芯片承載著人類最先進的科技。如今中國已成為芯片設計強國，但在芯片制造上卻處處被卡，芯片制造究竟難在哪里？

時至今日，芯片已形成一套非常成熟專精的制造流程 ^[1]，它并非簡單地一步到位，而是分為存在一定時間間隔和空間次序的多個階段 ^[2]。大體來說，芯片制造分為晶圓加工制造、前道工藝（芯片加工）及后道工藝（封裝測試）三大環節，我國主要集中切入晶圓加工制造、后道封裝測試兩個環節，前道工藝大部分高端設備和材料基本均處于空白狀態，所以高端芯片往往需要進口。^[3]

本文是“果殼硬科技”策劃的“國產替代”系列第二十四篇文章，關注半導體制造全流程。在本文中，你將了解到：半導體制造全流程的技術細節，半導體制造全流程中涉及哪些設備和材料，半導體制造全流程中國內外的發展情況。

付斌 | 作者

李拓 | 編輯

1、晶圓制造：先有晶圓后有芯

若想獲得一顆芯片，要先將石英砂做成薄薄的晶圓片（或者說襯底），再進行后續加工，最后切割為芯片。

因此，晶圓加工制造是半導體產業最上游、最基礎的行業，又分為硅的初步純化、單晶硅的制造以及晶圓制造三個子產業。

晶圓與威化餅干的英文都是 wafer，這并非巧合，打個比方來說，生產晶圓就像生產薄脆餅干，將面粉過篩，再與調料和水混合，經過攪拌成面團后，輥印成型成餅胚，再切割而成。晶圓制造也是同理，只不過，晶圓制造對原材料和工藝的要求極為嚴苛和復雜。

由于硅在地殼中占比達到 25.8%，儲量豐富且易于獲取，因此硅基半導體是產量最大、應用最廣的半導體材料。但并非所有硅都能做芯片，芯片制程工藝的尺度已達到納米級，任何細微的雜質都會影響芯片正常工作，因此芯片制造中使用的硅是純度達到 99.9999999%~99.999999999%（9~11 個 9）的高純多晶硅。

不同芯片需要不同類型晶圓，就像是生產不同口味薄脆餅干，根據不同指標，晶圓分為多種類型。

根據工藝，晶圓可粗略地分為拋光片、外延片、SOI 片三大類。無論做成什么樣的晶圓，其原點都是拋光片，因為其它類型晶圓均是在拋光片基礎上二次加工的產物，比如在拋光片基礎上進行退火處理就變為退火片，可擁有非常繁雜的分支。

晶圓片主要類型及特點，制表丨果殼硬科技

資料來源丨上海硅產業招股書 ^[6]

不同類型晶圓片生產流程極為復雜：

• 拋光片生產環節包含拉晶、滾圓、切割、研磨、蝕刻、拋光、清洗等工藝；

• 相對于其他工藝過程，每片晶圓的每道工藝只需 1 美元，外延生長每片晶圓大約需要 20～100 美元，所以外延工藝是集成電路制造中最昂貴的工藝過程之一 ^[7]，外延片主要為在拋光片的基礎上進行外延生長；

• SOI 片主要采用鍵合或離子注入等方式制作。^[6]

根據直徑，晶圓又分為 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、5 英寸（125mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）與 12 英寸（300mm）等規格。

晶圓尺寸越大，每片晶圓可制造芯片數量就越多，單位芯片成本就越低。就像一張餅，餅越大，就能切出來越多同樣大小的小塊。

此外，在晶圓上切割芯片，一些邊緣區域無法利用，想象一下，在圓上切方，邊緣不可能切出完整的方形。無論用哪種晶圓生產，芯片尺寸規格都已固定，因此晶圓尺寸越大，晶圓邊緣損失也會越小，大尺寸晶圓可進一步降低芯片成本。

那么，既然圓形的晶圓邊緣有這么多區域無法利用，為什么不做成“晶方”？其實科學家并不是沒有想過這個問題，而是受制于技術限制，成為歷史遺留問題。

首先，單晶生長的硅棒是圓柱形，切割為薄片后即為圓形；其次，圓柱形的單晶硅錠更便于運輸，以免因磕碰導致材料損耗；另外，圓形物體便于后續步驟的操作；最后，即便制作成晶方，一些邊緣仍然不可利用，計算表明，圓形邊緣比方形浪費更少。^[8]

以 8 英寸與 12 英寸硅拋光片為例，在同樣工藝條件下，12 英寸晶圓可使用面積超過 8 英寸晶圓兩倍以上，可使用率（衡量單位晶圓可生產芯片數量的指標）是 8 英寸硅片的 2.5 倍左右。[6]

當然，晶圓尺寸越大，就越難造，對生產技術、設備、材料、工藝要求就越多。具體來說，關鍵技術指標包括局部平整度、邊緣局部平整度、納米形貌、氧含量、高度徑向二階導數等，而先進制程對晶圓翹曲度、彎曲度、電阻率、表面金屬殘余量等參數指標有更高要求。

不只有硅能做成晶圓，目前，半導體材料已經發展到第四代。第一代半導體材料以 Si（硅）、Ge（鍺）為代表，第二代半導體材料以 GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）為代表，第三代半導體材料以 GaN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）為代表，第四代半導體材料以氮化鋁（AlN）、氧化鎵（Ga₂O₃）、金剛石（C）為代表。

不過，目前仍有 90% 以上芯片需使用半導體硅片作為襯底片。

縱觀全球硅片市場，主要由國際廠商占據，市場集中度高，2021 年全球硅片市場 CR5 為 94%，排名前五廠商分別為日本信越化學（Shin-Etsu）、 日本勝高（SUMCO）、中國臺灣環球晶圓（Global Wafers）、德國世創（Siltronic）、 韓國鮮京矽特隆（SK Siltron）。^[9]

反觀國內方面，技術薄弱、業務規模小、集中度較低，產品多以 8 英寸及以下為主，國內半導體硅片企業主要包括滬硅產業、中環股份、立昂微、中晶科技、有研硅、麥斯克等，單一廠商市場占有率均不超過 10%，且以 8 英寸及以下尺寸硅片為主。12 英寸晶圓是近兩年中國產業重點：比如，粵芯半導體是專注于模擬芯片領域和進入全面量產的 12 英寸芯片制造企業，計劃總投資 370 億元 ^[10]；再如，增芯科技月加工 2 萬片 12 英寸智能傳感器晶圓量產線項目，共投資 70 億元。^[11]

從數據上來看，國產硅片市場規模 2019 年~2021 年連續超過 10 億美元，2021 年達 16.56 億美元，同比增長 24.04%，預計 2022 年可達 19.22 億美元。^[12]

從全球第二代半導體（GaAs、InP）襯底和第三代半導體（GaN、SiC）襯底情況來看，國內已擁有大量相關企業，但整體產能規模與國際存在差距。

第二代半導體、第三代半導體晶圓襯底全球市場及國內發展情況對比，制表丨果殼硬科技

參考資料丨 SIMIT 戰略研究室 ^[13]

2、前道工藝：設備堆出來工藝

“這里好像我想象中的天堂…… 只不過有更多的機器人。”這是一位專家對于半導體制造工廠的評價。^[14]

首先，有設備才能談制造，在晶圓廠資本開支中，晶圓加工設備的資本開支也最大，占比為 70%~80%。^[15]

芯片生產過程中，有成千上萬臺工藝設備在同時運行，可以說，造設備難，讓這些設備有秩序地生產起來更難。

芯片前期工藝包括光刻、干蝕刻、濕蝕刻、化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子沖洗、濕洗、熱處理、電鍍處理、化學表面處理和機械表面處理等，其中多個工藝會重復使用，非常復雜。

每個前期工藝都對應著相應設備，包括光刻機、涂膠顯影機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入設備、熱處理設備（氧化退火設備）、化學機械平攤（CMP）設備、清洗設備、過程檢測設備等。

前期加工中，設備主要圍繞制程工藝選型，也就是時常被提起的 28nm、14nm、10nm、7nm、4nm、3nm…… 制程越小，制造越困難，對設備要求也越高。目前，28nm 是行業分水嶺，比 28nm 更先進的是先進制程，反之則是成熟制程。

制程隨摩爾定律迭代，即芯片上晶體管數量每隔 18~24 個月增加一倍，性能也將提升一倍。

在國際設備和系統路線圖（IRDS）中，全面地反應了各制程節點所需系統級新技術，也就是說，未來幾年內最先進制程需要用到什么設備也已被決定，而 IRDS 也會伴隨制程升級而不斷更新版本。

