根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)SEMI的統(tǒng)計(jì),2020年中國(guó)大陸首次成為全球最大半導(dǎo)體設(shè)備區(qū)域市場(chǎng),銷售額年增39%,達(dá)到187．2億美元;中國(guó)臺(tái)灣排名第二,2020年設(shè)備商在臺(tái)灣地區(qū)銷售額達(dá)到171．5億美元;韓國(guó)排名第三,銷售額年增61%至160．8億美元;日本排名第四,銷售額也有75．8億美元,。東亞地區(qū)成為全球半導(dǎo)體軍備競(jìng)賽高地,2020年合計(jì)砸出595．3億美元,占當(dāng)年全球半導(dǎo)體設(shè)備支出總額(712億美元)比例高達(dá)83．6%,。

    由于地緣政治對(duì)于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈影響加劇,2021年各區(qū)域市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)能投資競(jìng)爭(zhēng)白熱化,。臺(tái)積電和三星均將2021年在半導(dǎo)體上的資本支出計(jì)劃調(diào)至300億美元以上,兩家在先進(jìn)工藝量產(chǎn)進(jìn)度上拼死相爭(zhēng),都預(yù)計(jì)2022年量產(chǎn)3納米工藝,而在美國(guó)政府召喚下,臺(tái)積電和三星也將赴美設(shè)廠,。毫無疑問,2021年又將是半導(dǎo)體設(shè)備廠商的一個(gè)豐收年,而中國(guó)大陸由于受到相關(guān)限制,無法購(gòu)買高端EUV光刻機(jī)等設(shè)備,恐難守住最大設(shè)備市場(chǎng)寶座,。

    在臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱臺(tái)灣工研院)看來,不同區(qū)域市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)不同:作為全球最大半導(dǎo)體應(yīng)用市場(chǎng),中國(guó)大陸在供應(yīng)鏈安全受到威脅的背景下,無疑更希望加快技術(shù)追趕,以緩解在制造,、設(shè)備與材料等關(guān)鍵環(huán)節(jié)受控于人的現(xiàn)狀;而美國(guó)作為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主導(dǎo)者,將繼續(xù)加強(qiáng)高端芯片制造設(shè)備對(duì)中國(guó)大陸的出口管制,美國(guó)也將出臺(tái)新政以應(yīng)對(duì)近年來美國(guó)晶圓制造能力下降的局面;作為全球晶圓制造密度最高的兩個(gè)地區(qū),中國(guó)臺(tái)灣與韓國(guó)將有希望繼續(xù)引領(lǐng)晶圓制造工藝發(fā)展趨勢(shì),這兩個(gè)區(qū)域也將借助強(qiáng)大的制造能力,改善上游的材料與設(shè)備自主狀況,。

    先進(jìn)工藝發(fā)展方向

    在28納米之后,平面晶體管工藝達(dá)到極限,FinFET(鰭式晶體管)延續(xù)了摩爾定律,將工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到現(xiàn)在的10納米以下,。不過FinFET路線也已經(jīng)接近極限,三星將在3納米工藝上率先采用GAA(全環(huán)繞柵極)結(jié)構(gòu),臺(tái)積電則在3納米節(jié)點(diǎn)繼續(xù)FinFET結(jié)構(gòu),到2納米節(jié)點(diǎn)再采用GAA結(jié)構(gòu)。臺(tái)灣工研院認(rèn)為,英特爾在晶圓制造上遇到了麻煩,7納米工藝(注:三家對(duì)工藝尺寸定義各有區(qū)別,不適合直接拿數(shù)字對(duì)比)或?qū)⒀又?023年才能量產(chǎn),預(yù)計(jì)英特爾在5納米節(jié)點(diǎn)也將改為GAA架構(gòu),。

