半導體常年被外國限制！國產替代任重道遠!

2021-06-10 17:20

東京電子2020年設備銷售額為103．7億美元，排名第三。東京電子涂膠顯影設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％，沉積設備37％，清洗設備27％。2020年至2022年，東京電子計劃投入4000億日元研發經費，重點投入在選擇性沉積、智能蝕刻、超臨界流體清洗等技術方向。

泛林半導體2020年營收為100．5億美元，排名第四。泛林是全球蝕刻設備龍頭，其中存儲器制造業務占比57％，邏輯工藝占比43％，是前五大設備廠商中，唯一存儲器業務占比超五成的公司。如前所述，泛林和阿斯麥與imec在開發EUV干式光刻膠技術。

科磊半導體2020年營收為58．1億美元，排名第五。科磊是全球晶圓檢測設備龍頭，市場份額約占五成以上。科磊在應力變形量測、多光束檢測，也投入力量開發小于5納米結構的電子束缺陷量測技術。

資料來源：臺灣工業技術研究院

根據臺灣工研院的估計，全球關鍵半導體設備在今后幾年成長勢頭都非常好，除了DUV（深紫外）光刻設備，其余設備均呈正增長態勢。其中ALD（原子層沉積）增長率最高，預計2020年至2025年期間，年均增長率達到26．3％，EUV設備增長率排名第二，年均增長率也達兩位數。而以金額計EUV設備則獨占鰲頭，預計2025年EUV設備銷售額達到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體設備。

資料來源：臺灣工業技術研究院

中國設備廠商任重道遠

與國際廠商相比，無論是銷售規模上，還是技術上，中國設備廠商差距都很大。根據電子專用設備工業協會數據，2019年國產半導體設備銷售額為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，該協會在2020年10月估算，2020年國產半導體設備銷售額總計可達213億元，與科磊（58億美元）相比，仍不足其60％。

國內外主要半導體設備公司對比（截至2021年1月6日）

資料來源：德邦證券

技術上，我國半導體設備基本還未參與到先進制程（3納米及以下）研發階段中，目前也尚不能支持28納米這樣的準主流工藝實現全國產化，大部分國產設備廠商現在能商用的產品還是以成熟工藝產線為主。以社會關注度較高的光刻機為例，國內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。

但也有部分領域已經參與到先進工藝競賽中。比如中微半導體在CCP刻蝕領域已經獲得臺積電認可，進入其7納米／5納米產線；北方華創，則在ICP刻蝕設備上較為出色，28納米級以上刻蝕設備已經實現產業化，在先進制程方面，硅刻蝕設備已經突破14納米技術，進入上海集成電路研發中心。

根據《中國制造2025》目標，2020年半導體核心基礎零部件、關鍵基礎材料應實現40％的自主率，2025年要達到70％國產化率。但根據長江存儲、華力微電子等國內十家晶圓制造企業2017年至2021年一季度的公開招標信息來看，國產化率距離目標還很遠。2017至2019年，這十家廠商合計開標4197臺設備，其中國產設備為431臺，國產化率約為10．3％；而2020年至2021年一季度這十家晶圓廠合計開標1862臺設備，其中國產設備達315臺，推算目前國產化率在17％，較2017至2019年增長超過6個百分點。

左：2017－2019年十大晶圓廠設備國產化率

右：2020－2021年一季度十大晶圓廠設備國產化率

資料來源：德邦證券

但國產半導體設備在過去幾年也呈現出非常積極的變化。在技術上，以中微半導體、北方華創和屹唐半導體等為首的企業在刻蝕、沉積、干法去膠、清洗、離子注入等領域已經接近國際一流廠商。在市占率上，部分產品市占率已經超過20％，對國際半導體設備廠商市場地位發起了有力沖擊。

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，干法去膠設備國產化率達到45．5％，而清洗設備（30．6％）、刻蝕設備（22．2％）、拋光設備（21．6％）國產化率均高于20％，爐管設備（14．7％）和涂膠顯影設備（10．0％）均高于10％，沉積設備（8．5％）和前道檢測設備（5．2％）國產化率就比較低了，僅在5％至10％之間，差距最大的是離子注入機（2．4％）、后道測試設備（1．9％）和光刻機（1．6％）。

而進入2020年以后，國產化率提升更快。從十大晶圓廠開標數據來看，在2020至2021一季度，拋光設備、刻蝕設備、爐管設備和涂膠顯影設備的國產化率均比2017至2019階段國產化率增長超過兩位數。

從全球半導體設備業發展趨勢來看，隨著半導體工藝接近物理極限，開發新一代設備越來越難。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（歐洲貢獻了100多個）參與其中，從基礎研究、技術攻關到系統集成，整個研發系統投入超過千億人民幣，超過我國過去十年設備業總收入。

中微半導體董事長尹志堯在接受媒體采訪時也表示，半導體已經進入原子級加工水平，在這個精度上進行半導體器件制造，需要集合50多個學科的知識與技術。他指出，等離子體刻蝕已刻出人頭發絲直徑幾千分之一到上萬分之一的細孔，孔直徑的準確度、均勻性和重復性已可達到頭發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。

半導體設備不僅要能實現非常精細的加工，最重要的是均勻性、穩定性、重復性、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節都有極高的合格率，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％。

而作為現代智能制造的代表，全球信息化產業的底層支撐，芯片制造很少給新設備廠商試錯機會。歷經千辛萬苦開發出樣機只完成了開發生產設備的一小部分，要說服晶圓制造廠商冒著合格率與產能下降的風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。

從國際廠商發展歷史經驗來看，設備業要站穩市場，來不得半點冒進，一定要做好長期研發投入，夯實技術基礎。如尹志堯說，半導體設備需要50個學科協同，難度不亞于兩彈一星。“半導體工業關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積累。”

得益于全球化，半導體產業才發展到如今的規模，但自特朗普政府上臺之后，美國以半導體產業為武器，對中國發動科技戰，已經嚴重影響了全球電子信息產業之前建立的供應鏈互信機制。作為全球最重要的電子信息產業制造基地，打造不受地緣政治影響的新型半導體供應鏈至關重要，而每當一項技術真正實現真正的市場突破（例如市占率達到20％），《瓦森納協定》中的對應限制項目也就失去了意義。當前，設備國產化率能否有效提升，已經成為全球電子信息產業能否良性發展的關鍵因素。中國在晶圓制造上的快速擴張，為國產半導體設備廠商提供了廣闊的市場空間與試錯機會，對國產半導體設備廠商而言，這是極佳的歷史機遇。

參考資料：

1．下世代半導體先進制造設備市場與技術發展趨勢臺灣工研院張雯琪

2．工欲善其事必先利其器，國產替代正當時德邦證券馮俊

3．半導體設備中標：缺芯背景下，國產設備迎來驗證收獲期德邦證券倪正洋

4．“難度不亞于兩彈一星”，國產半導體設備業面臨多項挑戰第一財經來莎莎邱智麗

5．拯救摩爾定律：一文講解GAA芯片技術 IT之家汐元

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