從價值分量上來看，光刻、刻蝕和薄膜沉積是前期加工中最主要三個環節，2021 年光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備（含 CVD、ALD、PVD）投資占比分別為 20%、25% 和 22%，合計占比超設備總支出的 60%。^[17]

縱觀我國不同設備國產化率，雖然整體有上升趨勢，但整體國產化率依然較低，上游生產能力極弱。

國產半導體制造設備情況概覽，制表丨果殼硬科技

參考資料丨國海證券 ^[18]

以下，果殼硬科技將對光刻機、涂膠顯影機、刻蝕機、薄膜沉積設備、熱處理設備（氧化退火設備）、離子注入設備、化學機械平攤（CMP）設備、清洗設備、過程檢測設備幾類價值分量最高的九種設備進行詳細剖析。

光刻機

光刻機是芯片制造中最龐大、最精密復雜、難度最大、價格最昂貴的設備，光刻成本占芯片總制造成本的三分之一，耗費時間約占整個硅片生產時間的 40%~60%，而它也決定了芯片上晶體管能做多小。^[19]

光刻設備是一種投影曝光系統，由紫外光源、光學鏡片、對準系統等部件組裝而成 ^[20]，其原理是將光掩模版（Mask）上設計好的集成電路圖形（宏觀）通過光線曝光印制到硅襯底光感材料（微觀）上，實現圖形轉移。其中，光掩模相當于是相機底片，它要比芯片大上許多，也是通過光刻而來，不過通常采用無掩模直寫光刻制造。

光刻的思想來源自于印刷技術，不同的是，印刷通過墨水在紙上的光反射率變化記錄信息，光刻則采用光與光敏物質的光化學反應實現對比度變化 ^[21]。打個比方來說，光刻機就是一種巨型單反相機，能夠將光掩模版上圖形縮小幾百萬倍，并通過光化學反應縮小轉印到晶圓上。^[22]

光刻技術先后經歷接觸式光刻、接近式光刻、全硅片掃描投影式光刻、分步重復投影式光刻到目前的步進掃描投影式 ^[23]，而光源經歷了五次波長迭代：從最初紫外波段的高壓放電汞燈 g-line（436 nm）到 i-line（365 nm），發展到深紫外（DUV）波段的準分子激光器 KrF（248 nm）以及 ArF（193 nm），再到最先進的 13.5nm 極紫外光（EUV）。^[24]

為什么光刻機那么難造，一個挑戰是進一步提升紫外光刻機性能研制難度高、造價高昂，從第一代光刻機到最先進的第五代光刻機，光源波長已從 436nm 縮短至 13.5nm，除了難以產生光源，光束傳輸中極紫外光的衰減和光學元件表面粗糙控制都是極大難題；另一個挑戰是芯片二維密度無限制提高必然會遇到量子極限，芯片兩條線上電子的運行規律的前提是不相互干擾，而當硅芯片密度在物理尺度上縮小至 1nm 以下時，將會受到干擾而不再按照經典電子學規律運動，這無疑遭受巨大挑戰。^[25]

不止如此，在良率壓力下，還要保證芯片足夠便宜 ^[26]。比如說，英特爾一顆 CPU 設計文件普遍在 10GB 以上，而阿斯麥（ASML）的 NXT：2050i 每小時可曝光 295 片 300mm（12 英寸）晶圓 ^[24]，Intel Ice Lake 系列 CPU 單 12 英寸晶圓能切割出大約 485 顆芯片，這樣情況下每小時極限能夠曝光 14. 3 萬顆芯片，這樣的制造能力才能夠將單顆 CPU 成本降至大眾能承受的幾十到上千美元。^[25]

此外，光刻系統涉及的技術極為細碎，還包括：

• 計算光刻：實際生產中很難讓每次光刻模式都完全正確，每一次光刻過程中都可能會發生顆粒干擾、折射或其它物理 / 化學缺陷，為了得到確切圖案，就需要通過將算法模型與系統和測試晶圓數據相結合，這個過程被稱作計算光刻；^[27]

• 對焦性能：光刻機中核心部件就是鏡頭，這并非一般鏡頭，而是高至 2m、直徑 1m 的龐大鏡頭，這些鏡頭的對焦性能是成像質量和產品良率的關鍵，隨著芯片線寬不斷縮小，加之二次成像（DP）光刻工藝應用越來越多，對光刻機對焦性能要求越來越嚴苛；^[28]

• 工藝優化：制程節點每前進一步，都會伴隨大量工藝優化，比如說，制程工藝從 20nm / 16nm / 14nm 開始，設計規則周期已小于光刻機分辨率極限，此時光刻機開始采用雙重或多重曝光技術、光源掩模協同優化、負顯影工藝等工藝；浸沒式光刻技術雖然支持了 45nm / 40nm、32 nm / 28nm、20nm / 16nm / 14nm、10nm 和 7nm 五個主要技術節點 ^[29]，但從 5nm 開始，到 3nm、2.1nm 甚至 1nm，大多數中后段層次和前段的鰭和柵極的剪切層次都開始采用極紫外光刻工藝實現。^[30]

光刻機在半導體設備價值鏈中占比高達 20%，目前，業界主要光刻機公司，分別是荷蘭 ASML（阿斯麥）、日本 Nikon（尼康）、日本 Canon（佳能）。^[22]

市場方面，ASML、Nikon、Canon 三家基本壟斷市場，2022 年 ASML 出貨量占據全球出貨量的 82%，Canon 占 10%，Nikon 占 8%。其中，ASML 光刻機種類齊全，是全球唯一能夠生產 EUV 光刻機的公司，目前最小制程達到 3nm；Nikon 集中于 DUV 光刻機，也可生產浸沒式光刻機；Canon 的產品則集中在中低端。^[31]

從具體數據來看，2022 年，ASML、Nikon、Canon 三家集成電路用光刻機總出貨量為 551 臺，較 2021 年的 478 臺增長 15%，EUV、ArFi、ArF 三個高端機型共出貨 157 臺，較 2021 年的 152 臺增長約 3%。此外，EUV 光刻機 ASML 市占率達 100%，ArFi 光刻機 ASML 市占率達 95% 以上，ArF 光刻機 ASML 市占率達 87% 以上，KrF 光刻機 ASML 市占率達 72% 以上，i 線光刻機 ASML 市占率達 23% 以上。^[32]

涂膠顯影機

涂膠顯影（或涂覆顯影）設備雖在結構上比不上光刻機的復雜程度，但也不可或缺，它是光刻過程中必要的設備。^[21]

對光刻工藝來說，晶圓上光刻膠涂覆的厚度和均勻性至關重要，直接影響著后續光刻工藝質量，從而影響芯片成品的性能、良率和可靠性 ^[33]。所以，怎么涂好光刻膠是一門學問，負責涂覆光刻膠的設備便是涂膠顯影設備。

不同光源對涂膠顯影設備需求不同，早期低端芯片制造往往單獨使用涂膠顯影設備（Off Line），隨著 200mm（8 英寸）及以上大型產線投入應用，現代半導體生產中，多數涂膠顯影設備與光刻系統聯線生產（In Line）^[34]，而它則與光刻技術共進退，正伴隨光刻精度提升而增加技術難度。

涂膠顯影設備并非一種設備，而是一類設備的稱呼，光刻工藝中涂膠顯影流程包括 HMDS（六甲基二硅氮烷，增粘劑）預處理、涂膠、前烘、曝光、后烘、顯影和堅膜，其中用到主要設備有涂膠、曝光和顯影 3 種設備。

涂膠顯影設備結構復雜，實現難度高，不同廠商對設備結構及形式均有自己的理解，但基本均由單元模塊組成，且功能類似，包含數十個功能模塊組及配套機器人、數百個功能單元、數萬個零部件，如盒站單元 CS、盒站機械手臂 CSR、工藝機器人手臂 PSR、涂膠單元 COT、顯影單元 DEV、熱烘 / 冷卻 OVEN 單元、對中單元 CA、邊部曝光單元 WEE 等，此外，還涵蓋機械運動、溫濕度及內環境控制、系統調度及控制、化學反應及化學品管控等多學科技術。^[21]

涂膠顯影機在半導體設備價值鏈中占比約為 5%，從全球來看，日本 TEL（東京電子）、德國 SUSS（休斯微技術）、奧地利 EVG 及國內沈陽芯源等公司均有成熟方案，不過 TEL 基本處于壟斷地位。