    資料來源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

    GAA 全稱 Gate-All-Around ,是一種環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管,也叫做 GAAFET,。其概念提出很早,比利時(shí) IMEC Cor Claeys 博士及其研究團(tuán)隊(duì)于 1990 年發(fā)表文章中提出,。GAAFET 相當(dāng)于 3D FinFET 的改良版,這項(xiàng)技術(shù)下的晶體管結(jié)構(gòu)又變了,柵極和漏極不再是鰭片的樣子,而是變成了一根根 “小棍子”,垂直穿過柵極,這樣,柵極就能實(shí)現(xiàn)對(duì)源極、漏極的四面包裹,。

    資料來源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

    對(duì)比FinFET,原來源極漏極半導(dǎo)體是鰭片(Fin),而現(xiàn)在柵極變成了鰭片,。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在實(shí)現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方——這對(duì)晶圓廠而言是很大優(yōu)勢(shì)。從三接觸面到四接觸面,并且還被拆分成好幾個(gè)四接觸面,顯然柵極對(duì)電流的控制力又進(jìn)一步提高了,。

    相比FinFET工藝,GAA結(jié)構(gòu)具備更大的柵極接觸面積,從而提升了晶體管對(duì)導(dǎo)電通道的控制能力,并顯著改善電容等寄生參數(shù),因而可以降低工作電壓,減少漏電流,降低功耗與工作溫度,從而有利于提高集成度,以繼續(xù)延續(xù)摩爾定律,。

    由于新的結(jié)構(gòu)所需的生產(chǎn)工藝與鰭式晶體管相似,關(guān)鍵工藝步驟幾乎一樣,可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的設(shè)備以及技術(shù)成果,對(duì)臺(tái)積電和三星而言,這無疑是代價(jià)最低的技術(shù)路線更換方案。但GAA對(duì)加工精度要求進(jìn)一步提高,需要區(qū)域選擇性沉積技術(shù)與原子級(jí)加工能力,因而材料工程重要性提升,也將帶動(dòng)更多沉積與蝕刻設(shè)備商機(jī),。

    五巨頭把控的半導(dǎo)體前道設(shè)備市場(chǎng)

    雖然2020年全球超過8成設(shè)備銷往東亞地區(qū),但除了日本,中(大陸加臺(tái)灣)韓在設(shè)備業(yè)上影響力都不大,。全球前五大半導(dǎo)體前道(即晶圓制造,封裝為后道)設(shè)備廠商應(yīng)用材料(AMAT)、阿斯麥(ASML),、泛林(Lam),、東京電子(TEL)和科磊(KLA)占據(jù)市場(chǎng)份額超過七成,其中只有東京電子總部在東亞,其余都是美歐企業(yè)。

    資料來源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

    具體來看,應(yīng)用材料排名第一,。其2020年?duì)I收172億美元,其中半導(dǎo)體業(yè)務(wù)約占7成,。應(yīng)用材料在半導(dǎo)體設(shè)備上布局極廣,其中PVD(薄膜沉積)設(shè)備全球占比38%,CMP(研磨拋光)設(shè)備占比70%,蝕刻設(shè)備占比15%,離子注入機(jī)占比67%。

    阿斯麥排名第二,2020年?duì)I收139．8億歐元,。阿斯麥?zhǔn)枪饪虣C(jī)大廠,在EUV(極紫外光)光刻機(jī)上更是目前全球唯一的供應(yīng)商,得益于臺(tái)積電,、三星和英特爾對(duì)先進(jìn)工藝的追求,2020年阿斯麥銷售31臺(tái)EUV光刻機(jī),共計(jì)45億歐元,僅這31臺(tái)EUV光刻機(jī)就占其總營(yíng)收32%。當(dāng)前,ASML正聯(lián)合供應(yīng)鏈伙伴共同研發(fā)以推進(jìn)更精細(xì)光刻加工技術(shù),例如2020年推出多條電子束檢測(cè)掃描系統(tǒng),并將電子束與電子束之間的干擾限制在了2%以下,適用于5納米節(jié)點(diǎn)以上的制程,。阿斯麥還與泛林和imec合作開發(fā)干光刻膠技術(shù),以提升EUV解析度,并減少光刻膠用量,。并聯(lián)合Lasertec研發(fā)新一代EUV光罩檢測(cè)技術(shù)以降低成本,與臺(tái)積電合作開發(fā)新一代EUV光罩潔凈技術(shù)以降低成本。

