导体产业洁净室行业深度研究报告Word格式.docx

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第一阶段是1950年代美国军工的需要；

第二阶段是苏联和美国航天事业，特别是登月工程中精密机器加工和电子仪器的发展，出现了层流技术和百级洁净室；

第三阶段是1970年代集成电路开始进入发展期，使得洁净技术得以腾飞；

第四阶段是1980年代大规模和超大规模集成电路的发展带来对洁净室要求的进一步提高；

第五阶段则是从1990年代开始到现在，半导体技术进一步发展，生产线精度的进一步提高，对生产空间的洁净度提出新的要求，同时，传统领域如医疗制药、精密仪器等、食品工业等对洁净技术的要求也逐步提高。

图2：

洁净室5个阶段的发展历程

洁净度的标准按照国际标准ISO146441空气洁净度等级划分，以每立方米空气中含有的特定直径的微粒数目来划分洁净室级别。

比如，以0.1um的尘埃粒子为比较标准，ISO1级标准的含义为1立方米的空气中直径大于等于0.1um的粒子数不超过10个，中国的划

分标准为十级，百级，千级，万级等，分别对应国际标准的4级，5级，6级，7级。

对于

洁净度我们可以做个直观的类比，按照上限计算，ISO1级表示1立方米空气中直径0.1um粒子数量为10个，粒子占空间比例为5.23*10^-21，可查太平洋的面积为16500万km^3，平均深度为4282米，体积为70700km^3，如果用太平洋的体积与ISO1级标准的洁净程度换算，那么平均每个粒子的体积为370毫升，相当于一条鱼的体积，即ISO1级洁净标准相当于整个太平洋不超过10条鱼。

表1：

国际标准洁净度等级规定表

我国自从洁净室工程出现之后，颁布了一系列洁净室工程规范性文件，对于洁净室的指标要求、工程规范、施工要点、材料使用等都做了详细的说明和指导。

其中《洁净室厂房设计规范》是总括性规范文件，《医药工业洁净厂房设计规范》，《电子工业洁净厂房设计规范》，《医院洁净手术部建筑技术规范》分别对电子行业、医药行业、手术室做了更加细致的指导。

表2：

国家洁净室相关规范文件

1.2洁净室技术原理：

流体力学的艺术

1、洁净室的原理（气流组织方式）

洁净室的主要原理即利用流体力学的相关性质来控制室内污染源。

洁净室控制污染源的途径主要有3种：

1、控制污染源，减少污染发生量；

2、迅速排出室内已经发生的污染；

3、有效阻止室外的污染侵入。

第1点和第3点都可以通过封闭性和化学设备等解决，而核心的第2点则需要利用流体力学的物理原理。

在流体力学中，按照运动要素流速、加速度等有无时间因素可以分为稳定流与不稳定流，按照流线形状可以分为渐变流和突变流，按照有无质点交换可以分为层流和紊流。

按照气流组织方式，洁净室分为非单向流洁净室和层流洁净室。

非单向流洁净室的主要特点为从来流到出流之间气流的流通断面是变化的，也称乱流，非单向流的原理为稀释作用。

非单向流洁净室一般采用孔板顶送，有全孔板顶送与局部孔板顶送之分，全孔板顶送风速小，气流分布均匀，可达到1000级洁净度，局部孔板顶送与全孔板顶送相比，风速大，在墙侧有涡流并部分沿测墙向上翻卷，经顶棚到中间，随洁净气流向下流，混入和污染洁净气流，其洁净度可达10000级。

而高效过滤器风口顶送则将高效过滤器放置在送风口，一般带扩散板，是一种常见的气流组织形式。

非单向流洁净室的作用原理是：

当一股干净气流从送风口送入室内时，迅速向四周扩散、混合，同时把差不多同样数量的气流从回风口排走，这股干净气流稀释室内污染的空气，把原来含尘浓度很高的室内空气冲淡，一直达到平衡。

