占全球市場份額的80%以上；CVD領域，AMAT、LAM、TEL三家約占全球市場份額的70%以上。國內設備廠商中北方華創薄膜設備產品種類最多，目前其28nm 硬掩膜PVD已實現銷售，銅互連PVD、14nm 硬掩膜PVD、Al PVD、LPCVD、ALD設備已進入產線驗證。中微半導體的MOCVD在國內已實現國產替代。沈陽拓荊的65nm PECVD已實現銷售。

2.5、晶圓制造設備——擴散及離子注入設備

在集成電路制造過程中，摻雜主要有擴散和離子注入兩種工藝，擴散屬于高溫工藝，而離子注入工藝屬于低溫工藝。

擴散工藝是向硅材料中引人雜質的一種傳統方法，控制圓片襯底中主要載流子的類型、濃度和分布區域，進而控制襯底的導電性和導電類型。擴散工藝設備簡單，擴散速率快，摻雜濃度高，但擴散溫度高，擴散濃度分布控制困難，難以實現選擇性擴散。

離子注入工藝是指使具有一定能量的帶電粒子(離子)高速轟擊硅襯底并將其注入硅襯底的過程。離子注入能夠在較低的溫度下，可選擇的雜質種類多，摻雜劑量控制準確，可以向淺表層引人雜質，但設備昂貴，大劑量摻雜耗時較長，存在隧道效應和注人損傷。

2.5.1、擴散爐分類及競爭格局

擴散爐廣泛用于分立器件、電力電子、光電器件和光導纖維等行業的擴散、氧化、退火、合金等工藝中，因此按照功能不同，有時也稱擴散爐為退火爐、氧化爐。擴散爐主要分為臥式擴散爐和立式擴散爐。

臥式擴散爐是一種在圓片直徑小于200mm的集成電路擴散工藝中大量使用的熱處理設備，其特點是加熱爐體、反應管及承載圓片的石英舟(Quartz Boat)均呈水平放置，因而具有片間均勻性好的工藝特點。

立式擴散爐泛指應用于直徑為200mm和300mm圓片的集成電路工藝中的-種批量式熱處理設備，俗稱立式爐。立式擴散爐的結構特點是，加熱爐體、反應管及承載圓片的石英舟均垂直放置(圓片呈水平放置狀態)，具有片內均勻性好、自動化程度高、系統性能穩定的特點，符合SEMI標準要求，可以滿足大規模集成電路生產線的需求。立式擴散爐是半導體集成電路生產線的重要設備之一，也常應用于電力電子器件(如ICBT)等領域的相關工藝。立式擴散爐適用的工藝包括干氧氧化、氫氧合成氧化、DCE (二氯乙烯)氧化、氨氧化硅氧化等氧化工藝，以及二氧化硅、多晶硅(Poly-si)、氮化硅(SiN)、原子層沉積(ALD)等薄膜生長工藝，也常應用于高溫退火、銅退火(Cu Anneal) 及合金(Alloy)等工藝。

擴散設備方面，臥室擴散爐較為簡單，國內基本能實現自給自足，設備廠商主要有北方華創、中電科第48所等。立式擴散/氧化爐設備門檻較高，全球主要廠商有東京電子(TEL)、日立國際(HKE)等，單臺平均售價約為80萬美元，國內仍主要依賴進口，只有北方華創公司能夠小批量提供300mm立式爐產品。

傳統的退火爐使用類似臥式擴散爐的爐管系統，一般用于直徑小于200mm的晶圓制造。而200mm或者300mm的大尺寸晶圓一般采用立式爐及單片快速熱處理（RTP）設備。相對于爐管加熱退火，RTP具有熱預算少，摻雜區域中雜質運動范圍小，沾污小和加工時間短等優點。RTP設備門檻高，主要由應用材料公司、Axcelis Technology、Mattson Technology和ASM等4家公司壟斷，約占全球90%的市場份額。