從數據上來看，2019 年 TEL 占據全球涂膠顯影設備近 87% 市場份額，DNS（迪恩士）和其它企業則占其余 13% 市場份額；2019 年 TEL 占據國內涂膠顯影設備近 91% 市場份額，DNS 則占 5%，國產芯源微產品僅占 4%。^[35]

對國產來說，涂膠顯影設備銷售難點在于下游客戶端工藝驗證，由于涂膠顯影設備與光刻機高度聯動，因此設備商需在不影響下游晶圓正常生產情況下，提供光刻機、掩模版、檢測設備及程序等資源配合，驗證流程復雜且冗長，加大廠商應用難度。^[36]

刻蝕機

刻蝕機與光刻機是一對好基友，二者都決定著芯片成品的性能，比如說，想要制造 5nm 芯片，光刻機和刻蝕機都要具有 5nm 工藝能力。

光刻機的原理是用光將掩模版電路結構復制到晶圓上，刻蝕機則按光刻機復制的結構在晶圓上微觀雕刻出溝槽或接觸孔。打個比方，光刻機就像工匠在木板上劃線，刻蝕機則按照木板上劃線進行雕花。

刻蝕過程中，晶圓會被烘烤和顯影，一些抗蝕劑會被沖走，從而露出開放通道的 3D 圖案。迄今為止，納米尺度的芯片已由數十層甚至上百層結構組成，在這一過程中，如何保證精確地形成完整穩定的芯片結構是難點，避免在刻蝕過程中破壞多層微芯片底層結構或在結構中創建出空腔。^[27]

刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種，濕法刻蝕使用化學制劑清洗晶圓，干法刻蝕基于氣體暴露晶圓上圖案。自 80 年代芯片不斷微縮，濕法刻蝕局限性逐漸凸顯，包括不能運用在 3 微米以下圖形、容易導致刻蝕圖形變形、液體潛在毒性和污染、需額外清洗和干燥步驟等，因此在特定環節逐漸被干法刻蝕所取代，目前兩種刻蝕機在各自領域發揮重要作用。^[37]

干法刻蝕又分為等離子體刻蝕、反應離子刻蝕、離子束刻蝕三種方法，依據其不同特性，應用在工藝步驟中，其中，電容性等離子體刻蝕和電感性等離子體刻蝕兩種設備涵蓋了主要刻蝕應用。

刻蝕機制造技術難度極大，就拿等離子體刻蝕機來講，便需用到電感耦合等離子體源，為保證等離子體質量，需超高的真空度。

刻蝕機在半導體設備價值鏈中占比高達 25%，市場增速也非常明顯。Transparency Market Research 數據顯示，2022 年全球半導體刻蝕設備市場約為 113 億美元，預計從 2023 年到 2031 年將以 7.6% 的復合年增長率增長，到 2031 年達到 217 億美元，增長主要驅動力在于刻蝕機在邏輯 / 存儲領域的重要性越來越強。^[38]

刻蝕機被國際巨頭所壟斷，Gartner 數據顯示，2021 年全球刻蝕設備行業前三名為 Lam Research（泛林半導體）、Tokyo Electron（東京電子）、Applied Materials（應用材料），三者總共占據 90% 以上市場份額，其中 LAM 市場占有率達 46%，處于領先地位。^[17]

國內刻蝕機供應多數為國際品牌，而國外刻蝕機在中國售價一般可達每臺幾百萬人民幣，之所以占據這樣的統治地位，是因為早在多年以前，它們就已開始不斷整合兼并，謀取壟斷溢價。比如說，應用材料公司曾與東京電子合并，泛林半導體曾與科磊也謀求合并，試圖強強聯合打造聯合體。^[39]

當然，刻蝕機領域，國產不可能一蹴而就。刻蝕機對加工精度要求極高，比如說，16nm 等離子體刻蝕機的加工尺度只有頭發絲的五千分之一，而其對加工精度和重復性的要求更要達到頭發絲的五萬分之一。這并非單獨刻蝕機領域的問題，而是與國內精密加工機床等設備發展相關聯 ^[39]。目前，國內中微半導體、北方微電子、金盛微納科技等公司已逐漸實現主流制程設備出貨，不斷追趕國外巨頭。

薄膜沉積設備

薄膜沉積（Thinfilm Deposition）是將 1μm（微米）或更小分子 / 原子材料的薄膜覆蓋到晶圓表面的技術，這一層薄膜可以讓原本非導電的晶圓具備導電性。

打個比方來說，就像利用物理或化學的方法，將電子氣體變成固體，從空中均勻地撒下，最終形成一層薄如白紙的膜，隨后精細的電路都會繪制在這張白紙上。^[40]

薄膜沉積可以分為物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）和化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition，CVD）兩種。

PVD 是通過物理方法如真空蒸發、濺射鍍膜等方式形成薄膜，主要用于沉積金屬及金屬化合物薄膜，已廣泛應用于集成電路領域的 Ti、TiN、Al 等金屬工藝，先進封裝領域的 Fan-out、Ti / Cu-CopperPillar、TiW / Au-Gold Bump，功率半導體領域的 Si 基、SiC 基 IGBT 和 GCT 等器件，微機電系統領域的 Ti、Ni、 NiV、Ag、Al、Cr、TiW、SiO₂、ITO 等薄膜工藝。

CVD 是通過混合化學氣體發生反應，從而向襯底表面沉積薄膜的工藝，主要用于沉積介質薄膜，已廣泛應用于制備 SiO₂、Si₃N₄、SiCN、SiON、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等介質薄膜材料，Si、PolySi、Ge、SiGe、GaAs、InP、GaN、SiC 等半導體薄膜材料以及 W、Al、Cu、Ti、TiN、金屬硅化物等金屬化薄膜材料。^[41]

薄膜沉積制備技術類型極多，PVD 包括蒸發（蒸鍍）、濺射、離子束工藝設備，CVD 則包括熱化學氣相沉積（APCVD、LPCVD、MOCVD）、金屬氣相沉積（MCVD）、等離子體氣相沉積（PECVD）、原子層沉積（ALD）等，根據薄膜所需材料不同，生產所用工藝設備也不同，大致來說：

• PVD：150mm 硅片時期多以單片單腔室形式為主，而后濺射設備逐漸取代了真空蒸鍍設備，隨 IC 技術發展，更多技術引入到磁控濺射設備中，射頻 PVD 設備和離子化 PVD 設備也同步得到發展；

• CVD：微米時代，多采用常壓化學氣相沉積設備（Atmospheric Pressure CVD，APCVD），亞微米技術主流設備則是低壓化學氣相沉積設備（Low Pressure CVD，LPCVD），90nm 以后等離子體增強化學氣相沉積設備（Plasma Enhanced CVD，PECVD）扮演主要角色，65nm 以后原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）需求量不斷提升。^[41]

薄膜沉積在制造設備中價值比重很高，其中 CVD 約為 17%（ALD 為 4%），PVD 約為 5%，與此同時，薄膜沉積設備行業依然是壟斷度較高的產業。

全球市場方面，CVD 領域美國應用材料（AMAT）、泛林半導體（Lam Research）、東京電子（TEL）三家合計包攬全球 70% 市場份額，其中先進制程所必需的 ALD 設備由東京電子（TEL）、先晶半導體（ASM）兩家公司包攬全球近 50% 市場份額；PVD 領域主要被美國應用材料（AMAT）、瑞士 Evatec、日本愛發科（Ulvac）所壟斷，其中應用材料占比近 85%。^[42]

國內在薄膜沉積領域的競爭方式與國外巨頭不同，國外巨頭產品豐富，技術覆蓋面廣，而國內則主要在細分領域進行差異化競爭，如拓荊科技、中微主要產品為 CVD，北方華創主要產品是 PVD，微導納米主要產品是 ALD，盛美半導體主要產品是電鍍產品。^[41]

熱處理設備

芯片制造過程中，有許多涉及 700℃~1200℃的高溫熱處理步驟，這些工藝通常在高溫爐中進行，包括氧化、擴散、退火等主要工藝。^[43]

芯片制造過程通常由氧化工藝開始，也是最重要的加熱過程之一。當晶圓暴露在大氣時，其中物質會與氧氣形成氧化膜，就像鐵暴露在大氣中會氧化生銹一樣。因此，氧化的作用就是在晶圓表面形成一層保護膜，保護晶圓不受化學雜質影響、避免漏電流進入電路、預防離子植入過程中的擴散、防止晶圓在刻蝕時滑脫。^[44]