所以气流扩散的越快，越均匀，那么稀释的效果越好。

图3：

非层流洁净室原理为稀释作用

图4：

有隔板高效过滤器

层流洁净室的主要特点为气流的流通断面是不变的，原理为靠推出作用将室内污染的空气沿整个断面排至室外，从而达到净化室内空气的目的。

层流洁净室的进风面布满高效过滤器，整个送风面是一个大送风口，送风气流经静压箱和高效过滤器的均压均流作用，从送风口到回风口气流流线彼此平行，充满全室断面，以均速向前推进，就像个大活塞，把室内原污染空气排入回风口，从而达到净化室内空气的目的。

由于气流的流线始终是平行的，无涡流，因此层流亦称平行流洁净室，根据气流组织形式分垂直层流洁净室和水平直层流洁净室。

垂直单向流洁净室是比较典型的层流洁净室。

垂直单向流的优点是可获得均匀向下的单向气流，因而自净能力强，能够达到最高的洁净度级别，缺点是顶棚结构较复杂，造价和维护费用高，高效过滤器堵漏较困难。

图5：

垂直流洁净室原理为活塞作用

图6：

双垂直层流洁净室示意图

《洁净厂房设计规范》中规定，1-4级洁净度应使用垂直单向流，5级洁净度使用垂直单向流或者水平单向流，6-9级洁净度应使用非单向流。

综合来看，垂直层流方式运行成本最高，设备费用也最高，部分层流方式由于对生产设备的发热和排热分别处理，降低了运行成本，设备成本中等，乱流方式循环风量小，运行成本最低，设备成本也最低。

表3：

洁净室气流组织方式比较

2、灰尘和化学物质的去除

洁净室过滤灰尘的仪器主要有高效空气过滤器（HighEfficiencyParticulateAirFilter，简称HEPA），超高效空气过滤器（UltraLowPenetrationAirFilter，简称ULPA）。

HEPA它对直径为0.3微米（头发直径的1/200）以上的微粒去除效率可达到99.7%以上，是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介，而ULPA对于直径0.15微米以上的微粒去除效率达到99.999%以上

图7：

高效空气过滤器（HPEA）

图8：

超高效空气过滤器（ULPA）

洁净室的灰尘大部分都不是从外部带入，而是从内部产生。

空气中的灰尘主要由设备运转、生产过程、人员因素产生，这3种途径共计产生了85%的灰尘。

洁净室关于灰尘的原则包括4条：

不将灰尘带入，不让灰尘产生，不让灰尘堆积，迅速排除灰尘，因此，洁净室内，对作业人员的洁净服装，对带入的工具、材料等，对于设备的清理和通风都要严格的要求。

图9：

洁净室灰来源分析

图10：

微粒直径对比（um）

除了灰尘以外，化学物质也是洁净室需要重点考虑和去除的。

化学物质主要分为酸性物质，碱性物质，有机物，掺杂性气体等，主要来源为大气、生产中使用的化学用品，建材等，在车间生产过程中要使用大量的化学物质，而杂质化学物质很容易和生产用化学物质产生反应，影响产品质量，故化学物质的去除同样是洁净室需要重点考虑的一个方面。

表4：

洁净室化学物质的产生和危害

2.洁净室工程产业链：

辅助制造，投资驱动

2.1洁净室工程属于生产辅助型工程

洁净室工程是生产辅助性工程，是高端制造不可或缺的一部分。

洁净室工程的需求来源于准备建厂的业主，比如晶圆制造商、面板生产商等，洁净室建设完成之后再交付给业主，业主使用洁净室来进行生产活动，故洁净室工程并不单独存在，而是生产厂商的辅助性工程，但同时，也是高端制造不可或缺的一部分。

新建洁净厂房可以分为工程设计、土建施工、洁净室施工3个环节。

洁净室工程始于业主新建厂房计划，在业主确定建厂计划后，会联系具有设计资质的设计商为工厂做整体设计方案，由于洁净室工程在厂房建设中处于重要地位，故在工程设计的过程中设计方会和业主反复沟通，确定洁净厂房的建造方案和技术标准。