2.5.2、離子注入機分類及競爭格局

離子注入機是集成電路裝備中較為復雜的設備之，根據注入離子的能量和劑量的不同，離子注入機大體分為低能大束流離子注入機、中束流離子注入機和高能離子注入機3種類型。其中，低能大束流離子注入機是目前占有率最高的注入機，適用于大劑量及淺結注入，如源漏極擴展區注入、源漏極注入、柵極摻雜以及預非晶化注入等多種工藝。中束流離子注入機可應用于半導體制造中的溝道、阱和源漏極等多種工藝。高能離子注入機在邏輯、存儲、成像器件、功率器件等領域應用廣泛。

離子注入設備廠商主要有美國的AMAT、Axcelis等。國內生產線上使用的離子注入機多數依賴進口，國內北京中科信、中電科48所、上海凱世通等也能提供少量產品。其中，中科信公司已具備不同種類（低能大束流、中束流和高能）離子注入機上線機型的量產能力。

2.6、晶圓制造設備——濕法設備

濕法工藝是指在集成電路制造過程中需要使用化學藥液的工藝，主要有濕法清洗、化學機械拋光和電鍍三大類。

2.6.1、濕法清洗機

濕法清洗是指針對不同的工藝需求，采用特定的化學藥液和去離子水，對圓片表面進行無損傷清洗，以去除集成電路制造過程中的顆粒、自然氧化層、有機物、金屬污染、犧牲層、拋光殘留物等物質。

清洗機主要分為槽式清洗機和單圓片清洗機。槽式清洗技術是由美國無線電公司(RCA)于1970年提出的，它是通過多個化學槽體、去離子水槽體和干燥槽體的配合使用，完成圓片清洗工藝。

隨著28nm及更先進工藝的濕法清洗對圓片表面小顆粒的數量及刻蝕均勻性的要求越來越高，同時必須達到圖形無損干燥。而槽式圓片清洗機的槽體內部化學藥液的差異性、干燥方式，以及與圓片接觸點過多，導致無法滿足這些工藝需求，現已逐漸被單圓片清洗機取代，目前槽式圓片清洗機在整個清洗流程中約占20%的步驟。

槽式圓片清洗機主要廠商有日本的迪恩士(SCREEN)、東京電子(Tokyo Electron)和JET，三家約占全球75%以上的市場份額。韓國的SEMES和KCTECH主要供給韓國市場。

單圓片清洗設機主要廠商有日本的迪恩士、東京電子和美國泛林集團提供，三家約占全球70%以上的市場份額。在國內的單圓片濕法設備廠商中，盛美半導體獨家開發的空間交變相位移(SAPS)兆聲波清洗設備和時序氣穴振蕩控制(TEBO)兆聲波清洗設備已經成功進入韓國及中國的集成電路生產線并用于大規模生產。北方華創的清洗機也成功進入中芯國際生產線。

2.6.2、化學機械拋光設備

化學機械拋光（CMP）是指圓片表面材料與研磨液發生化學反應時，在研磨頭下壓力的作用下進行拋光，使圓片表面平坦化的過程。圓片表面材料包括多晶硅、二氧化硅、金屬鎢、金屬銅等，與之相對應的是不同種類的研磨液�；瘜W機械拋光能夠將整個圓片高低起伏的表面研磨成一致的厚度，是一種圓片全局性的平坦化工藝。

CMP工藝在芯片制造中的應用包括淺溝槽隔離平坦化(STI CMP)、多晶硅平坦化(Poly CMP)、層間介質平坦化(ILD CMP)、金屬間介質平坦化(IMDCMP)、銅互連平坦化(Cu CMP)。

CMP設備主要分為兩部分，即拋光部分和清洗部分。拋光部分由4部分組成，即3個拋光轉盤和一個圓片裝卸載模塊。清洗部分負責圓片的清洗和甩干，實現圓片的“干進干出”。

CMP設備主要生產商有美國AMAT和日本Ebara，其中AMAT約占CMP設備市場60%的份額，Ebara約占20%的份額。國內CMP設備的主要研發單位有天津華海清科和中電科45所，其中華海清科的拋光機已在中芯國際生產線上試用。

