离子注入机：四大核心装备之一，迎来国产替代机遇!

半导体材料与工艺设备

2022年3月17日 10:45

离子注入机：半导体晶圆制造等领域的关键设备之一

在半导体晶圆制造中，由于纯净硅的导电性能很差，需要加入少量杂质使其结构和电导率发生改变，从而变成一种有用的半导体，这个过程称为掺杂。 目前掺杂主要有高温热扩散法和离子注入法两种，离子注入占据着主流地位：

高温热扩散法： 将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，将杂质扩散到硅片内的方法。由于热扩散存在精度较难控制、高热热缺陷等缺点，在现在的工艺中已经较少采用。

离子注入法： 通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束形式入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子发生一系列理化反应，入射离子逐渐损失能量，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，最后停留在材料中，实现对材料表面性能的优化或改变。离子注入具备精确控制能量和剂量、掺杂均匀性好、纯度高、低温掺杂、不受注射材料影响等优点，目前已经成为0.25um特征尺寸以下和大直径硅片制造的标准工艺。

离子注入机与光刻机、刻蚀机和镀膜机并称四大核心装备，开发难度仅次于光刻机。具体分类，根据《离子注入机通用规范》（GB/T 15862-2012），离子注入机按能量高低可分为：低能离子注入机、中能离子注入机、高能离子注入机和兆伏离子注入机；按束流大小可分为：小束流离子注入机、中束流离子注入机、强流离子注入机和超强流离子注入机（通常将强流离子注入机和超强流离子注入机统称为大束流离子注入机）。

由于集成电路制程向14nm及以下继续缩小，源漏极的结深相应减小，为了实现浅层掺杂，低能大束流（高剂量/浅度掺杂）日渐成为主流，其技术难度也最高，根据浦东投资的统计，目前低能大束流占有离子注入机市场的55%。

按下游领域分类，目前离子注入机可用于众多领域，包括集成电路与IGBT制造领域、太阳能电池生产领域、AMOLED面板制造等。

离子注入机主要由离子源、磁分析器、加速管或减速管、聚焦和扫描系统、工艺腔（靶室和后台处理系统）五部分组成。设备工作时，从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子，分析后的离子经加速或减速以改变离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度。

市场空间：全球市场规模较大，未来有望继续扩大

半导体制造：25 亿美元空间，受益下游需求与技术演进规模有望扩大

根据SEMI的统计，2018年全球晶圆加工设备市场规模达到502亿美元，同比增 52%。根据中商产业研究院的统计，离子注入机占晶圆加工设备的比重大约为5%，因此2018年用于晶圆制造的离子注入机全球市场规模达到了25亿美元。

展望未来，我们认为半导体离子注入机行业的未来成长驱动力来源于两点：

一方面，离子注入机长期看受益于全球半导体需求增加与产线产能的扩充。 全球半导体产业空间广阔，根据全球半导体贸易统计组织（WSTS）的数据，2018年全球半导体（含分立器件、光电子、传感器、集成电路）市场规模高达4687.8亿美元，同比增13.7%，十年复合增速达6.5%。

展望未来，我们认为在5G、AI、汽车电子等新兴领域的驱动下，半导体的长期成长空间有望进一步拉大。从半导体的应用结构来看，根据赛迪顾问的统计，2018年半导体下游应用领域分别为通信（32.4%）、计算机（30.8%）、工业（12%）、消费电子（12%）、汽车（11.5%）、政府（1%），每个领域均有相应的成长点，5G网络的建设、人工智能的应用与产品升级、智能终端的技术创新以及自动驾驶的持续渗透等，都带来了半导体产业市场规模的进一步提升。

从产能的数据来看，根据SEMI的统计，预计未来2019-2020年全球半导体晶圆产能（折合成8寸晶圆）将以4-5%的同比增速持续增长。随着半导体大厂产线的开出与产能的增加，离子注入机作为最重要的设备之一，市场规模也将进一步提升。

另一方面，工艺制程的进步增加了离子注入的工艺工序。 当前采用嵌入式存储器的CMOS集成电路的注入工序多达60多道。展望未来，在摩尔定律的推动下，集成电路的线宽将不断缩小以应对元器件集成度大幅提高的要求，而这会直接导致了制造工艺步骤增多与复杂度增加。根据SEMI统计，20nm工艺所需总工序约为1000道，而10nm和7nm工艺所需总工序已超过1400道。