在工程设计确定之后，下一步就是土建施工，土建施工达到一定的阶段洁净室工程就开始了，工程设计及土建施工的意义在于为洁净室工程提供符合洁净厂房要求的建筑方案和空间。

图11：

洁净室设计、土建施工、洁净室施工流程图

表5：

洁净室施工各阶段介绍

洁净室工程整体周期2年左右，洁净室施工一般开始于工程开始1年以后。

从签订协议开始，工程设计时间一般3个月左右，总体设计方案完成之后就开始土建施工，在土建施工持续9-12个月，厂房封顶后，洁净室施工开始，洁净室施工持续时间9-12个月左右，在洁净室施工完成之后，开始搬入生产设备，调试完成之后，进入试产阶段，试产阶段持续时间不等，试产成功之后慢慢提升产量，最终进入量产阶段。

图12：

洁净室工程典型项目工期图

不同的环节议价能力不同，工程设计毛利率最高，高达40-50%，洁净室施工毛利率15-20%，土建施工毛利率最低，10%以下。

由于工程设计需要具备设计资质，不同行业的设计资质不同，其中工程设计综合甲级资质是我国工程设计资质等级最高、涵盖业务领域最广、条件要求最严的资质，目前全国具有综合甲级资质的企业不到60家，且工程设计对技术要求最高，故工程设计毛利较高。

在施工方面，土建施工竞争最为激烈，企业最多，毛利最低，而洁净室施工需要具备较强的专业基础和技术实力，属于技术密集型，故毛利相对较高。

洁净室工程行业的驱动因素在于投资驱动。

由于洁净室工程的需求来源于厂房建设和新的生产线建设，前提是厂家有投资需求，故洁净室工程行业的驱动模式主要由投资驱动。

洁净室工程服务行业的商业模式主要分为4种，即“施工”模式（C模式）、“工程施工设计+施工”（EC模式）、“工程施工设计+采购+施工”模式（EPC模式）和“工程施工设计+采购+施工+维护”模式（EPCO模式）。

EPCO分别为英文Engineering（工程施工设计）Procurement（设备采购）Construction（建设）Operation（运行和售后维护）的缩写，每一种商业模式的起点都是有工程需求。

表6：

洁净室工程的商业模式

2.2产业链各环节投资分拆

通过对行业内各个环节公司的微观调研，大致得到了集成电路和新型显示洁净室工程各环节投资占项目总投资百分比。

结合项目案例和调研数据，对于集成电路项目和新型显示项目，一般来说，项目总投资中70-80%投入到固定资产，固定资产中20-30%投入到厂房建设中，厂房建设可以分为3个部分，工程设计、土建施工、洁净室施工，其分别占的比例为2-7%，30-40%，50-70%左右，洁净室施工可以分为6个子系统，总体能分为洁净系统和机电系统，分别占洁净室工程的50%，50%。

图13：

典型项目投资拆解图

固定资产投资占总投资比例70%-80%，厂房建设占固定资产投资的20-30%。

以台积电南京的Foundry项目为例，一座月产能2万片的12寸晶圆厂投资金额为200亿人民币左右，其中约80%投入到固定资产中，其他20%投入到营运资本中，在固定资产中大约70%投入设备采购中，包括曝光机，刻蚀机等生产设备，固定资产投资的30%投入到厂房建设中。

以华星光电244亿的8.5代显示面板产线为例，固定资产投资占总投资比例为70%，其中设备投资占70%，厂房投资占30%。

行业中观数据也统计出厂房建设投资占固定资产投资比值为31%，与微观结论一致。

根据国家电子信息统计年鉴中的集成电路固定资产投资数据，2008-2015年集成电路厂房投资占固定资产投资比例平均为31%，和微观数据相符。

图14：

08年以来我国集成电路厂房投资占固定资产投资比重分析

2002年，国家出台了《工程勘察设计收费标准》，工程设计收费=工程设计收费基价*调整系数，其中工程设计收费基价可按照表格进行查找，调整系数又分为专业调整系数和复杂程度调整系数，即调整系数=专业调整系数*复杂程度调整系数，调整系数根据应用专业不同和复杂程度综合决定，其中电子高科技厂房调整系数一般为1.5-2.5之间。