    東京電子2020年設(shè)備銷售額為103．7億美元,排名第三,。東京電子涂膠顯影設(shè)備市場(chǎng)份額占全球比例高達(dá)91%,其中EUV涂膠顯影機(jī)更是獨(dú)占全部市場(chǎng)份額,蝕刻機(jī)占全球比例為25%,沉積設(shè)備37%,清洗設(shè)備27%,。2020年至2022年,東京電子計(jì)劃投入4000億日元研發(fā)經(jīng)費(fèi),重點(diǎn)投入在選擇性沉積、智能蝕刻,、超臨界流體清洗等技術(shù)方向,。

    泛林半導(dǎo)體2020年?duì)I收為100．5億美元,排名第四。泛林是全球蝕刻設(shè)備龍頭,其中存儲(chǔ)器制造業(yè)務(wù)占比57%,邏輯工藝占比43%,是前五大設(shè)備廠商中,唯一存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)占比超五成的公司,。如前所述,泛林和阿斯麥與imec在開發(fā)EUV干式光刻膠技術(shù),。

    科磊半導(dǎo)體2020年?duì)I收為58．1億美元,排名第五?？评谑侨蚓A檢測(cè)設(shè)備龍頭,市場(chǎng)份額約占五成以上,。科磊在應(yīng)力變形量測(cè),、多光束檢測(cè),也投入力量開發(fā)小于5納米結(jié)構(gòu)的電子束缺陷量測(cè)技術(shù),。

    資料來源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

    根據(jù)臺(tái)灣工研院的估計(jì),全球關(guān)鍵半導(dǎo)體設(shè)備在今后幾年成長(zhǎng)勢(shì)頭都非常好,除了DUV(深紫外)光刻設(shè)備,其余設(shè)備均呈正增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中ALD(原子層沉積)增長(zhǎng)率最高,預(yù)計(jì)2020年至2025年期間,年均增長(zhǎng)率達(dá)到26．3%,EUV設(shè)備增長(zhǎng)率排名第二,年均增長(zhǎng)率也達(dá)兩位數(shù)。而以金額計(jì)EUV設(shè)備則獨(dú)占鰲頭,預(yù)計(jì)2025年EUV設(shè)備銷售額達(dá)到125．5億美元,超過蝕刻機(jī),成為各細(xì)分方向銷售額最高的半導(dǎo)體設(shè)備,。

    資料來源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

    中國(guó)設(shè)備廠商任重道遠(yuǎn)

    與國(guó)際廠商相比,無論是銷售規(guī)模上,還是技術(shù)上,中國(guó)設(shè)備廠商差距都很大,。根據(jù)電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),2019年國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為161．82億元,只有前五大守門的科磊2019年收入(46億美元)的一半左右,該協(xié)會(huì)在2020年10月估算,2020年國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額總計(jì)可達(dá)213億元,與科磊(58億美元)相比,仍不足其60%。

    國(guó)內(nèi)外主要半導(dǎo)體設(shè)備公司對(duì)比(截至2021年1月6日)

    資料來源:德邦證券

    技術(shù)上,我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備基本還未參與到先進(jìn)制程(3納米及以下)研發(fā)階段中,目前也尚不能支持28納米這樣的準(zhǔn)主流工藝實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化,大部分國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商現(xiàn)在能商用的產(chǎn)品還是以成熟工藝產(chǎn)線為主,。以社會(huì)關(guān)注度較高的光刻機(jī)為例,國(guó)內(nèi)主要是上海微電子裝備有限公司(簡(jiǎn)稱“上海微電子”),上海微電子主流產(chǎn)品還只能滿足90納米,、110納米等制程的光刻工藝要求。