2.6.3、電鍍設備

電鍍是指在集成電路制造過程中，用于加工芯片之間互連金屬線所采用的電化學金屬沉積。隨著集成電路制造工藝的不斷發展，目前電鍍已經不限于銅線的沉積，還涉及錫、錫銀合金、鎳等金屬的沉+積，但金屬銅的沉積仍是其中最主要的部分。

電鍍設備主要的生產商包括Lam Research、AMAT以及TEL。其中，Lam Research在前道的鑲嵌式技術電鍍銅設備中占據90%以上的市場份額，日本的東京電子在先進封裝領域約占據50%市場。盛美半導體設備已經掌握了電鍍機的核心專利技術，包括多圓環陽極技術和兆聲波輔助電鍍技術等， 自主開發了Utra ECP系列電鍍機。

2.7、晶圓制造設備——工藝檢測設備

工藝檢測設備是應用于工藝過程中的測量類設備和缺陷(含顆粒)檢查類設備的統稱。集成電路芯片制造工藝流程中在線使用的工藝檢測設備種類繁多，應用于前段芯片制造工藝的主要檢測設備分為：圓片表面的顆粒和殘留異物檢查；薄膜材料的厚度和物理常數的測量；圓片在制造過程中關鍵尺寸(CD)和形貌結構的參數測量；套刻對準的偏差測量。

隨著芯片結構的不斷細微化和工藝的不斷復雜化，工藝檢測設備在先進的前段生產線中起著越來越重要的作用。目前工藝檢測設備投資占整個前端工藝設備總投資的10%~15%。

工藝檢測設備的供應商主要有科磊半導體、應用材料、日立高新等，國內廠商主要有上海睿勵科學儀器和深圳中科飛測科技。

2.8、封裝測試設備

根據SEMI數據，2017年全球封裝測試設備市場高速增長27.89%，銷售額達到83.1億美元。2017年中國大陸半導體封裝測試設備與封裝模具市場增長了18.6%，達到206.1億元，約為30.53億美元（按統計局2017年度平均匯率計笲：1美元=6.75元），其中封裝設備市場14億美元，測試設備與封裝模具市場為16.53億美元。2017年國內半導體設備市場規模為82.3億美元，封裝測試設備占比超過1/3，達到37.1%。

2.8.1、封裝設備

封裝和組裝可分為四級，即芯片級封裝(0級封裝)、元器件級封裝(1級封裝)、板卡級組裝(2級封裝)和整機組裝(3級封裝)。在0級封裝階段，為了實現圓片的測試、減薄、劃切工藝，與之對應的主要封裝設備有圓片探針臺、圓片減薄機、砂輪和激光切割機等。在1級封裝階段，為了實現芯片的互連與封裝工藝，與之對應的主要封裝設備有黏片機、引線鍵合機、芯片倒裝機、塑封機、切筋成型機、引線電鍍機和激光打標機等。在此階段，為了實現圓片級芯片尺寸封裝(WLCSP)工藝，相應的主要封裝設備還有植球機、圓片凸點制造設備、圓片級封裝的金屬沉積設備及光刻設備等。在2級封裝階段，為了實現PCB組裝工藝，與之對應的主要封裝設備有焊膏涂覆設備、絲網印刷機、點膠機、貼片機、回流爐、波峰焊機、清洗機自動光學檢測設備等。

2.8.2、測試設備

集成電路所有的關鍵參數，所以花費的時間較長，但對于保證產品質量卻能起到關鍵作用。為加快集中檢測電學參數的速度，降低集成電路的測試成本，半導體產業界開發了相關的自動測試設備(ATE)。利用計算機控制， ATE能夠完成對集成電路的自動測試。

ATE價格昂貴，對測試環境要求苛刻，所以要求有高標準的測試場地，同時還要保證多臺ATE并行運行，以保證測試的速度和效率。對于每種集成電路都要開發專門的ATE測試程序，以保證測試自動進行。