表7：

国家标准工程设计收费基价

设计费用占总投资的比例0.4-1.4%。

根据国家出台的《工程设计收费标准》，当厂房建设资金在10-60亿之间时，厂房建设的设计取费基准价占概要投资造价的2-3%起，根据复杂程度的不同有专门的调整系数，一般电子高科技厂房由于专业性很高，技术难度很大，调整系数为1.5-2.5左右，即按照国家的收费标准，高科技厂房工程设计占投资造价的3%-7%左右。

由于目前市场上工程设计竞争比较激烈，且根据国际惯例，设计属于智力成果，故一般按照工时的标准来计价，故实际收费相较国家标准偏低，实际上目前市场收费大概占总造价的2-7%左右。

图15：

国家标准工程设计收费基价占造价比例为2%

洁净室施工占总投资比例10%-15%，土建施工占总投资比例6-10%。

以华星光电244亿的8.5代显示面板产线为例，固定资产投资占总投资比例为70%，其中设备投资占70%，厂房投资占30%，厂房投资中50%-70%为洁净室工程，即洁净室施工占总投资比例为10%-14%。

以台积电南京的Foundry项目为例，厂房建设占总投资24%左右，洁净室施工占60-70%，即占总投资比例为12-15%。

表8：

工程设计、土建、洁净室施工、设备投资等占总投资比例

宏观统计数据和中国电子学会的数据分析也表明洁净室施工投资也占总投资比例10~15%。

根据中国电子学会统计的数据，2013-2015年集成电路洁净室施工市场规模分别为63.8亿，80.5亿，97.5亿，根据我国宏观统计数据，2013-2015年我国集成电路固定资产投资完成额分别为579亿，645亿，671亿，洁净室施工市场规模占固定资产的平均比例为12.8%，倒推占总投资规模的比例为10.2%，和上述数据相符。

根据中国电子学会统计的数据，2013-2015年新型显示的洁净室施工市场规模66.3亿，75亿，83亿元，复合增长率为10.7%，根据DisplayResearch的数据，2013-2015年，我国面板产业设备投资规模为251亿，407亿，302亿，新型显示行业的洁净室施工和设备投资的比例为23.3%，倒推洁净室工程市场规模占总投资比例为11.6%，和上述数据相符。

图16：

集成电路洁净室工程占固定资产投资比例

图17：

新型显示洁净室工程和设备投资的比例关系

综上所述，以总投资为基数，工程设计占总投资比例0.4-1.4%，土建施工占总投资比例为6-10%，洁净室施工占总投资比例为10-15%。

图18：

工程设计、土建、洁净室施工、设备投资占总投资比例拆分

3.集成电路技术升级和产业投资带来洁净室工程新需求

洁净室主要应用领域包括电子、制药、生物工程、医疗卫生、食品、实验室和军工等行业。

洁净技术已广泛应用于各行各业或其他要求防止粒子污染、微生物污染的环境控制，由于各行业间差距较大，且要求不同，因此控制环境的内容、指标均不相同。

最常见最依赖洁净室为生物制药生产洁净室，食品，化妆品，电子厂，实验室，等等对环境有要求的地方。

由于技术原因和制造工序的复杂程度高，集成电路制造是对洁净度整体要求最高的行业。

集成电路由于技术的复杂程度与日俱增，对于空气洁净度的要求也越来越高，核心工艺区需保持1-4级的洁净度。

而其他大部分行业比如食品制造，药品，医学等行业对洁净度的要求大多在5-9级，远低于集成电路和新型显示对洁净度的要求。

2016年开始，在政策和资金的双重推动下，我国集成电路行业迎来投资的密集期。

在集成电路产业基金、国家科技重大专项及地方基金等国家队的带动下，集成电路产业投资开始爆发，比如存储器市场，自2015年开始，我国存储器产业市场从零起步，正逐渐形成紫光／长江存储系、福建晋华以及合肥长鑫三足鼎立格局，紫光计划将在十年内成为全球前五大存储器制造商。