氧化工藝包括熱氧化（Thermal Oxidation）、等離子體增強化學氣相沉積法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）和電化學陽極氧化等，其中熱氧化是最常用的方法。根據氧化反應使用氣體，熱氧化法又分為干氧化（Dry Oxidation）和濕氧化（Wet Oxidation）。^[45]

氧化工藝分類及特性，制圖丨果殼硬科技

參考資料丨三星 ^[45]

擴散工藝主要作用是在高溫條件下對晶圓摻雜，不過這主要存在于 20 世紀 70 年代前的早期工藝，彼時芯片圖形特征尺寸大多為 10μm 數量級，而現在先進的芯片生產中，除了特定情況已很少使用擴散摻雜工藝。

退火工藝則是將硅片放于高溫環境一段時間，使其表面或內部微觀結構發生變化，它通常與離子注入、薄膜沉積、金屬硅化物形成等工藝結合。

用于氧化、擴散、退火等加熱工藝的基本設備有臥式爐、立式爐和快速升溫爐（RTP）三種。

熱處理設備在半導體設備價值鏈中占比約 3%，全球熱處理設備市場則被寡頭壟斷，美國應用材料（Applied Materials）、東京電子（Tokyo Electrion）、日本同業國際電氣（Kokusai Electric）三家合計市場份額超過 80%，而國內非激光退火類設備屹唐半導體市占率 5%，北方華創市占率 0.2%。^[46]

離子注入設備

讓不導電的純硅成為半導體，就必然需要向硅內加入諸如氮、磷等物質，使之形成 PN 結（PN junction，一種半導體結構），再以此創建晶體管，形成各種半導體器件。其中，人為向硅內加入元素的過程就是摻雜（Doping）。

摻雜工藝十分重要，只有摻雜之后，晶圓才會具有導電性能，才能稱之為半導體。不僅如此，摻雜也決定了半導體能夠實現哪些功能或性能，通過改變半導體的電導率、載流子類型和濃度、能帶結構等電學性質，人們就可以自由自在地控制半導體。

就比如說，向硅材料內摻入五價元素磷或砷，就可以得到 N 型半導體，摻如三價元素硼，就可以得到 P 型半導體。

芯片制造中，可在前期單晶生長階段摻入雜質，如在 CVD 法生長過程中摻入特定施主或受主元素，使薄膜部分原子替換為對應元素。

對于已經制造出來的晶圓，則主要使用熱擴散（Diffusion）和離子注入（Implant）兩種工藝進行摻雜，在本文熱處理設備部分已提到，熱擴散工藝因其難以實現選擇性擴散，所以除特定工藝外，基本被離子注入所取代。

離子注入的原理非常簡單易懂，就是利用高能量電場加速雜質離子，直接轟擊到半導體表面，最終擠入晶體內部。離子注入設備就像神槍手一樣，把各種元素精準均勻地射擊至圓片內部，而這也正是離子注入設備的技術難點，即在不損傷微小結構的前提下精準控制摻雜劑量和摻雜深度（粒子射程）。

根據離子束能量范圍和束流大小，離子注入設備擁有低能、中能、高能、兆伏、小束流、中束流、高束流之分。不過實際應用中，60% 以上情況使用低能大束流離子注入設備，用來制造邏輯芯片、DRAM、3D NAND 和 CIS 芯片等；18% 使用高能離子注入設備，用于制造功率器件、IGBT、5G 射頻、CIS 等；20% 使用中束流離子注入設備。^[48]

離子注入設備分類及說明，制圖丨果殼硬科技

參考資料丨頭豹 ^[49]

離子注入設備在制造設備中價值比重并不大，約為 3%，2021 全球離子注入設備市場約為 24 億~26 億美元，長期估計 2030 年市場可成長至 42 億美元。^[50]

全球離子注入設備商僅有 9 家（包含半導體、光伏、面板），具體到半導體領域則被美國應用材料公司（AMAT）和美國亞舍立科技（Axcelis）所壟斷，兩家公司合計全球市場占有率將近 88%。^[49]

全球離子注入設備市場情況，制圖丨果殼硬科技

參考資料丨中銀證券 ^[50]

國內市場方面，僅有凱世通和中科信兩家可生產離子注入機，此外，美國應用材料公司（AMAT）、美國亞舍立科技（Axcelis）、美國 AIBT、日本住友（Sumitomo）等供應商包攬了國內大多數晶圓廠的市場份額，部分代表性晶圓廠國產化率僅 1%~3%。^[50]

CMP 設備

隨著制程不斷縮小，衡量晶體管的尺度越來越小，所以晶圓對平坦度要求也變得越來越高，這種情況下，就需要化學機械平坦（Chemical Mechanical Polishing，CMP）工藝，實現晶圓表面平坦化。

顧名思義，CMP 就是協同化學腐蝕和機械研磨的一種工藝，與傳統純機械與純化學不同，CMP 能夠有效避免純機械的表面損傷和純化學的拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點 ^[51]，這項工藝會在芯片制造中多次重復使用，包括光刻前、薄膜沉積后或先進封裝中。

可以說，制程節點越小，需求 CMP 次數越多。如從 180nm 到 14nm，CMP 工藝步驟數將從 10 次增加至 20 次以上，而 7nm 工藝中 CMP 步驟數甚至超過 30 次。^[52]

CMP 設備分為金屬和非金屬兩種機臺，非金屬機臺主要包括金屬間介平坦化 (IMD CMP)、層間介質平坦化 (ILD CMP)和淺溝槽隔離平坦化 (STI CMP)等，金屬機臺主要包括銅、鎢、鋁等。

CMP 設備由拋光、清洗、傳送三大模塊構成，并其作業過程中，拋光頭將晶圓待拋光面壓抵在粗糙拋光墊上，借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等實現全局平坦化，因此拋光液和拋光墊是工藝過程中兩大耗材。^[53]

CMP 技術是從 0.35μm 制程節點才開始大規模應用的新工藝，曾經，它也只是一個不被看好的丑小鴨。

20 世紀 90 年代初期，由于光刻對于平坦度的追求愈發強烈，CMP 應運而生并被用于后端（BEOL）金屬連線層間介質的平整，此時這項技術并沒有引起行業的關注。20 世紀 90 年代中期，0.35μm 制程工藝時期，淺槽隔離拋光（STI CMP）取代了 LOCOS，鎢拋光（W CMP）則取代了反刻蝕（etch back）。21 世紀初，銅拋光（Cu CMP）的出現，使得 0.13μm 后端銅制程變為現實，而后 Cu CMP 一直被延續使用到 90/65/45/32/28/22nm。近年，隨著制程節點不斷縮小，對于 CMP 要求更高，新的 CMP 應用層出不窮。^[54]

目前，最先進的 5/3nm 制程也仍然在采用 CMP 技術，同時 12 英寸晶圓是仍是最先進制程所采取的尺寸標準，因此 CMP 設備未來較長時間內不存在技術迭代周期，但設備中核心模塊技術和控制系統會不斷升級。^[55]

CMP 設備在半導體設備價值鏈中占比約為 3%，而美國應用材料和日本荏原合計包攬全球 CMP 設備超 90% 市場份額，兩家公司 CMP 設備均已達到 5nm 制程工藝水平，我國絕大部分的高端 CMP 設備也由美國應用材料和日本荏原提供。^[55]

CMP 設備全球市場情況，制表丨果殼硬科技

參考資料丨國金證券 ^[56]

國內方面，目前主要為中低端產品，12 英寸高端 CMP 設備處在產品驗證階段，其中，華海清科 CMP 設備已正式進入集成電路生產線，盛美半導體 CMP 設備主要用于后段封裝的 65～45nm 銅互聯工藝，由中電科 45 所 CMP 技術專家創業建立的杭州眾德公司也正逐漸邁向新一步。^[51]

清洗設備

半導體中的清洗技術是指在氧化、光刻、外延、擴散和引線蒸發等半導體制造工序前，采用物理或化學方法，清除污染物和自身氧化物的過程。

芯片有著嚴重的潔癖，這是因為沾污帶來的缺陷引起的芯片電學失效，比例高達 80%^[57]。假若在晶圓制造環節中有污染物未能完全清除，輕則影響晶圓良率，重則導致一整片乃至成批晶圓報廢。

