半导体产业与面板产业相似,都是重资产投入,设备投资占总投资规模的比例达到60%以上,其中一些关键的制程环节需要综合运用光学、物理、化学等科学技术,具有技术含量高、制造难度大、设备价值高等特点。因此下游产业的发展衍生出了巨大的设备投资市场。
IC产品生产附加值极高,工艺进步依托于设备提升。目前的集成电路技术大多基于元素硅,并在晶片上构建各种复杂电路。硅元素在地壳中的含量达到26.4%,是仅次于氧的第二大元素,而单晶硅则可通过富含二氧化硅的砂石经提炼获得。由价格低廉的砂石到性能卓越的芯片,IC的生产过程就是硅元素附加值大量增长的过程。
从最初的设计,到最终的下线检测,生产过程需经过几十步甚至几百步的工艺,整个制造过程工艺复杂,其中任何一步的错误都可能是最后导致产品失效的原因,因此对设备可靠性的要求极高。下游厂商也愿意为高可靠性、高精度设备支付技术溢价,这也是半导体投资中设备投资占比较高的原因之一。
从生产工艺来看,半导体制造过程可以分为IC设计(电路与逻辑设计)、制造(前道工序)和封装与测试环节(后道工序)。设备主要针对制造及测封环节,设计部分的占比较少。
图1:集成电路生产流程

IC设计:是一个将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程,主要包含逻辑设计、电路设计和图形设计等。将最终设计出的电路图制作成光罩,进入下一个制造环节。由于设计环节主要通过计算机完成,所需的设备占比较少。
IC制造:制造环节又分为晶圆制造和晶圆加工两部分。前者是指运用二氧化硅原料逐步制得单晶硅晶圆的过程,主要包含硅的纯化->多晶硅制造->拉晶->切割、研磨等,对应的设备分别是熔炼炉、CVD设备、单晶炉和切片机等;晶圆加工则是指在制备晶圆材料上构建完整的集成电路芯片的过程,主要包含镀膜、光刻、刻蚀、离子注入等几大工艺。i.镀膜工艺:通过PECVD、LPCVD等设备,在晶圆表面增加一层二氧化硅构成绝缘层,使CPU不再漏电;ii.光刻工艺:通过光刻机,对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔,以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术,加工的晶体管数量和密度都会随着制程工艺的升级而不断加强;iii.刻蚀工艺:通过刻蚀机,对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离;iv.离子注入:通过离子注入机或扩散炉为材料加入特殊元素,从而优化材料表面性能,或获得某些新的优异性能。
IC测封:封装是半导体设备制造过程中的最后一个环节,主要包含减薄/切割、贴装/互联、封装、测试等过程,分别对应切割减薄设备、引线机、键合机、分选测试机等。将半导体材料模块集中于一个保护壳内,防止物理损坏或化学腐蚀,最后通过测试的产品将作为最终成品投入到下游的应用中去。
图2:集成电路核心工艺对应设备
