根據(jù)市場研究機構(gòu)SEMI的統(tǒng)計,2020年中國大陸首次成為全球最大半導(dǎo)體設(shè)備區(qū)域市場,銷售額年增39%,達到187．2億美元;中國臺灣排名第二,2020年設(shè)備商在臺灣地區(qū)銷售額達到171．5億美元;韓國排名第三,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)體軍備競賽高地,2020年合計砸出595．3億美元,占當年全球半導(dǎo)體設(shè)備支出總額(712億美元)比例高達83．6%。

    由于地緣政治對于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈影響加劇,2021年各區(qū)域市場對半導(dǎo)體產(chǎn)能投資競爭白熱化。臺積電和三星均將2021年在半導(dǎo)體上的資本支出計劃調(diào)至300億美元以上,兩家在先進工藝量產(chǎn)進度上拼死相爭,都預(yù)計2022年量產(chǎn)3納米工藝,而在美國政府召喚下,臺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)備廠商的一個豐收年,而中國大陸由于受到相關(guān)限制,無法購買高端EUV光刻機等設(shè)備,恐難守住最大設(shè)備市場寶座。

    在臺灣工業(yè)技術(shù)研究院(以下簡稱臺灣工研院)看來,不同區(qū)域市場對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標不同:作為全球最大半導(dǎo)體應(yīng)用市場,中國大陸在供應(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;而美國作為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主導(dǎo)者,將繼續(xù)加強高端芯片制造設(shè)備對中國大陸的出口管制,美國也將出臺新政以應(yīng)對近年來美國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地區(qū),中國臺灣與韓國將有希望繼續(xù)引領(lǐng)晶圓制造工藝發(fā)展趨勢,這兩個區(qū)域也將借助強大的制造能力,改善上游的材料與設(shè)備自主狀況。

    先進工藝發(fā)展方向

    在28納米之后,平面晶體管工藝達到極限,FinFET(鰭式晶體管)延續(xù)了摩爾定律,將工藝節(jié)點推進到現(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),臺積電則在3納米節(jié)點繼續(xù)FinFET結(jié)構(gòu),到2納米節(jié)點再采用GAA結(jié)構(gòu)。臺灣工研院認為,英特爾在晶圓制造上遇到了麻煩,7納米工藝(注:三家對工藝尺寸定義各有區(qū)別,不適合直接拿數(shù)字對比)或?qū)⒀又?023年才能量產(chǎn),預(yù)計英特爾在5納米節(jié)點也將改為GAA架構(gòu)。

    資料來源:臺灣工業(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 IMEC Cor Claeys 博士及其研究團隊于 1990 年發(fā)表文章中提出。GAAFET 相當于 3D FinFET 的改良版,這項技術(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,柵極就能實現(xiàn)對源極、漏極的四面包裹。

    資料來源:臺灣工業(yè)技術(shù)研究院

    對比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 在實現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方——這對晶圓廠而言是很大優(yōu)勢。從三接觸面到四接觸面,并且還被拆分成好幾個四接觸面,顯然柵極對電流的控制力又進一步提高了。

    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,對臺積電和三星而言,這無疑是代價最低的技術(shù)路線更換方案。但GAA對加工精度要求進一步提高,需要區(qū)域選擇性沉積技術(shù)與原子級加工能力,因而材料工程重要性提升,也將帶動更多沉積與蝕刻設(shè)備商機。

    五巨頭把控的半導(dǎo)體前道設(shè)備市場

    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年營收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%,離子注入機占比67%。

    阿斯麥排名第二,2020年營收139．8億歐元。阿斯麥是光刻機大廠,在EUV(極紫外光)光刻機上更是目前全球唯一的供應(yīng)商,得益于臺積電、三星和英特爾對先進工藝的追求,2020年阿斯麥銷售31臺EUV光刻機,共計45億歐元,僅這31臺EUV光刻機就占其總營收32%。當前,ASML正聯(lián)合供應(yīng)鏈伙伴共同研發(fā)以推進更精細光刻加工技術(shù),例如2020年推出多條電子束檢測掃描系統(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光罩檢測技術(shù)以降低成本,與臺積電合作開發(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)備市場份額占全球比例高達91%,其中EUV涂膠顯影機更是獨占全部市場份額,蝕刻機占全球比例為25%,沉積設(shè)備37%,清洗設(shè)備27%。2020年至2022年,東京電子計劃投入4000億日元研發(fā)經(jīng)費,重點投入在選擇性沉積、智能蝕刻、超臨界流體清洗等技術(shù)方向。

    泛林半導(dǎo)體2020年營收為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年營收為58．1億美元,排名第五。科磊是全球晶圓檢測設(shè)備龍頭,市場份額約占五成以上。科磊在應(yīng)力變形量測、多光束檢測,也投入力量開發(fā)小于5納米結(jié)構(gòu)的電子束缺陷量測技術(shù)。

    資料來源:臺灣工業(yè)技術(shù)研究院

    根據(jù)臺灣工研院的估計,全球關(guān)鍵半導(dǎo)體設(shè)備在今后幾年成長勢頭都非常好,除了DUV(深紫外)光刻設(shè)備,其余設(shè)備均呈正增長態(tài)勢。其中ALD(原子層沉積)增長率最高,預(yù)計2020年至2025年期間,年均增長率達到26．3%,EUV設(shè)備增長率排名第二,年均增長率也達兩位數(shù)。而以金額計EUV設(shè)備則獨占鰲頭,預(yù)計2025年EUV設(shè)備銷售額達到125．5億美元,超過蝕刻機,成為各細分方向銷售額最高的半導(dǎo)體設(shè)備。