清洗能夠貫穿了芯片制造的全產業鏈，占據 30% 以上的半導體制造工序步驟。SEMI 數據顯示，在 80nm~60nm 制程中清洗工藝共有約 100 個步驟，而到了 20nm~10nm 制程中清洗工藝增加到 200 個步驟以上 ^[58]。也是重復次數最多的工序，包括三類工序：

• 在硅片制造過程：清洗拋光后的硅片，保證表面平整度和性能，提高后續工藝的良品率；

• 在晶圓制造過程：在光刻、刻蝕、沉積、離子注入、去膠等關鍵工序前后清洗，減小缺陷率；

• 在芯片封裝過程：根據封裝工藝進行 TSV 清洗、UBM / RDL 清洗、鍵合清洗等。

根據清洗介質的不同，半導體清洗分為濕法清洗和干法清洗，前者采用去離子水和化學溶劑，輔以超聲波、加熱、真空等物理方法，對晶圓表面進行清洗，后者不使用化學溶劑的清洗技術。其中，90% 的清洗步驟使用的都是濕法清洗技術，不過二者缺一不可，各自發揮不同作用。

清洗設備在半導體設備價值鏈中占比約為 6%，從國際和國內清洗設備現狀來看，馬太效應顯著。全球半導體清洗設備市場呈現高度集中的態勢。Gartner 數據顯示，DNS（迪恩士）、TEL（東京電子）、SEMES 與 LAM（泛林半導體）分別占據 2020 年全球半導體清洗設備市場份額的 45.1%、25.3%、14.8% 和 12.5%。^[59]

國內能提供半導體清洗設備的企業非常少，主要包括盛美半導體、北方華創、芯源微及至純科技四家公司，目前四家國產企業均已具備 130nm~28nm 主流制程清洗設備技術，其中盛美半導體已在研 7/5nm 清洗設備技術。

相比其它種類半導體設備，清洗設備國產增速明顯，國產化率從 2015 年的 15% 提升到了 2020 年的 20%^[60]。國內短板主要在于先進濕法清洗設備，DNS（迪恩士）、TEL（東京電子）、LAM（泛林半導體）與 SEMES 四家公司就包攬了單片清洗設備市占率的 90%。

檢測和量測設備

集成電路生產工藝復雜，僅前道制程就存在數百道工序，量變引發質變，每道工序的缺陷都會隨時間推移而被放大到數倍甚至數十倍，所以只有保證每道工序都不存在缺陷，才能保證最終成品的性能。

換句話說，生產每走一步，就要用查看一次生產情況。就像醫療領域的 CT、彩超、生化分析儀等輔助檢測身體狀況的設備一樣，這些給芯片前道工藝“體檢”的工具就是檢測和量測設備。

幾納米的誤差、尺寸變化、顆粒或圖像錯誤，都會導致芯片無法正常工作，假若前道工藝每道工藝良率損失 0.1%，最終良率就會降低到 36.8%^[61]。檢測和量測設備作為前道檢測兩大設備，能夠有效控制制造過程，提高產量。

• 檢測設備：用于檢測晶圓表面缺陷（包括異物缺陷、氣泡缺陷、顆粒缺陷等），分為明 / 暗場光學圖形圖片缺陷檢測設備、無圖形表面檢測設備、宏觀缺陷檢測設備等；

• 量測設備：用于測量透明 / 不透明薄膜厚度、膜應力、摻雜濃度、關鍵尺寸、光刻套準精度等指標，對應設備分為橢偏儀、四探針、原子力顯微鏡、CD-SEM、OCD-SEM、薄膜量測等。^[62]

半導體檢測和量測設備研發難度高，投入大，但市場空間不如中下游集成電路或芯片那般大，且增速較為平穩。不過，它在制造設備中價值比重約為 12%，相對占比較大。

數據顯示，全球半導體量測設備將從 2021 年的 73 億美元提升至 2031 年的 133 億美元，年復合增長率 6.2%，同時這一領域全球集中度極高，科磊半導體（KLA）、應用材料（Applied Materials）、日立（Hitachi）三家全球市場占比分別為 50.8%、11.5%、8.9%。^[63]

我國半導體檢測與量測設備國產化率極低，2020 年我國半導體檢測和量測設備國產化率約為 2%，科磊半導體、應用材料、日立三家公司分別占據我國檢測和量測設備市場的 54.8%、9.0%、7.1%。而我國整體市場占全球市場約 27.4%，根據推算，2023 年我國檢測和量測設備市場規模能夠達到 326 億元。^[64][65]

3、前道工藝：材料消耗大戶

材料是生產芯片的基石，從古至今，歷史的發展與材料密切相關，各個時代都以相應的材料名稱作為其標志，如石器時代、陶器時代、青銅器時代、鐵器時代、瓷器時代 ^[66]，而放眼當下，卡脖子的 35 項技術幾乎都與材料有關。^[67]

半導體行業無疑是把材料玩出花的行業，涉及的材料品類和需求量都非常大，而這些材料也會是前期加工至關重要的一環。

半導體材料分為晶圓制造材料和封裝材料兩種，前期加工消耗的材料主要包括硅材料、靶材、CMP 拋光材料、光刻膠、濕電子化學品、電子特種氣體、光掩膜等。^[9]

SEMI 數據顯示，全球半導體材料占整體行業市場規模從 2015 至 2021 年呈先降后升的趨勢，2021 年全球半導體材料市場約占全球半導體產業總規模的 11.56%^[9]。2022 年全球半導體材料市場銷售額達 727 億美元，相比 2021 年的 668 億美元增長 8.9%，其中晶圓制造材料和封裝材料銷售額分別為 447 億美元和 280 億美元，分別占全球材料市場銷售額的 61.5% 和 38.5%。此外，2022 年中國大陸材料銷售額為 129.7 億美元，占全球市場約 17.8%。^[68]

硅材料

半導體行業的硅料消耗量極大。統計顯示，2015 年~2021 年國內半導體硅料市場規模從 101.6 億元升至 250.5 億元，復合增長率達 16.2%，目前，國內半導體硅料生產企業技術水平進步明顯，且能夠在國內市場維持較高占比。^[9]

半導體硅料價格與半導體硅片行業景氣度掛鉤，SEMI 數據顯示，硅料價格從 2016 年 0.67 美元 / 平方英寸增長至 2021 年價格 0.98 美元 / 平方英寸。^[9]

掩模版

光掩模是光刻工藝中重要材料，用于選擇性阻擋曝光、輻照或物質穿透的掩蔽模版。簡單解釋來說，掩模版是光刻過程中的底片，能將上面的圖案復制到晶圓上。按用途，掩模版分為主掩模、中間掩模、工作掩模、移相掩模等。

如今媒體甚至正式刊物中，經常出現錯誤的寫法，如“掩膜版”或者“掩模板”，實際上，它的規范寫法是“掩蔽模具”的“模”，不應該寫成“薄膜”的“膜”，同時掩模版的“版”是“出版的版”，而非“板材”的“板”。^[26]

掩模版自身，也是由光刻工藝而來，但與芯片不同，掩模版本身要比芯片大得多，所以通常不會使用 DUV、EUV 光刻那樣又難又貴的光刻技術，而是采用光學圖形發生器、激光圖形發生器和電子束圖形發生器進行掩膜圖形曝光。^[26]

掩模版約占 12% 全球半導體材料市場，據推算，2021 年全球掩模版市場規模為 77.16 億美元，其中 24% 為顯示面板用掩模版，65% 為集成電路用掩模版。^[69]

平板顯示方面，Photronics（福尼克斯）、SKE、HOYA（豪雅）、LG-IT、清溢光電、路維光電分別占據 2020 年全球市場份額的 24%、22%、21%、21%、7%、5%；集成電路方面，全球 65% 的市場是由半導體廠商自行生產（如英特爾、三星等），第三方公司 Photronics（福尼克斯）、Toppan（凸版印刷）、DNP（大日本印刷）分別占據 2020 年全球市場份額的 11%、10%、8%。^[70]

2020 年全球掩模板市場，制表丨果殼硬科技

參考資料丨安信證券 ^[70]

光刻膠

光刻膠，又稱“光致抗蝕劑”，是光刻成像的承載介質，可利用光化學反應將光刻系統中經過衍射、濾波后的光信息轉化為化學能量，從而把微細圖形從掩模版轉移到待加工基片上。其被廣泛應用于光電信息產業的微細圖形線路的加工制作，是微細加工技術的關鍵性材料。