我国集成电路投资近年来大幅增长，已经投资和计划投资总额累计超过万亿，直接带动了洁净室工程行业的需求。

随着我国集成电路产业的蓬勃发展，制造精度的进一步提高，海外集成电路产业逐步向中国转移，集成电路产业迎来了投资密集期，我国洁净工程行业随之迎来新的发展期。

以上市公司太极实业为例，公司子公司十一科技近半年订单金额达到236亿元（工期平均2年），2016年全年营收才60亿元。

十一科技是我国领先的洁净室工程服务商，主要业务包括工程设计，工程施工等，对大规模集成电路、新型显示器件、新能源（多晶硅与光伏产业）、高科技工程等高新技术产品生产环境所需要的大面积、高级别净化空调系统、超纯水系统、以及防静电、防微振、电磁环境污染控制等方面的设计具有独特的专长。

2016年底至2017年，公司新接订单合计达到236亿元，包括长江存储基地工程，上海华力12英寸生产线项目，长鑫12寸存储器项目等，都是国内集成电路大型投资项目。

表9：

十一科技最近订单均来源于新增投资项目

3.1洁净室工程是集成电路产业发展最先受益的环节

洁净室工程是集成电路制造环节中重要的一环，直接决定了最终产品的成败。

现代集成电路制造工艺已经达到14纳米级别，未来几年内7纳米工艺即将诞生，集成电路的制造过程一般为自动化软件把算法逻辑生成硬件电路开始，然后将集成电路设计版图转印到光刻板上，集成电路的基础制造材料是硅片，硅片经过各种表面处理后，与光刻板一起经过包括光刻、热处理、介质沉积、化学机械研磨等工艺最终形成集成电路芯片。

如果生产过程中洁净程度达不到要求，产品良品率会受到很大影响，最终产品就会失败。

随着技术的进步，集成电路对洁净度的要求越来越高。

一般而言，当微粒尺寸达到集成电路节点一半大小时就成为了破坏性微粒，对集成电路的制造产生影响。

比如，14纳米工艺中7纳米的微粒就会影响制造过程。

随着集成电路的工艺越来越高，目前5纳米的工艺已经开始研发，集成电路制造过程需要的洁净程度越来越高，对于洁净室工程的技术提出越来越高的要求。

表10：

集成电路各工序对洁净度的要求

集成电路几乎所有环节都需要洁净室内完成，且集成电路生产对洁净度要求很高。

和其他产业不同，集成电路产业链几乎所有的主要环节都需要在洁净环境中进行，从单晶硅片制造，到IC制造的几乎所有环节，到IC封装的重要步骤都需要在洁净室中完成，且对于洁净度的要求非常高。

图19：

集成电路大部分工艺需要在洁净室完成

洁净室工程作为先导性的服务工程将率先受益于我国半导体产业的发展。

集成电路产品比如存储芯片的成本价格、竞争实力和工艺技术息息相关，我国刚刚开始大规模投入，在技术实力上和先进水平尚有差距，但是洁净室工程作为项目建设、投产过程中的必不可少的环节，属于生产辅助性工程，直接和投资相关，不受限于技术瓶颈，即使我国在制造工艺上尚存在差距，但是洁净室工程行业不受影响，率先获益于我国半导体产业的发展。