    但也有部分領(lǐng)域已經(jīng)參與到先進(jìn)工藝競(jìng)賽中,。比如中微半導(dǎo)體在CCP刻蝕領(lǐng)域已經(jīng)獲得臺(tái)積電認(rèn)可,進(jìn)入其7納米/5納米產(chǎn)線;北方華創(chuàng),則在ICP刻蝕設(shè)備上較為出色,28納米級(jí)以上刻蝕設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,在先進(jìn)制程方面,硅刻蝕設(shè)備已經(jīng)突破14納米技術(shù),進(jìn)入上海集成電路研發(fā)中心,。

    根據(jù)《中國(guó)制造2025》目標(biāo),2020年半導(dǎo)體核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料應(yīng)實(shí)現(xiàn)40%的自主率,2025年要達(dá)到70%國(guó)產(chǎn)化率,。但根據(jù)長(zhǎng)江存儲(chǔ)、華力微電子等國(guó)內(nèi)十家晶圓制造企業(yè)2017年至2021年一季度的公開招標(biāo)信息來看,國(guó)產(chǎn)化率距離目標(biāo)還很遠(yuǎn),。2017至2019年,這十家廠商合計(jì)開標(biāo)4197臺(tái)設(shè)備,其中國(guó)產(chǎn)設(shè)備為431臺(tái),國(guó)產(chǎn)化率約為10．3%;而2020年至2021年一季度這十家晶圓廠合計(jì)開標(biāo)1862臺(tái)設(shè)備,其中國(guó)產(chǎn)設(shè)備達(dá)315臺(tái),推算目前國(guó)產(chǎn)化率在17%,較2017至2019年增長(zhǎng)超過6個(gè)百分點(diǎn),。

    左:2017-2019年十大晶圓廠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率

    右:2020-2021年一季度十大晶圓廠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率

    資料來源:德邦證券

    但國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備在過去幾年也呈現(xiàn)出非常積極的變化。在技術(shù)上,以中微半導(dǎo)體,、北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體等為首的企業(yè)在刻蝕,、沉積、干法去膠,、清洗,、離子注入等領(lǐng)域已經(jīng)接近國(guó)際一流廠商。在市占率上,部分產(chǎn)品市占率已經(jīng)超過20%,對(duì)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備廠商市場(chǎng)地位發(fā)起了有力沖擊,。

    在十大晶圓廠公布的招標(biāo)信息中可以看出,2017年至2021年一季度,干法去膠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到45．5%,而清洗設(shè)備(30．6%),、刻蝕設(shè)備(22．2%)、拋光設(shè)備(21．6%)國(guó)產(chǎn)化率均高于20%,爐管設(shè)備(14．7%)和涂膠顯影設(shè)備(10．0%)均高于10%,沉積設(shè)備(8．5%)和前道檢測(cè)設(shè)備(5．2%)國(guó)產(chǎn)化率就比較低了,僅在5%至10%之間,差距最大的是離子注入機(jī)(2．4%),、后道測(cè)試設(shè)備(1．9%)和光刻機(jī)(1．6%),。

    而進(jìn)入2020年以后,國(guó)產(chǎn)化率提升更快。從十大晶圓廠開標(biāo)數(shù)據(jù)來看,在2020至2021一季度,拋光設(shè)備,、刻蝕設(shè)備,、爐管設(shè)備和涂膠顯影設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率均比2017至2019階段國(guó)產(chǎn)化率增長(zhǎng)超過兩位數(shù)。

    從全球半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看,隨著半導(dǎo)體工藝接近物理極限,開發(fā)新一代設(shè)備越來越難,。以EUV光刻機(jī)為例,早在上世紀(jì)九十年代就立項(xiàng),全球四十多個(gè)國(guó)家近200個(gè)研究機(jī)構(gòu)(歐洲貢獻(xiàn)了100多個(gè))參與其中,從基礎(chǔ)研究,、技術(shù)攻關(guān)到系統(tǒng)集成,整個(gè)研發(fā)系統(tǒng)投入超過千億人民幣,超過我國(guó)過去十年設(shè)備業(yè)總收入。