一言以蔽之，光刻膠是光刻工藝最重要的耗材，其性能決定了加工成品的精密程度和良品率。

從用量上來說，溶劑（主要為丙二醇甲醚醋酸酯，簡稱 PMA）是用量最大的材料，含量最高可達 90%，但在成本上并不突出，且不起關鍵作用；作為光化學反應的核心部分，光引發劑的用量僅有約 1%~6%；樹脂則在不同光刻膠產品中的用量區別很大。^[71]

從成本看，在半導體光刻膠領域，越先進的工藝，樹脂成本占比越高：以 KrF（氟化氪）光刻膠為例，樹脂成本占比高達約 75%，感光劑約為 23%，溶劑約為 2%。^[72]

根據曝光波長不同，半導體光刻膠可進一步分為普通寬普光刻膠、g 線（436nm）、i 線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、以及最先進的 EUV (<13.5nm) 光刻膠。

其中，ArF 光刻機涉及干法和浸沒式兩種工藝（區別在于鏡頭和光刻膠之間的介質是空氣還是液體），ArF 光刻膠也對應分為干法和浸沒式兩類。EUV 光刻膠則是制造難度最高的產品，也是 7nm 及以下制程芯片加工過程中的核心原材料。

2019 年全球光刻膠市場規模預計約 91 億美元，自 2010 年至 2019 年年復合增長率約為 5.4%，推算 2021 年數據為百億左右；同期中國本土光刻膠市場規模約在 88 億人民幣左右 ^[73]。而其中，全球的半導體光刻膠市場規模約為 17.5 億美元。^[74]

細分市場方面，ArFi 光刻膠（即浸沒式 ArF 光刻膠）和 KrF 光刻膠市場份額最大，均在 30% 以上，其次是 g / i 光刻膠，市場份額約為 17%，EUV 及其它類型半導體光刻膠合計僅有 1% 左右。但從未來發展看，作為代表著先進集成電路發展趨勢的 EUV 光刻的關鍵耗材，EUV 光刻膠對將芯片制程推進至 5nm 以下起關鍵作用，成長性無疑是最好的。^[75]

整體業態方面，全球光刻膠市場高度集中，日美把控著絕大部分市場份額。日本的 JSR、東京應化、信越化學及富士膠片四家企業占據了全球 70% 以上的市場份額，整體壟斷地位穩固。^[75]

全球半導體光刻膠市場中，日本企業穩居壟斷地位。2020 年，日本企業在全球半導體光刻膠市場中占據的份額至少在 60% 以上，其中東京應化以 25.6% 的市場份額占據龍頭地位；美國杜邦位列第二，市場份額為 17.6%。細分市場中，2020 年，日本東京應化在 g / i 線、KrF 和 EUV 光刻膠市場的份額位列全球第一；JSR 則以 24.9% 的市場份額把持著 ArF 光刻膠市場。^[74]

國內方面，相對低端的 PCB 光刻膠仍然占國內 94% 左右供應，而高端面板光刻膠與半導體光刻膠則非常之少 ^[76]。具體到半導體，目前適用于 6 英寸硅片的 g 線、i 線光刻膠的自給率約為 10%，適用于 8 英寸硅片的 KrF 光刻膠自給率不足 5%，而適用于 12 寸硅片的 ArF 光刻膠基本依賴進口，更先進的 EUV 則連研發都處于相當早期的階段 ^[77]。產能上，國內企業的產品，僅 g / i 線光刻膠實現批量應用，KrF 僅少數研發進度領先企業實現小批量應用。

電子氣體

任何電子產品都逃不開電子氣體，它是重要的基礎性原材料，被喻為工業制造的“血液“或”糧食”。電子氣體僅占芯片總成本的 5%~6%^[78]，但下游廠商對電子氣體的需求具有剛性和穩定性，導致對價格的敏感度較低，從而使電子氣體擁有較強的成本轉嫁能力。

電子氣體分為電子特種氣體和電子大宗氣體兩大類 ^[79]，二者對制造都極為重要。電子大宗氣體與特種氣體應用廣泛，涉及集成電路制造、光伏制造、顯示面板制造等領域，不同領域間所用氣體存在一定交集。其中，三氟化氮（NF₃）、硅烷（SiH₄）和氨氣（NH₃）是集成電路制造、光伏制造、顯示面板制造領域的三大主要氣體。

電子產品都是大胃王，一款產品需要幾十甚至上百種電子氣體。以集成電路為例，涉及電子氣體約 100 多種，核心工段約 40~50 種 ^[80]。雖然每種氣體用量并沒有很大，但種類繁多，整體用量就變大了。從全球市場占比來看，硅烷約為 22%，三氟化氮為 13%，離子注入氣為 10%，氟碳類為 6%，六氟化鎢為 4%，笑氣為 4%，鍺烷為 3%，高純氨為 3% 以及大量其它氣體。^[81]

目前，美國空氣化工、德國林德集團、法國液化空氣、日本大陽日酸四家海外巨頭占據了全球約九成市場 ^[82]。我國所用電子氣體以外資為主，雖然國內部分企業已具備生產高純電子氣體的能力，卻很難進入集成電路領域 ^[83]，集成電路所用的電子特氣我國僅能生產約 20% 品種 ^[84]，國產化率不足 15%^[85]。與此同時，國內高端電子特氣幾乎全部依賴進口。^[86]

迄今為止，國內電子氣體玩家分為三類：

• 第一類是以工業氣體為主營業務，產品覆蓋到部分品種電子氣體，代表公司有華特氣體、金宏氣體；

• 第二類是專注深耕電子特氣的公司，代表公司有派瑞特氣、昊華科技、華宇同方；

• 第三類是電子材料平臺型公司，除電子氣體外，業務還涉及其它電子材料，代表公司有雅克科技、南大光電。^[87]

我國電子大宗氣體 2020 年市場規模為 1632 億元，同比增長 10.49%，預計 2023 年有望突破 2000 億元，達到 2172.2 億元，由于細分行業壁壘高，目前國產化率較低 ^[88]；2021 年中國特種氣體市場規模預計達 342 億元，其中電子特氣預計達 216 億元，電子特氣占特種氣體接近 6 成。^[82]

對比國內外發展情況，國際廠商供應客戶均為尖端制造廠商，產品品種覆蓋面更廣，供氣模式也更豐富，大部分可提供 TGM 供氣模式。國內則缺乏高端氣體技術，同時僅少部分公司擁有 TGM 模式。從技術角度來看，雖然我國已在氣體提純技術、容器處理技術、氣體充裝技術和檢測技術上達到國際通行標準 ^[89]，但整體水平仍與國際存在差距。

工藝化學品

工藝化學品（Process Chemicals）是國際的一種統稱，在美國、歐洲和中國臺灣地區又被稱為濕化學品，而在國內則也“電子級試劑”“超凈高純化學試劑”等更精準的表達方式。本文主要使用濕電子化學品這種行業通用的稱呼。

濕電子化學品極為重要，SEMI（國際半導體設備與材料協會）也將其單門劃分為一類進行統計，它影響著集成電路的成品率、電性能及可靠性 ^[90]。此外，從 28nm 到 5nm 總工藝步驟將由 400 次增加至 1200 以上，其中清洗工藝占總工藝 25~30%，進一步帶動高端濕電子化學品需求量。^[91]

顧名思義，濕電子化學品是用于光刻、刻蝕、離子注入、CMP、清洗等制造工藝中的各種液體，可劃分為通用濕電子化學品和功能濕電子化學品兩類。

• 通用濕電子化學品是制造工藝中被大量使用的液體化學品，一般為單成份、單功能化學品，如氫氟酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等；

• 功能濕電子化學品是滿足制造特殊工藝需求的復配類化學品，如顯影液、剝離液、蝕刻液、稀釋液、清洗液等。^[92]

與電子氣體類似，濕電子化學品也追求高純度。目前，全球均執行 SEMI 國際標準，根據金屬雜質、控制粒徑、顆粒數、IC 線寬分級，不同分級適用應用不同。

目前，國際大規模濕電子化學品生產企業包括德國巴斯夫（Basf）、美國亞什蘭（Ashland）、美國 Arch 化學、美國霍尼韋爾（Honeywell）、美國 Mallinckradt Baker、日本關東化學、日本三菱化學、日本京都化工、日本住友化學、日本和光純藥工業 （Wako）、日本 stella-chemifa、韓國東進等。我國主要企業則包括多氟多材料、江陰江化微、江陰潤瑪、蘇州晶瑞、浙江凱盛氟、滄州信聯、無錫三開、鎮江潤晶等。^[93]