太阳能电池生产：离子注入占整体比例相对较低，未来有望继续成长

整体光伏产业来看，根据中国光伏行业协会（CPIA）的统计，2018年全球光伏设备市场规模为48亿美元，同比增8%。太阳能光伏设备可分为硅片生产、电池生产和组件生产三个环节的设备，其中离子注入主要用于电池生产，由于全球仅万业企业旗下凯世通、美国Intevac和日本真空技术三家生产太阳能离子注入机，根据万业企业公告，2017年万业企业旗下凯世通和Intevac分别销售15和2台离子注入机（日本真空技术未披露销量），以600万人民币的平均单价来测算，则2017年离子注入机的市场规模至少为1.02亿人民币，占2017年全球光伏设备市场规模为0.3%以上。

展望未来，随着国内光伏建设的政策支持与方案落地，叠加欧洲、印度与其他新兴国家的发力，全球光伏装机量有望持续增长，从而带来整体光伏设备与太阳能离子注入设备行业的继续成长。

AMOLED 面板制造：超过 3亿美元空间，受益下游 AMOLED 浪潮

根据DSCC和DIGITIMES的统计，2019年全球OLED面板设备的投资有望达到 52亿美元。AMOLED制程可分为前段、中段与后段，根据万业企业公告，AMOLED 生产前段、中段与后段三个制程的设备投入占比分别约为70%、25%、5%，其中AMOLED离子注入机投资约占AMOLED前段设备投资额的10%。因此整体而言 AMOLED离子注入机占整体AMOLED设备支出的7%，市场规模至少为3.64亿美元。

OLED屏幕相比LCD屏幕具备显示效果好、更轻薄、能耗低、可实现柔性效果等优点，随着技术的逐渐成熟与成本的逐渐下降，在智能手机中的渗透率将不断提升。同时折叠屏手机的面世也将带动OLED需求的增长，OLED面板的市场规模将不断扩大。

根据IHS的统计，2019和2020年全球中小尺寸AMOLED面板需求将以20%左右的增速持续成长，需求的成长也将带来AMOLED厂家的扩产，带来离子注入设备新增需求。

竞争格局：壁垒高企，国外厂商占据大部分市场

离子注入机属于高壁垒行业，存在以下几个方面的竞争壁垒：

技术壁垒： 离子注入机在研发和生产过程中涉及高压电子、机械、电气、计算机控制、等离子体物理等多个高技术学科，理论门槛较高，系统集成难度较大，同时要考虑下游光伏、集成电路、AMOLED等应用端客户的生产工艺路线和技术水平。技术要求和准入门槛较高。

人才壁垒： 国际从事离子注入机研发制造的公司很少，市场上相关人才匮乏，国内仅有万业企业旗下凯世通和中科信具备离子注入机的研发和生产能力，离子注入机厂商招聘成熟离子注入机人才难度较大，需要自我培养。

资金壁垒： 离子注入设备的研发投入巨大，需要较高的初始资金投入，生产研发、测试验证、生产周期较长，从投资启动开发到实现生产销售往往需要数年的时间，单台设备产品的造价较高，从数百万元甚至几千万元不等，同时为适应市场需求，还需不断进行迭代研发，开发不同规格和性能的系列化产品，对持续的资金投入和保障要求很高。

品牌壁垒： 离子注入机主要面向下游光伏、集成电路、AMOLED面板、电力电子器件等大型生产制造商，产品的供给方、需求方都较为集中，且具有很强的针对性。离子注入机厂商与客户形成了稳定的长期合作关系，客户壁垒较高，打破离子注入机行业竞争格局存在一定难度。

高壁垒造就了高的行业集中度，整个市场主要由美国厂商垄断，根据万业企业公告，全球第一大和第二大离子注入机厂商美国应用材料公司和美国Axcelis公司合计占据全球70%以上的市场。国内仅有万业企业旗下凯世通和北京中科信电子装备有限公司具备离子注入机的研发和制造能力。

分领域来看，由于不同厂商各有侧重，因此竞争格局稍有不同：

半导体晶圆制造领域： 根据前瞻产业研究院的统计，美国应用材料占据全球半导体制造离子注入机市场约70%的份额，Axcelis占据20%的份额，呈现寡头垄断的格局。其中，根据浦东投资的统计，最为重要的低能大束流离子注入机领域市场竞争格局被应用材料（40%）、Axcelis（32%）和汉辰科技AIBT（25%）占据。

太阳能电池生产领域： 根据万业企业公告，目前全球仅凯世通、美国Intevac 和日本真空技术三家生产太阳能离子注入机，2017年凯世通和Intevac分别销售17和2台离子注入机（日本真空技术未披露销量），因此凯世通占据着该细分市场较大的市场份额。