近年來，測試設備商經過不斷整合，形成了以日本愛德萬測試(ADVANTEST)和美國泰瑞達(TERADYNE)兩大公司，其產品約占全球半導體企業測試設備市場份額的80%以上。國內測試設備廠商有長川科技、華峰測控、廣立微等。

2.9、啟示：各類產品均呈現寡頭競爭格局

通過上文對全球設備龍頭的梳理，我們發現：每大類設備市場中，最終都形成了寡頭競爭的格局，前三名廠商占據了絕大部分的市場份額，呈現強者恒強大者恒大的特點。

3、龍頭篇：他山之石，研發+并購鑄就龍頭

3.1、ASML：光刻機龍頭，一騎絕塵3.1.1、核心產品：光刻機

ASML是全球光刻機絕對龍頭。1984年，ASML由飛利浦與先進半導體材料國際（ASMI）合資成立，總部位于荷蘭；1995年在阿姆斯特丹和納斯達克交易所上市；2012年開展客戶聯合投資創新項目，三星、英特爾和臺積電共同向ASML注資加速開發EUV；2017年公司EUV光刻機量產出貨。

2018年ASML、Nikon、Canon三巨頭半導體用光刻機出貨374臺，較2017年的294臺增加80臺，增長27.21%。三巨頭高端光刻機EUV、ArFi、ArF 2018年共出貨134臺，其中ASML出貨120臺，占有90%以上的市場。2018年ASML、Nikon、Canon三巨頭光刻機總營收118.92億歐元，較2017年增長25.21%。AMSL光刻機營收82.76億元，約占三巨頭總營收的70%。

3.1.2、營收情況

公司2018年實現營收128.90億美元，同比增長25.45%；凈利潤30.65億美元，同比增長26.82%。2018Q4實現營收35.86億美元，同比增長22.73%；凈利潤9.07億美元，同比增長19.4%。

按照產品種類分，公司2018年EUV營收約占光刻機業務總營收的23%，ArFi約占58%，ArF約占3%、KrF約占11%，i-line約占1%；按照終端應用領域分，邏輯約占45%，存儲約占55%；按照地區分，美國約占16%，韓國約占35%，中國臺灣地區約占19%，中國大陸約占19%。

3.1.3、2019年展望

2019年下半年，ASML計劃推出每小時吞吐量為170片的EUV新機型NXE：3400C；2021年計劃推出0.55 NA的新機型EXE：5000，可用于2納米生產。ASML預估2019年全年將出貨30臺EUV光刻機，DRAM公司也將有望于2019年開始采用EUV光刻機制造。

3.2、AMAT：五項第一，近乎全能3.2.1、核心產品：PVD+CVD+刻蝕+離子注入+濕法+檢測

AMAT（應用材料）是全球薄膜生長設備龍頭。AMAT創建于1967年，1972年10月1日在美國納斯達克上市，1992年成為全球最大的半導體設備制造商，并蟬聯這一頭銜至今。AMAT通過數次并購活動，不斷擴充產品線，基本涵蓋了半導體前道制造的主要設備，包括原子層沉積ALD、物理氣相沉積PVD、化學氣相沉積CVD、刻蝕ETCH、離子注入、快速熱處理RTP、化學機械拋光CMP、電鍍、測量和圓片檢測設備等。

AMAT2017年PVD的銷售額占據全球80%以上的市場份額，全球第一；CVD約占全球30%左右的市場份額，全球第一；等離子刻蝕機約占全球20%的市場份額，全球第三；離子注入設備約占全球60%的市場份額，全球第一；RTP設備約占全球50%的市場份額，全球第一；CMP約占全球60%的市場份額，全球第一。

3.2.2、營收情況

公司2018年實現營收168.02億美元，同比增長8.66%；凈利潤42.13億美元，同比增長7.26%。2018Q4實現營收37.53億美元，同比增長-10.73%；凈利潤7.79億美元，同比增長-31.4%。