全球濕電子化學品主要企業及情況，制表丨果殼硬科技

參考資料丨格林達招股書 ^[92]

數據顯示，2022 年全球集成電路用濕化學品市場規模為 56.90 億美元，2025 年則可增長至 63.81 億美元，其中中國總體市場規模將在 2025 年增長至 10.27 億美元。^[91]

雖然我國濕電子化學品已在太陽能電池領域已實現國產替代，但在半導體和平板顯示領域市占率僅有 23% 和 35%，此外，2019 年中國大陸企業在超凈高純化學品市場供應上僅占中國市場的 9%，超凈高純試劑無論是在質量上，還是數量上都難以滿足電子工業需求。^[94]

濺射靶材

濺射靶材是沉積薄膜的原材料，而濺射（Sputtering）工藝則屬于物理氣相沉積（PVD）技術的一種。

濺射靶材由靶坯、背板等部分構成，其中靶坯屬核心部分，是高速離子束流轟擊的目標材料。

濺射靶材應用廣泛，包括半導體芯片、平板顯示、太陽能電池等。針對不同領域，也對金屬材料提出了不同性能要求。

一般來說，半導體芯片對濺射靶材要求最高，其對金屬材料純度、內部微觀結構等方面設定了嚴苛標準，包括鋁靶、鈦靶、銅靶、鉭靶、鎢鈦靶等，純度要求一般在 5N（99.999%）以上。

• 超高純鋁及其合金是目前使用最廣泛的半導體芯片配線薄膜材料之一；

• 超高純鈦主要作為阻擋層薄膜材料之一，鈦靶材及環件與超高純鈦靶材配套應用于 130nm~5nm 工藝；

• 超高純鉭是阻擋層薄膜材料，鉭靶材及環件應用于 90nm~3nm 等最尖端工藝中；

• 超高純銅及銅錳、銅鋁合金靶材是目前使用最廣泛的先端半導體導電層薄膜材料之一，銅及銅合金作為導電層通常用于 90nm~3nm 技術節點的先端芯片中。^[96]

濺射靶材產業各環節參與企業數量基本呈金字塔型分布，最高端應用的高純濺射靶材難度極高，僅日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯等少數幾個美日企業能夠生產 ^[95]，四家公司合計占據 80% 以上全球市場。^[97]

此外，濺射靶材各國發展也不同。美日企業擁有最完整的濺射靶材產業鏈，韓國、新加坡則在磁記錄及光學薄膜領域有所特長，我國則起步較晚，主要擁有江豐電子、有研新材、阿石創、隆華科技四家企業，目前已有部分企業初步實現高端應用濺射靶材。

CMP 拋光材料

CMP 拋光液是 CMP 過程重要耗材，約占 CMP 成本的 50%，主要由磨料、去離子水、PH 值調節劑、氧化劑及分散劑等添加劑組成，其中納米磨料是決定性原料，多為硅溶膠、SiO₂、CeO₂、納米級 Al₂O₃ 顆粒等。^[90]

2022 年全球晶圓制造用拋光液市場預計超 20 億美元，2026 年可達到 26 億美元。國內方面，增速有望高于全球市場，2025 年國內拋光液市場有望占全球市場的 25%，達 40 億元人民幣，2021 年~2025 年復合增長率達 15%。^[91]

目前，全球僅有少數幾家化學機械拋光漿料供應商，包括 Cabot、Versum、Hitachi、Fujimi 和 Dow 五家美日廠商，五家廠商合計占據 2018 年全球 CMP 拋光液近八成市場份額，而國內僅安集科技僅占全球 2.44% 市場份額 ^[98]。國內市場 Cabot 也占據了大部分市場，而其磨料直徑可達 15~20nm。

反觀國內，CMP 拋光液國產化率約 5%，主要企業包括安集微電子、上海新安納電子、北京國瑞升科技。其中，安集微電子部分產品成功進入國內外 8 英寸和 12 英寸芯片生產線，上海新安納電子作為二氧化硅納米磨料供應商，產品已成功應用于 8 英寸和 12 英寸晶圓拋光，海新安納則在存儲拋光液上取得進展。^[13]

4、后道工藝：讓加工品成為芯片

當前期加工完畢，離芯片就只差一步，此時剛剛從晶圓上切下來的芯片只是裸芯片（die），需要進一步封裝，才能稱之為芯片，最后經過測試的芯片才能出廠到我們手里。

在行業中，封裝和測試多被劃入一個領域，即封測 (Semiconductor assembly and test manufacturing，ATM) ，工藝流程包括劃片、裝片、 鍵合、塑封、去飛邊、電鍍、打印、切筋和成型、外觀檢查、成品測試、包裝出貨等。^[99]

簡單來說，就是在一顆顆芯片從刻好電路的晶圓上切割下來前，測試一遍各種參數，通過測試后，再像裝香腸一樣，封裝成芯片，之后再測試一遍芯片的性能。

按國際主流思想，芯片制造成本中，設計約占三分之一，芯片制造約占三分之一，而封裝和測試也占約三分之一，是芯片制造中重要一環 ^[100]。而其中，封裝環節的價值占半導體封測比例約 80%~85%，測試環節占 15%~20%。^[101]

半導體封測是我國最早轉型的制造環節，迄今為止，它已成為我國集成電路產業鏈中相對成熟的環節。早在 2010 年，我國就已在封裝測試環節實現 632 億元的銷售額，其產值一度占據我國集成電路產業總產值的 70% 以上。^[99]

與前道工藝相同，封裝和測試也需要設備和材料。根據 SIA 分類，后道工藝主要包括封裝設備和測試設備兩類，耗材則主要是封裝材料。^[60]

封裝設備

芯片又小又薄，如若不施加保護，很容易便會刮傷損壞。封裝就相當于是給芯片做了一層保護殼，并預留好各種接線引腳，方便后期連接使用。^[102]

封裝的方式多種多樣，傳統封裝會耗費相當大體積，此外，當不同功能集成電路都整合在一起時，電路的間距越小，性能才會越好，所以行業不斷探索更為先進的封裝方式。通俗來講，就是把這層殼做得越來越輕薄，越來越緊湊。

從上世紀 70 年代起到現在，誕生了大量封裝方式，呈現出百花齊放的態勢。

從創新角度看，封裝分為傳統封裝和先進封裝。傳統封裝包括最初的直插型封裝 DIP、小外形封裝 SOP、方型扁平式封裝 QFP、球柵陣列封裝 WB BGA 等；先進封裝相比傳統封裝，效率更高、性能更好、成本更低，同時以小型化、輕薄化、窄間距、高集成為特點，包括倒裝 FLIP-CHIP、晶圓級封裝 WLCSP、扇出型封裝 INFO 以及 2.5D / 3D 等。^[103]

相比傳統封裝，先進封裝無疑才是未來發展的重點，它是突破 "存儲墻"" 面積墻 ""功耗墻"" 功能墻 "這" 四堵墻 " 的關鍵。早在 2012 年就有研究預言，采用 2.5D 和 3D 封裝技術的集成電路將從 2012 年約 6000 萬顆發展到 2016 年超 5 億顆。^[100]

此外，先進封裝也 Chiplet（小芯片，又稱芯粒）息息相關。Chiplet 指的是將單顆片上系統級芯片（SoC）的特定功能分散成一個個小芯片，再利用封裝技術整合在一起，構成多功能異構系統級封裝（SiP），就像搭積木一樣，可以有效縮短產品開發周期，降低整體成本，提高器件算力，提升產品良率。^[104]

目前，芯片封裝存在多種玩家，包括整合元器件制造商（IDM）、晶圓代工廠（Foundry）以及委外封測代工廠（OSAT）。

當芯片制程發展逐漸觸及摩爾定律的底線，3D 封裝、扇形封裝（FOWLP / PLP）、微間距焊線技術以及系統封裝（SiP）成為延續摩爾定律的可選項，封測行業也逐漸從傳統封測向先進封測過渡，先進封裝技術在市場上的占比不斷提升。

Yole 數據顯示，2021 年全球先進封裝市場規模為 374 億美元，預計 2027 年可達 650 億美元，年復合增長率達 9.6%，此外，先進封裝市場增長將更為顯著，成為全球封測市場主要增量。^[106]

