半导体先进制造设备发展趋势与设备自主化状况漫谈

半导体已经进入原子级加工水平，在这个精度上进行半导体器件制造，需要集合50多个学科的知识与技术。而且，加工精度只是一个维度，良率对半导体制造生死攸关，因此均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净性都很重要，先进半导体加工环节超过1000个，哪个环节出了问题，都难以制造出符合产品性能与良率要求的芯片。

根据市场研究机构SEMI的统计，2020年中国大陆首次成为全球最大半导体设备区域市场，销售额年增39%，达到187.2亿美元；中国台湾排名第二，2020年设备商在台湾地区销售额达到171.5亿美元；韩国排名第三，销售额年增61%至160.8亿美元；日本排名第四，销售额也有75.8亿美元。东亚地区成为全球半导体军备竞赛高地，2020年合计砸出595.3亿美元，占当年全球半导体设备支出总额（712亿美元）比例高达83.6%。

由于地缘政治对于半导体供应链影响加剧，2021年各区域市场对半导体产能投资竞争白热化。台积电和三星均将2021年在半导体上的资本支出计划调至300亿美元以上，两家在先进工艺量产进度上拼死相争，都预计2022年量产3纳米工艺，而在美国政府召唤下，台积电和三星也将赴美设厂。毫无疑问，2021年又将是半导体设备厂商的一个丰收年，而中国大陆由于受到相关限制，无法购买高端EUV光刻机等设备，恐难守住最大设备市场宝座。

在台湾工业技术研究院（以下简称台湾工研院）看来，不同区域市场对半导体产业发展目标不同：作为全球最大半导体应用市场，中国大陆在供应链安全受到威胁的背景下，无疑更希望加快技术追赶，以缓解在制造、设备与材料等关键环节受控于人的现状；而美国作为全球半导体产业链主导者，将继续加强高端芯片制造设备对中国大陆的出口管制，美国也将出台新政以应对近年来美国晶圆制造能力下降的局面；作为全球晶圆制造密度最高的两个地区，中国台湾与韩国将有希望继续引领晶圆制造工艺发展趋势，这两个区域也将借助强大的制造能力，改善上游的材料与设备自主状况。

先进工艺发展方向

在28纳米之后，平面晶体管工艺达到极限，FinFET（鳍式晶体管）延续了摩尔定律，将工艺节点推进到现在的10纳米以下。不过FinFET路线也已经接近极限，三星将在3纳米工艺上率先采用GAA（全环绕栅极）结构，台积电则在3纳米节点继续FinFET结构，到2纳米节点再采用GAA结构。台湾工研院认为，英特尔在晶圆制造上遇到了麻烦，7纳米工艺（注：三家对工艺尺寸定义各有区别，不适合直接拿数字对比）或将延至2023年才能量产，预计英特尔在5纳米节点也将改为GAA架构。

资料来源：台湾工业技术研究院

GAA 全称 Gate-All-Around ，是一种环绕式栅极技术晶体管，也叫做 GAAFET。其概念提出很早，比利时 IMEC Cor Claeys 博士及其研究团队于 1990 年发表文章中提出。GAAFET 相当于 3D FinFET 的改良版，这项技术下的晶体管结构又变了，栅极和漏极不再是鳍片的样子，而是变成了一根根 “小棍子”，垂直穿过栅极，这样，栅极就能实现对源极、漏极的四面包裹。

资料来源：台湾工业技术研究院

对比FinFET，原来源极漏极半导体是鳍片（Fin），而现在栅极变成了鳍片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在实现原理和思路上有很多相似的地方——这对晶圆厂而言是很大优势。从三接触面到四接触面，并且还被拆分成好几个四接触面，显然栅极对电流的控制力又进一步提高了。

相比FinFET工艺，GAA结构具备更大的栅极接触面积，从而提升了晶体管对导电通道的控制能力，并显著改善电容等寄生参数，因而可以降低工作电压，减少漏电流，降低功耗与工作温度，从而有利于提高集成度，以继续延续摩尔定律。

由于新的结构所需的生产工艺与鳍式晶体管相似，关键工艺步骤几乎一样，可以继续使用现有的设备以及技术成果，对台积电和三星而言，这无疑是代价最低的技术路线更换方案。但GAA对加工精度要求进一步提高，需要区域选择性沉积技术与原子级加工能力，因而材料工程重要性提升，也将带动更多沉积与蚀刻设备商机。

五巨头把控的半导体前道设备市场

虽然2020年全球超过8成设备销往东亚地区，但除了日本，中（大陆加台湾）韩在设备业上影响力都不大。全球前五大半导体前道（即晶圆制造，封装为后道）设备厂商应用材料（AMAT）、阿斯麦（ASML）、泛林（Lam）、东京电子（TEL）和科磊（KLA）占据市场份额超过七成，其中只有东京电子总部在东亚，其余都是美欧企业。