AMOLED面板制造领域： 根据万业企业公告和IHS数据，目前日本日新离子机株式会社（日新电气株式会社NissinElectric Co., Ltd.的全资子公司）是AMOLED离子注入机的市场垄断厂家。

国内边际变化之一：多因素助力，国内迎晶圆建厂潮

集成电路：政策、资金、市场助力，国内半导体设备迎来密集投资期

当前中国半导体设备迎来发展机遇，从需求端的角度来看，政策、资金、市场是三大助力因素：

政策扶持： 早在2008年出台的“02专项”实现国产半导体设备从零到一大跨越。取得了显著阶段成果，包括服务全球的65-28nm先进制程工艺、高密度封装技术、30多种高端设备等。

近几年政府也先后出台《国家集成电路产业发展推进纲要》、《鼓励集成电路产业发展企业所得税政策》等政策，从税收、资金等各个维度为半导体产业给予扶持，其中某些政策对半导体设备尤其是离子注入机也提出了明确的发展目标要求。

资金支持： 大基金一期投资完毕，注资领域重点在晶圆代工领域，其中代工企业晶圆厂扩产以及先进制程工艺提升均需采购更多数量以及更为先进的半导体设备，目前国内半导体设备在300mm晶圆以及28nm工艺已经具备全球竞争力水平，随着14nm工艺设备完成验证以及商用，国内半导体设备制造商有望新一轮晶圆制造投资。同时，近日大基金二期投资公司已经正式成立，注册资本超2000亿元，未来有望继续带动半导体设备产业投资。

下游市场： 中国为最主要的全球半导体需求市场，根据WSTS数据，2018 年中国大陆半导体销售额占全球销售额占比为34%，根据Wind统计，近年来中国半导体设备销售额占全球比重不断提升，但至2018年也仅有20%，仍然有不小提升空间。

三大因素助力中国内地晶圆制造产线增加，带来半导体设备投资机遇。根据我们的统计，中国内地目前在建的晶圆厂：12寸晶圆厂共15家，投资额合计5688亿元；8寸晶圆厂共6条，投资额合计247亿元。另外计划建设的晶圆厂13条，其中有披露投资额的合计4946亿元。而晶圆厂设备采购时间一般为投产前1年左右开始，投产后1年完成相关晶圆厂设备采购，带来了半导体设备的投资机遇。

太阳能电池：生产设备国产化率高，受益政策回暖市场继续成长

太阳能电池方面，国内光伏行业发展获得政策支持。 经历了几年的高速发展，我国光伏产业在2014-2017年装机量迎来快速成长，但补贴缺口也随之不断扩大， 2018年国家颁布了《关于2018年光伏发电有关事项的通知》（“531”新政）以避免行业无序混乱发展，2018年开始国内整体光伏行业受到了一定的负面影响。但进入2019年，国家颁布了《2019年光伏发电项目建设工作方案》等政策支持国内光伏建设工作，国内光伏市场发展将更加有序，未来有望健康成长。

根据万业企业公告，目前我国光伏装备已基本实现产业化，太阳能电池生产设备国产化率达到80%。与国际先进水平相比，国产太阳能电池生产设备最关键的几种设备中，离子注入机、扩散炉、管式PECVD、等离子刻蚀设备、清洗/制绒机等达到或接近了国际先进水平，占据了国内绝大部分市场，性价比优势十分明显。因此政策的边际回暖将直接带动国内离子注入机市场健康成长。

AMOLED：需求驱动OLED 产线开出，未来中国大陆将占据重要市场

随着智能手机等中小尺寸领域对AMOLED面板的需求不断增长，面板厂商也纷纷布局OLED产线，而中国大陆随着京东方、深天马等厂商的持续扩产，未来中国大陆有望占据重要市场份额。根据IHS的统计，全球中小尺寸AMOLED产能2018-2021年将以19%的复合增速持续成长，其中京东方、维信诺、深天马、华星光电以及和辉光电等国内厂商的合计比例从2018年的20%提升到2021年的37%。

国内边际变化之二：国内供应商实现重要突破

目前国内仅有万业企业旗下凯世通和北京中科信电子装备有限公司具备离子注入机的研发和制造能力，但近年来随着这两家供应商不断地投入研发，叠加外部因素的支持，在离子注入机行业取得了较为良好的进展。