從 IDM 和 Foundry 角度來看，巨頭們是先進封裝技術的引領者，不斷搶灘技術創新。臺積電相繼推出基板上晶圓上的芯片（Chip on Wafer on Substrate，CoWoS）封裝、整合扇出型（Integrated Fan-Out，InFO）封裝、系統整合芯片（System on Integrated Chips，SoIC）等；英特爾推出 EMIB（2.5D）、Foveros（3D）和 Co-EMIB 等先進封裝技術；三星電子推出扇出型面板級封裝（Fan-Out Panel Level Package，FOPLP）技術。

從全球委外封測（不包含 IDM 自有封測和晶圓代工公司提供封測）角度來看，芯思想研究院（Chip Insights）數據顯示，2022 年全球委外封測整體營收為 3154 億元，同比增長 9.82%，其中前十強營收達 2459 億元，同比增長 10.44%。^[107]

2020 年，我國封裝市場規模達到 2509.5 億元，其中先進封裝市場規模 351.3 億元，占比例約 14%，預計 2025 年我國先進封裝市場規模將達到 1137 億元，占比將達 32.0%。^[108]

封裝工藝流程較長，包括劃片、裝片、鍵合、打線、塑封、電鍍、上球、打標、切筋成型等工序 ^[109]，每種工序都需要一種設備，主要包括磨片機、劃片機、固晶機、鍵合機、塑封設備、打標設備等。

從細分市場來看，貼片機、劃片機、引線機三大主要封裝設備占全球封裝設備市場份額分別為 30%、 28%、23%，據推算 2021 年貼片機、劃片機、引線機對應市場空間分別為 21.0 億美元、19.6 億美元、16.1 億美元。^[110]

SEMI 數據顯示，2021 年全球半導體封裝設備市場規模為 71.7 億美元 ^[111]，其中大部分市場由國際寡頭壟斷，其中 K&S 球焊機全球市占率達 64%，Disco 劃片機和減薄機全球市占率達 2/3 以上，Besi、 ASM Pacific 壟斷裝片機市場，Besi、日本 Towa、ASM Pacific 和日本 Yamada 是塑封系統主要品牌。^[110]

國產方面，封測設備國產化率不足 5%，低于制程設備整體 10%~15% 的國產化率 ^[109]。其中，劃片機以中國電子科技集團公司第 45 研究所、武漢三工光電、江蘇京創、 沈陽和研和鄭州琦升為代表，固晶機以新益昌、艾科瑞思、大連佳峰為代表，塑封設備以文一三佳、安徽耐科裝備為代表。

測試設備

測試設備穿插在封裝工藝的一前和一后，即晶圓檢測（CP，Circuit Probing，又稱中測）和成品測試（FT，Final Test，又稱終測）。

簡單來說，就是在一顆顆芯片從刻好電路的晶圓上切割下來前，測試一遍各種參數，通過測試后，再像裝香腸一樣，封裝成芯片，之后再測試一遍芯片的性能。

測試設備包括測試機（Tester）、探針臺（Prober）、分選機（Test Handler）三種，無論是晶圓檢測還是成品測試，測試芯片均需先將芯片引腳與測試機功能模塊相連（探針臺和分選機的作用），再通過測試機向芯片輸入信號，并檢測輸出信號。^[112]

三種測試設備中，測試機市場更大，技術壁壘也更高，不止如此，客戶還對測試精度、響應速度、存儲能力、采集分析能力、應用程序定制化、平臺延展性等方面提出越來越高的要求。

半導體封測是我國最早轉型的制造環節，迄今為止，它已成為我國集成電路產業鏈中相對成熟的環節。早在 2010 年，我國就已在封裝測試環節實現 632 億元的銷售額，其產值一度占據我國集成電路產業總產值的 70% 以上 ^[113]。而在 2020 年，我國半導體測試設備市場規模達到 91.4 億元，并且連續多年成為全球最大半導體銷售市場。

雖然看似一片繁榮，但實際核心的測試機國產市占率較低。通過查看 2015 年到現在國內封測廠商長電科技公開招標信息，測試機主要以海外頭部廠商為主。

2019 年，美國泰瑞達（Teradyne)、日本愛德萬（Advantest）兩大龍頭全球合計市占率達到 90%，占據國內測試設備市場將近 91.2% 的市場份額，此外，美國科休（Cohu）、美國安捷倫（Agilent)、美國科利登（Xcerra）等廠商也長期盤踞位居前幾。反觀國內本土市場，華峰測控占比國內市場份額僅 6.1%，長川科技為 2.4%。^[114]

相比來說，愛德萬、泰瑞達早在 20 世紀 60~70 年代進入半導體測試領域，我國則起步較晚，所以產品線單一，側重于模擬 / 混合測試機，海外廠商則在 SoC 測試機、存儲測試機、模擬 / 混合測試機三大種類均有涉獵。

探針臺方面，Tokyo Electron 和 Accretech 占據全球 73% 份額，惠特科技（Fittech）、旺矽科技（MPI）兩家中國臺灣企業占據剩余市場份額大部分空間。^[114]

封裝材料

封裝材料按類型可分為陶瓷、金屬和聚合物三大類。其中，90% 以上使用的是塑料，陶瓷和金屬合計占比約為 10%。^[115]

封裝材料分類及特點，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《中國膠粘劑》^[116]

按用途，封裝材料分為封裝基板、引線框架、鍵合絲、塑封料四大主材，全球市場占比分別為 32.46%、16.75%、16.23% 和 6.81%。

• 封裝基板：日韓企業市占率將近達到 90%，國內主流基板廠包括深南電路、珠海越亞、興森科技、丹邦科技；

• 引線框架：三井高科、新光電器、SDI、ASM、長華科技、HDS、寧波康強幾家企業市占率分別為 12%、10%、9%、9%、8%、7%、4%，國內企業主要包括寧波康強、寧波華龍、廈門永紅、廣州豐江微電子、深圳富美達、無錫華晶利達、濟南晶恒山田、泰州市永志、寧波埃斯科光電、四川金灣電子、天水華洋、天水華天、泰州東田、銅陵豐山三佳等，雖然企業較多，但依然沒有形成產業集群，且技術落后；

• 鍵合絲：日本田中貴金屬、新日鐵、德國賀利氏、韓國 MKE、Heesung 等國際廠商占據主要市場，國內鍵合絲生產企業共有二十幾家，代表企業為賀利氏、田中等，但缺乏對于新技術的掌控力；

• 塑封材料：95% 以上集成電路都使用塑料封裝，而其中又有 97% 以上都是環氧樹脂，塑封材料日本住友電木、日立化成、京瓷化學、信越化學、松下電工、韓國三星 Cheil 占據主要市場，國內擁有二十幾家塑封料生產商，但缺乏高端產品。^[13]

SEMI 數據顯示，2022 年~2027 年，全球半導體封裝材料市場規模將從 261 億美元增長至 298 億美元，年復合增長率達 2.7%。^[117]

5、寫在最后

不可否認的是，雖然國內陸續涌現一批有實力的制造企業，但相比國際仍存在 5 年以上的技術落差，缺乏高端技術和產品。芯片制造從晶圓制造、前期芯片加工到封裝測試層層相扣，但凡其中一個環節存在落后，都會成為國產芯片制造的痛點。^[118]

業界也普遍認為，國產半導體設備自給率低主因在于系統、終端、制造和封測廠商習慣性采購國外大廠產品，造成本土設備難以自證自身實際生產制造能力。^[119]

除此之外，造芯片，晶圓廠是關鍵，這其中也蘊含許多門道。

首先，半導體晶圓制造屬規模經濟行業，必須在不同地區建立多座制造工廠以充分利用閑置資源，如臺積電在中國、美國、新加坡等地均設有晶圓廠。

其次，晶圓廠一經建立，必須保持全年每日 24 小時不停歇運轉，長時間持續生產難免產生性能下降、故障率增加等問題，預防性維護是做晶圓廠的必修課。

另外，晶圓廠對加工工廠的空氣潔凈度、濕度、溫度等指標都有嚴格的要求，要知道芯片制造的無塵室內潔凈度能夠達到醫院手術室的 100000 倍。

最后，制造業屬高耗能產業，生產過程產生大量污染環境的有害氣體和液體，廢水廢氣處理和低碳都是關鍵。^[120]

可以說，芯片制造是國產芯片的最為重要的推動力，只有當我們全面擁抱制造，才能真正支撐起來芯片設計和應用等環節，而這將會是不斷的投入和企業不斷的整合并購。

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本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌

總結

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