半导体生产设备有哪些？

半导体专用设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备，属于半导体行业产业链的关键支撑环节。

半导体专用设备是半导体产业的技术先导者，芯片设计、晶圆制造和封装测试等需在设备技术允许的范围内设计和制造，设备的技术进步又反过来推动半导体产业的发展。

以半导体产业链中技术难度最高、附加值最大、工艺最为复杂的集成电路为例，应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）两大类。其中的前道晶圆制造中有七大步骤，如下图所示：

半导体设备主要应用在半导体产业链中的晶圆制造和封装测试环节。硅片制造是半导体制造的第一大环节，硅片制造主要通过硅料提纯、拉晶、整型、切片、研磨、刻蚀、抛光、清洗等工艺将硅料制造成硅片，然后提供给晶圆加工厂。

半导体工业中有两种常用方法生产单晶硅，即直拉单晶制造法（CZ 法）和悬浮区熔法（FZ 法）。CZ 法是硅片制造常用的方法，它较 FZ 法有较多优点，例如只有 CZ 法能够做出直径大于 200mm 的晶圆，并且它的价格较为便宜。

CZ 法的原理是将多晶硅硅料置于坩埚中，使用射频或电阻加热线圈加热熔化，待温度超过硅的熔点温度后，将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩等径等步骤，完成一根单晶硅棒的拉制。

单晶生长炉是生产单晶硅的主要半导体设备。

单晶硅棒完成后，还需要经过一系列加工才能得到硅片成品，主要涉及的半导体设备有切片机、研磨机、湿法刻蚀机、清洗机、抛光机和量测机。

晶圆制造是半导体制造过程中最重要也是最复杂的环节，整个晶圆制造过程包括数百道工艺流程，涉及数十种半导体设备。晶圆制造主要的工艺流程包括热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨和清洗。

热处理主要包括氧化、扩散和退火工艺。氧化是一种添加工艺，是将硅片放入高温炉中，加入氧气与之反应，在晶圆表面形成二氧化硅。扩散是通过分子热运动使物质由高浓度区移向低浓度区，利用扩散工艺可以在硅衬底中掺杂特定的掺杂物，从而改变半导体的导电率，但与离子注入相比扩散掺杂不能独立控制掺杂物浓度和结深，因此现在应用越来越少。

退火是一种加热过程，通过加热使晶圆产生特定的物理和化学变化，并在晶圆表面增加或移除少量物质。

热处理工艺使用的半导体设备为氧化扩散设备，其实质为高温炉。高温炉分为直立式和水平式高温炉，高温炉主要包括五个基本组件：控制系统、工艺炉管、气体输送系统、气体排放系统和装载系统。高温炉必须具有稳定性、均匀性、精确的温度控制、低微粒污染、高生产率和可靠性。

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光刻工艺流程中最核心的半导体设备是光刻机，光刻机是半导体设备中技术壁垒最高的设备，其研发难度大，价值量占晶圆制造设备中的 30%。

光刻工序所使用的半导体设备除了核心设备光刻机外，还需要涂胶显影设备。涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，包括涂胶机、喷胶机和显影机，在 8 英寸及以上晶圆的大型生产线上，此类设备一般都与光刻设备联机作业，组成配套的圆片处理与光刻生产线，与光刻机配合完成精细的光刻工艺流程。

刻蚀工艺使用的半导体设备为刻蚀机。

离子注入所使用的半导体设备为离子注入机，离子注入机是非常庞大的设备，包括了气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和最重要的射线系统。根据离子束电流和束流能量范围，一般可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、高能离子注入机和中低束离子注入机。

CVD 工艺使用的半导体设备是化学气相沉积设备，全球的化学气相沉积设备市场主要由应用材料、泛林半导体和东京电子所垄断，CR3 为 70%。

从 CVD 设备种类来看，PECVD、APCVD 和 LPCVD 三类 CVD 设备合计市场份额约占总市场份额的 70%，仍旧是 CVD 设备市场的主流。

目前 ALD 设备尚未在集成电路行业中大规模使用，应用材料、泛林半导体和东京电子都已经推出了 ALD 设备，国内设备生产商在 ALD 设备方面也有布局。

PVD 工艺使用的半导体设备为 PVD 设备，全球 PVD 设备市场基本上为应用材料所垄断，其市场份额高达 85%，其次为 Evatec 和 Ulvac，市场份额分别为 6%和 5%。