万业企业旗下凯世通：全球领先太阳能离子注入机厂商，发力IC/IGBT/AMOLED

上海凯世通半导体股份有限公司于2009年4月成立，是一家以离子束技术为核心的集科研、制造于一体的高科技企业，主要研制、生产、再制造和销售国际领先高端离子注入机，重点应用于光伏太阳能电池、半导体集成电路与IGBT、新型平板显示（AMOLED）领域。

2015年凯世通完成股份制改造，2016年新三板挂牌，2018年被上市公司万业企业以3.98亿元的现金收购，成为万业企业旗下的全资子公司。（注：万业企业2019H1前三大股东分别为上海浦东科技投资有限公司28.16%、三林万业（上海）企业集团有限公司13.53%、国家集成电路产业投资基金股份有限公司5.5%）

2018年凯世通实现营业收入1.08亿元和归母净利润1209万元，2016-2018年营收复合增速为132%，归母净利润2017年开始实现扭亏为盈并在2018年继续成长。

目前，凯世通已量产的太阳能离子注入机共四款：IonSolar、iPV-2000、iPV-3000和IPV-6000（iPV-3000升级版，产能提升一倍，性价比提升，9月已成功下线，10月移入客户生产线），全球地位领先。凯世通2017年共销售iPV-2000和iPV-3000共15台，同期竞争对手美国Intevac仅销售2台（日本真空数据未有披露），因此行业内凯世通地位领先，这背后的原因主要来源于以下两点：

一是从产品性能来看，凯世通的太阳能离子注入机的产品具备产能大、运行成本低、工艺创新、兼容性好以及服务全面等优势。

二是从下游客户来看，凯世通背靠中国大陆市场，产品已进入国内多家知名客户，太阳能离子注入机产品的主要客户为中来股份、英利集团、锦州华昌、苏州国鑫、陕西有色等。

集成电路离子注入机方面，凯世通采取“领先一步”的策略，将目标直接定位在16纳米及以下制程的FinFET集成电路以及3D存储器的离子注入设备方面（FinFET是一种3D结构，相比以往的结构可以大幅改善电路控制并减少漏电流，将晶体管制程工艺提高到更小的尺寸）。

细分来看，在低能大束流离子注入机方面，凯世通针对研制低能大束流离子注入机所需要解决的关键技术和技术难点，建立了相应的研发平台、相关核心关键技术及工艺的研究参数数据库和性能检测规范标准，正在准备进行国内知名生产线应用验证。目前凯世通的低能大束流离子注入机在低能和大束流等核心指标上已达到或超过国外同类产品，能够满足国内集成电路行业实际应用。

在高能离子注入机方面，凯世通计划在政府项目的支持下，自主研发国产自主高能离子注入机。凯世通于2019年4月申报的02专项“300mm高能离子注入机装备及工艺研发项目”完成第一阶段审批，申报的上海市科委的高能离子注入机关键技术项目已获得立项。目前凯世通已完成实验机台的调试、恢复与实验场地准备，正在与国内关键客户沟通高能注入的技术需求。

IGBT离子注入机方面，凯世通目前在研发及市场推广方面主攻IGBT氢离子注入机。根据万业企业公告，凯世通基于前期的技术积累开发出在与竞争对手保持同样性能的前提下，价格较竞争对手低1/3。技术路径方面，凯世通采用RF技术的离子源以及Tandemtron加速器和凯世通已研发成熟的硅片传送系统实现上述研发目标。该机型的研发预计于2019年底完成，并于2020年向市场推广。

AMOLED离子注入机方面，凯世通目前已经推出了G6 iPD600 AMOLED离子注入机，正在与国内面板企业进行合作评估。

中科信：国内领先的离子注入机生产厂商，集成电路产品取得进展

北京中科信电子装备有限公司成立于2003年，是中电科电子装备集团有限公司（中电科隶属于中国电子科技集团有限公司）的全资子公司。中科信是一家专业从事离子注入机研发、生产、制造和销售，以及光伏系列产品生产和销售的高新技术企业。

中科信先后承担“十五”863计划100nm大角度离子注入机项目、“十一五”02专项12英寸90-65nm大角度离子注入机研发及产业化项目及“十二五”12英寸45-22nm低能大束流离子注入机研发及产业化项目。其中“十一五”90-65nm大角度中束流离子注入机已具备产业化能力，进入国内超大规模集成电路制造生产线并实现量产，2016年取得国产机台首家量产突破百万的佳绩，2015、2016年度连续获得由中国半导体行业协会颁发的中国半导体创新产品和技术大奖。

根据中国招标网的数据，2016年至2019年9月一共有5家厂商中标华力集成的离子注入机项目，一共中标26台，其中中科信中标1台，取得了进展和突破。

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