    中微半導(dǎo)體董事長(zhǎng)尹志堯在接受媒體采訪時(shí)也表示,半導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入原子級(jí)加工水平,在這個(gè)精度上進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造,需要集合50多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與技術(shù),。他指出,等離子體刻蝕已刻出人頭發(fā)絲直徑幾千分之一到上萬分之一的細(xì)孔,孔直徑的準(zhǔn)確度,、均勻性和重復(fù)性已可達(dá)到頭發(fā)絲的幾萬到十萬分之一。一臺(tái)刻蝕機(jī)每年加工超過百萬萬億個(gè)又細(xì)又深的接觸孔,幾乎百分之百的孔要被完全打開,。

    半導(dǎo)體設(shè)備不僅要能實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的加工,最重要的是均勻性,、穩(wěn)定性、重復(fù)性、可靠性和潔凈性,。只要做到這些,才能滿足芯片合格率這個(gè)晶圓制造的核心訴求,。要保證可以接受的合格率(例如90%),就要求每個(gè)加工制造環(huán)節(jié)都有極高的合格率,因?yàn)槟壳跋冗M(jìn)制程芯片需要1000個(gè)工藝步驟,如果每一步合格率為99．9%,則1000個(gè)步驟后最終合格率只有36．77%。

    而作為現(xiàn)代智能制造的代表,全球信息化產(chǎn)業(yè)的底層支撐,芯片制造很少給新設(shè)備廠商試錯(cuò)機(jī)會(huì),。歷經(jīng)千辛萬苦開發(fā)出樣機(jī)只完成了開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備的一小部分,要說服晶圓制造廠商冒著合格率與產(chǎn)能下降的風(fēng)險(xiǎn)幫忙試車才是更難的部分,尹志堯表示,樣機(jī)做出來,客戶愿意配合,還要通過至少80多個(gè)嚴(yán)苛測(cè)試項(xiàng)目,才能最終達(dá)到晶圓廠的要求,。

    從國(guó)際廠商發(fā)展歷史經(jīng)驗(yàn)來看,設(shè)備業(yè)要站穩(wěn)市場(chǎng),來不得半點(diǎn)冒進(jìn),一定要做好長(zhǎng)期研發(fā)投入,夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。如尹志堯說,半導(dǎo)體設(shè)備需要50個(gè)學(xué)科協(xié)同,難度不亞于兩彈一星,?！鞍雽?dǎo)體工業(yè)關(guān)鍵核心零部件之一的磁懸浮分子泵,在國(guó)際上只有兩三家能做,每一件事情都需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累?！?/p>

    得益于全球化,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才發(fā)展到如今的規(guī)模,但自特朗普政府上臺(tái)之后,美國(guó)以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為武器,對(duì)中國(guó)發(fā)動(dòng)科技戰(zhàn),已經(jīng)嚴(yán)重影響了全球電子信息產(chǎn)業(yè)之前建立的供應(yīng)鏈互信機(jī)制,。作為全球最重要的電子信息產(chǎn)業(yè)制造基地,打造不受地緣政治影響的新型半導(dǎo)體供應(yīng)鏈至關(guān)重要,而每當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)真正的市場(chǎng)突破(例如市占率達(dá)到20%),《瓦森納協(xié)定》中的對(duì)應(yīng)限制項(xiàng)目也就失去了意義。當(dāng)前,設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率能否有效提升,已經(jīng)成為全球電子信息產(chǎn)業(yè)能否良性發(fā)展的關(guān)鍵因素,。中國(guó)在晶圓制造上的快速擴(kuò)張,為國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商提供了廣闊的市場(chǎng)空間與試錯(cuò)機(jī)會(huì),對(duì)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商而言,這是極佳的歷史機(jī)遇,。