CMP 工艺使用的半导体设备是化学机械研磨机。常见的 CMP 系统包括研磨衬垫、可以握住晶圆并使其表面向下接触研磨衬垫的自旋晶圆载具，以及一个研磨浆输配器装置。

在全球清洗设备市场，市场集中度较高。国内的清洗设备领域主要有盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技。

测试设备通过探针台和分选机将设备与芯片链接，通过施加激励信号并收集反馈，测试芯片的电流、电压等主要参数，判断芯片在不同工作环境下的性能有效性是否达到设计要求。1）设计检测是对晶圆样品和集成电路封装样品进行有效性验证；2）CP 检测是在晶圆制造环节提早发现失效产品；3）FT 检测是芯片产品投入市场之前最后的把关环节。

ATE 设备应用最多的是后道封测环节，我国半导体封测产能和技术方面均处于全球领先地位。半导体探针台设备行业集中度较高。

分选机按照系统结构可以分为三大类别，即重力式分选机、转塔式分选机、平移拾取和放置式分选机。全球分选机市场由爱德万、科休、爱普生三家企业所垄断，国内的分选机生产商主要有长川科技。

根据 SEMI 数据，预计 2021 年全球半导体专用设备市场规模突破 700 亿美元，中国半导体设备市场规模达 164 亿美元，同比增速保持 10%以上。Gartner 数据统计，测试类设备占半导体设备总市场的 8-9%，推算 2020 年全球测试设备市场规模约 55 亿美元。

半导体测试设备主要可分为测试机、探针台和分选机三大类，其中测试机占比约65%。根据赛迪咨询数据，2018 年我国半导体测试机按应用领域划分，存储类占比43.8%，SoC 类占比 23.5%，其余还包括数字、模拟和分类器件等。

测试类设备占半导体设备总市场的 8-9%，推算 2020 年中国大陆测试设备市场规模约 80 亿人民币，其中测试机市场约 50 亿元。

全球半导体后道测试市场被海外龙头高度垄断，前三企业合计市场占比达 98%。国际龙头厂商在技术和市场占有率均处于绝对领先地位，产品布局集中在 SoC 和存储器测试领域。

封装是将芯片在基板上布局、固定及连接，并用可塑性绝缘介质灌封形成电子产品的过程，目的是保护芯片免受损伤，保证芯片的散热性能，以及实现电能和电信号的传输，确保系统正常工作。封装设备主要有切割减薄设备、引线机、键合机、分选测试机等。

半导体设备位于产业链的上游，其市场规模随着下游半导体的技术发展和市场需求而波动。2013-2018 年，在智能手机和消费电子快速发展的推动下，半导体设备进入了一个持续上升的行业周期，市场规模从 317.9亿美元增长到了 645.3 亿美元，5 年 GACR 为 15%。而 2019 年全球半导体设备支出为 597.5 亿美元，同比下降7.4%，增长势头稍有回落。

根据 SEMI 预测，2020 年全球半导体设备市场规模达创纪录的 689 亿美元，同比增长 16%，2021 年将达 719 亿美元，同比增长 4.4%，2022 年仍旧保持增长态势，市场将达 761 亿美元，同比增长 5.8%。

随着 PC 和消费电子在国内的市场不断扩大，对于集成电路的旺盛需求带来了国内对于集成电路产业的持续投资。自 2013 年以来国内的半导体设备市场规模不断增长，2013 年国内半导体设备市场规模 33.7 亿美元，根据 SEMI 预测，2020 年市场规模预计达 181 亿美元，七年 CAGR 达 27%。在 2019 年全球半导体资本支出低迷的情况下，国内半导体设备支出仍旧保持了增长态势，市场规模达 134.5亿美元。同比增长 2.5%。

在国家政策和资金支持下，2021 和 2022 年中国大陆的半导体设备支出将持续保持高位，市场规模将保持在 180 亿美元。2019 年国产半导体设备销售额为 161.82 亿元，同比增长 30%。其中集成电路设备销售额为 71.29 亿元，同比增长 55.5%。而中国大陆 2019 年半导体设备市场规模 134.5 亿美元，国产化率约 17%，具备较大国产替代空间。