    資料來源:臺灣工業(yè)技術(shù)研究院

    中國設(shè)備廠商任重道遠

    與國際廠商相比,無論是銷售規(guī)模上,還是技術(shù)上,中國設(shè)備廠商差距都很大。根據(jù)電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù),2019年國產(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)會在2020年10月估算,2020年國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額總計可達213億元,與科磊(58億美元)相比,仍不足其60%。

    國內(nèi)外主要半導(dǎo)體設(shè)備公司對比(截至2021年1月6日)

    資料來源:德邦證券

    技術(shù)上,我國半導(dǎo)體設(shè)備基本還未參與到先進制程(3納米及以下)研發(fā)階段中,目前也尚不能支持28納米這樣的準主流工藝實現(xiàn)全國產(chǎn)化,大部分國產(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。以社會關(guān)注度較高的光刻機為例,國內(nèi)主要是上海微電子裝備有限公司(簡稱“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)參與到先進工藝競賽中。比如中微半導(dǎo)體在CCP刻蝕領(lǐng)域已經(jīng)獲得臺積電認可,進入其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納米級以上刻蝕設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,在先進制程方面,硅刻蝕設(shè)備已經(jīng)突破14納米技術(shù),進入上海集成電路研發(fā)中心。

    根據(jù)《中國制造2025》目標,2020年半導(dǎo)體核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料應(yīng)實現(xiàn)40%的自主率,2025年要達到70%國產(chǎn)化率。但根據(jù)長江存儲、華力微電子等國內(nèi)十家晶圓制造企業(yè)2017年至2021年一季度的公開招標信息來看,國產(chǎn)化率距離目標還很遠。2017至2019年,這十家廠商合計開標4197臺設(shè)備,其中國產(chǎn)設(shè)備為431臺,國產(chǎn)化率約為10．3%;而2020年至2021年一季度這十家晶圓廠合計開標1862臺設(shè)備,其中國產(chǎn)設(shè)備達315臺,推算目前國產(chǎn)化率在17%,較2017至2019年增長超過6個百分點。

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

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

    資料來源:德邦證券

    但國產(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%,對國際半導(dǎo)體設(shè)備廠商市場地位發(fā)起了有力沖擊。

    在十大晶圓廠公布的招標信息中可以看出,2017年至2021年一季度,干法去膠設(shè)備國產(chǎn)化率達到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%)和前道檢測設(shè)備(5．2%)國產(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(2．4%)、后道測試設(shè)備(1．9%)和光刻機(1．6%)。

    而進入2020年以后,國產(chǎn)化率提升更快。從十大晶圓廠開標數(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)備的國產(chǎn)化率均比2017至2019階段國產(chǎn)化率增長超過兩位數(shù)。

    從全球半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)發(fā)展趨勢來看,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光刻機為例,早在上世紀九十年代就立項,全球四十多個國家近200個研究機構(gòu)(歐洲貢獻了100多個)參與其中,從基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)到系統(tǒng)集成,整個研發(fā)系統(tǒng)投入超過千億人民幣,超過我國過去十年設(shè)備業(yè)總收入。

    中微半導(dǎo)體董事長尹志堯在接受媒體采訪時也表示,半導(dǎo)體已經(jīng)進入原子級加工水平,在這個精度上進行半導(dǎo)體器件制造,需要集合50多個學(xué)科的知識與技術(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孔,孔直徑的準確度、均勻性和重復(fù)性已可達到頭發(fā)絲的幾萬到十萬分之一。一臺刻蝕機每年加工超過百萬萬億個又細又深的接觸孔,幾乎百分之百的孔要被完全打開。

    半導(dǎo)體設(shè)備不僅要能實現(xiàn)非常精細的加工,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%),就要求每個加工制造環(huán)節(jié)都有極高的合格率,因為目前先進制程芯片需要1000個工藝步驟,如果每一步合格率為99．9%,則1000個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)備廠商試錯機會。歷經(jīng)千辛萬苦開發(fā)出樣機只完成了開發(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)險幫忙試車才是更難的部分,尹志堯表示,樣機做出來,客戶愿意配合,還要通過至少80多個嚴苛測試項目,才能最終達到晶圓廠的要求。

    從國際廠商發(fā)展歷史經(jīng)驗來看,設(shè)備業(yè)要站穩(wěn)市場,來不得半點冒進,一定要做好長期研發(fā)投入,夯實技術(shù)基礎(chǔ)。如尹志堯說,半導(dǎo)體設(shè)備需要50個學(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,在國際上只有兩三家能做,每一件事情都需要長期的技術(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之后,美國以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為武器,對中國發(fā)動科技戰(zhàn),已經(jīng)嚴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,而每當一項技術(shù)真正實現(xiàn)真正的市場突破(例如市占率達到20%),《瓦森納協(xié)定》中的對應(yīng)限制項目也就失去了意義。當前,設(shè)備國產(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。中國在晶圓制造上的快速擴張,為國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商提供了廣闊的市場空間與試錯機會,對國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商而言,這是極佳的歷史機遇。