资料来源：台湾工业技术研究院

具体来看，应用材料排名第一。其2020年营收172亿美元，其中半导体业务约占7成。应用材料在半导体设备上布局极广，其中PVD（薄膜沉积）设备全球占比38%，CMP（研磨抛光）设备占比70%，蚀刻设备占比15%，离子注入机占比67%。

阿斯麦排名第二，2020年营收139.8亿欧元。阿斯麦是光刻机大厂，在EUV（极紫外光）光刻机上更是目前全球唯一的供应商，得益于台积电、三星和英特尔对先进工艺的追求，2020年阿斯麦销售31台EUV光刻机，共计45亿欧元，仅这31台EUV光刻机就占其总营收32%。当前，ASML正联合供应链伙伴共同研发以推进更精细光刻加工技术，例如2020年推出多条电子束检测扫描系统，并将电子束与电子束之间的干扰限制在了2%以下，适用于5纳米节点以上的制程。阿斯麦还与泛林和imec合作开发干光刻胶技术，以提升EUV解析度，并减少光刻胶用量。并联合Lasertec研发新一代EUV光罩检测技术以降低成本，与台积电合作开发新一代EUV光罩洁净技术以降低成本。

东京电子2020年设备销售额为103.7亿美元，排名第三。东京电子涂胶显影设备市场份额占全球比例高达91%，其中EUV涂胶显影机更是独占全部市场份额，蚀刻机占全球比例为25%，沉积设备37%，清洗设备27%。2020年至2022年，东京电子计划投入4000亿日元研发经费，重点投入在选择性沉积、智能蚀刻、超临界流体清洗等技术方向。

泛林半导体2020年营收为100.5亿美元，排名第四。泛林是全球蚀刻设备龙头，其中存储器制造业务占比57%，逻辑工艺占比43%，是前五大设备厂商中，唯一存储器业务占比超五成的公司。如前所述，泛林和阿斯麦与imec在开发EUV干式光刻胶技术。

科磊半导体2020年营收为58.1亿美元，排名第五。科磊是全球晶圆检测设备龙头，市场份额约占五成以上。科磊在应力变形量测、多光束检测，也投入力量开发小于5纳米结构的电子束缺陷量测技术。

资料来源：台湾工业技术研究院

根据台湾工研院的估计，全球关键半导体设备在今后几年成长势头都非常好，除了DUV（深紫外）光刻设备，其余设备均呈正增长态势。其中ALD（原子层沉积）增长率最高，预计2020年至2025年期间，年均增长率达到26.3%，EUV设备增长率排名第二，年均增长率也达两位数。而以金额计EUV设备则独占鳌头，预计2025年EUV设备销售额达到125.5亿美元，超过蚀刻机，成为各细分方向销售额最高的半导体设备。

资料来源：台湾工业技术研究院

中国设备厂商任重道远

与国际厂商相比，无论是销售规模上，还是技术上，中国设备厂商差距都很大。根据电子专用设备工业协会数据，2019年国产半导体设备销售额为161.82亿元，只有前五大守门的科磊2019年收入（46亿美元）的一半左右，该协会在2020年10月估算，2020年国产半导体设备销售额总计可达213亿元，与科磊（58亿美元）相比，仍不足其60%。

国内外主要半导体设备公司对比（截至2021年1月6日）

资料来源：德邦证券

技术上，我国半导体设备基本还未参与到先进制程（3纳米及以下）研发阶段中，目前也尚不能支持28纳米这样的准主流工艺实现全国产化，大部分国产设备厂商现在能商用的产品还是以成熟工艺产线为主。以社会关注度较高的光刻机为例，国内主要是上海微电子装备有限公司（简称“上海微电子”），上海微电子主流产品还只能满足90纳米、110纳米等制程的光刻工艺要求。

但也有部分领域已经参与到先进工艺竞赛中。比如中微半导体在CCP刻蚀领域已经获得台积电认可，进入其7纳米/5纳米产线；北方华创，则在ICP刻蚀设备上较为出色，28纳米级以上刻蚀设备已经实现产业化，在先进制程方面，硅刻蚀设备已经突破14纳米技术，进入上海集成电路研发中心。

根据《中国制造2025》目标，2020年半导体核心基础零部件、关键基础材料应实现40％的自主率，2025年要达到70％国产化率。但根据长江存储、华力微电子等国内十家晶圆制造企业2017年至2021年一季度的公开招标信息来看，国产化率距离目标还很远。2017至2019年，这十家厂商合计开标4197台设备，其中国产设备为431台，国产化率约为10.3%；而2020年至2021年一季度这十家晶圆厂合计开标1862台设备，其中国产设备达315台，推算目前国产化率在17%，较2017至2019年增长超过6个百分点。