3.2集成电路产业投资未来将长期保持高增长

3.2.1根据产业投资计划，未来5年我国集成电路投资将达万亿

在未来4-5年间我国投入集成电路制造领域的资金将达到1.2万亿元，年均投资额超过过去5年平均的2倍以上，未来3年投产12寸晶圆厂数量占全球比例40%。

根据我们整理的数据，目前在建和计划建设的集成电路项目合计总金额达到1.2万亿元，绝大部分将在2021年前投产。

根据国际半导体设备与材料产业协会（SEMI）发布的报告，目前全球处于规划或建设阶段，预计将于2017年～2020年间投产的半导体晶圆厂约为62座，其中26座设于中国，占全球总数42%。

这些建于中国的晶圆厂2017年预计将有6座上线投产，2018年达到高峰，共13座晶圆厂加入营运，其中多数为晶圆代工厂。

表11：

近年来我国在建和计划投资的晶圆厂投资总额达到1.2万亿

集成电路产业作为战略性产业，政策和资金支持力度非常大。

2014年国家集成电路产业投资基金成立，以公司制的形式运营，募集资金1400亿元，此后，各地地方政府纷纷成

立各类集成电路产业基金，目前国家和地方政府基金合计高达4000亿元，总计有望带动5-8倍的社会投资，总计将有3-5万亿的资金投入半导体产业中。

表12：

我国集成电路政府投资基金投资统计表

3.2.2根据产业规律以及目前发展阶段，IC投资将长期高增长

1.根据产业发展规律，我国集成电路投资长期将保持高增长

集成电路产业投资兼具周期性和高速成长性。

具体来说，一般每3-5年左右会有一个投资周期，有高峰有低谷，但下一个周期的年均投资额度将显著大于前一个周期。

周期性的背后是集成电路产品的产量，需求，价格以及技术升级共同决定的。

随着技术升级，集成电路制造投资金额成倍甚至数十倍增加，目前一条12英寸32/28nm的生产线投资高达50亿美元，14nm的生产线投资额高达100亿美元，技术研发费用同理，从20nm升级到16nm，引领者研发费用从12亿美元上升到22亿美元，上升80%。

加上技术升级快，需要持续投入建设生产线以形成规模优势，仅依赖一条生产线难以形成气候，故集成电路制造投资非常之高。

表13：

集成电路投资额随技术升级成倍增加（亿美元）

图20：

0.18um-10nm标准逻辑工艺技术的研发费用（亿美元）

以全球半导体龙头公司三星电子为例，公司过去25年集成电路投资过程虽有波动，但也保持了年均12%的增长。

三星电子从1993-2017年的半导体资本支出大致有5个小周期，每个小周期的平均投资金额都高于上个小周期的平均投资金额，这对应着背后技术的升级周期，以DARM存储器为例，1990年16MDARM存储器投产，后续基本每3-4年DARM存储器容量升高4倍，到2001年左右4GDARM开始投产，每次技术升级的投产需要投入更高的资金。

图21：

三星电子半导体业务资本支出长期保持增长（亿美元）

2.为追赶全球竞争对手，理论上，我国集成电路投资增速需高于竞争对手

我国集成电路在产能以及技术与先进国家存在明显差距，市场竞争力有待进一步提高。

目前中国的300mm晶圆厂的工艺并不处于领先地位，全球领先的晶圆厂目前正在升级10nm工艺，并在未来的12个月至24个月内准备量产7nm工艺，而现在中国最先进的晶圆厂尚未开始生产14nm晶片，计划投资的晶圆厂也最高达到28nm工艺。

另外，我国集成电路项目多为存储器项目，目前武汉新芯科技投资的的3DNAND项目的工艺为32层，而目前国际领先的3DNAND生产商的工艺已经升级到了64层和96层，我国和国际先进水平尚存在较大差距。

图22：

3DNAND相比V-NAND的优势

图23：

3DNAND示意图

韩国从半导体技术落后国家成长为技术领先国家，主要原因在于长期持续的高额资本投入。

参考韩国的经验，不同于美国在半导体行业长期以来的科技领先优势，韩国作为一个后发国家，其半导体工业是一次典型的追赶超越式的突破创新。

韩