半導体は原子レベルのプロセスレベルに到達しました。この精度で半導体デバイスを製造するには、50以上の分野からの知識と技術の統合が必要です。さらに、処理精度は数ある要素の一つに過ぎません。半導体製造において歩留まりは極めて重要です。そのため、均一性、安定性、再現性、信頼性、清浄度といった要素すべてが重要となります。高度な半導体製造プロセスには1,000以上の工程があり、いずれかの工程に問題が生じれば、製品性能と歩留まりの要件を満たすチップを製造することは困難になります。

市場調査機関SEMIの統計によると、中国本土は2020年に初めて世界最大の半導体製造装置地域市場となり、売上高は前年比39%増の187億2000万米ドルに達した。台湾は2位で、台湾の装置メーカーの売上高は2020年に171億5000万米ドルに達した。韓国は3位で、売上高は前年比61%増の160億8000万米ドルに達した。日本は4位で、売上高は75億8000万米ドルに達した。東アジアは世界の半導体軍拡競争のハイランドとなり、2020年には総額595億3000万米ドルを費やし、同年の世界の半導体製造装置支出総額（71.2億米ドル）の83.6%を占めた。（注意：半導体製造装置に関する情報については、バックエンドから返信してください[半導体装置】受け取る）

地政学が半導体サプライチェーンに与える影響が強まっているため、2021年には様々な地域市場における半導体生産能力投資をめぐる競争が激化するだろう。TSMCとサムスンはともに2021年の半導体設備投資計画を30億ドル以上に調整した。両社は先端プロセスの量産化の進捗状況で熾烈な競争を繰り広げている。両社とも2022年には3ナノメートルプロセスの量産化を目指している。米国政府の要請により、TSMCとサムスンは米国にも工場を設立する予定だ。2021年が半導体製造装置メーカーにとって再び好調な年になることは間違いない。しかし、関連する規制により、中国本土はハイエンドのEUVリソグラフィ装置などの機器を購入できず、最大の機器市場としての地位を維持することは難しいかもしれない。

台湾工業技術研究院（以下、台湾工業技術研究院）によると、地域市場によって半導体産業の発展目標は異なる。世界最大の半導体応用市場である中国本土は、サプライチェーンの安全保障に対する脅威という状況下で、製造、設備、材料などの主要なリンクで他国に支配されている現状を緩和するため、技術的追いつきを加速させたいと強く望んでいる。また、世界の半導体産業チェーンのリーダーである米国は、中国本土へのハイエンドチップ製造設備の輸出管理を強化し続けるとともに、近年の米国のウェハー製造能力の低下に対処するための新たな政策も導入するだろう。世界で最もウェハー製造密度が高い2つの地域である台湾と韓国は、ウェハー製造プロセスの発展トレンドを引き続きリードしていくと予想される。これら2つの地域は、その強力な製造能力を活用して、上流の材料と設備の自給率を向上させるだろう。

先端技術開発の方向性

28ナノメートル以降、プレーナー型トランジスタプロセスは限界に達し、FinFET（フィン型トランジスタ）はムーアの法則を継続し、プロセスノードを現在の10ナノメートル以下に押し下げました。しかし、FinFETルートは限界に近づいています。サムスンは3nmプロセスで最初にGAA（ゲートオールアラウンド）構造を採用し、TSMCは3nmノードでFinFET構造を継続し、その後2nmノードでGAA構造を採用する予定です。台湾の工業技術研究院は、インテルがウェハ製造で問題に直面していると考えています。7ナノメートルプロセス（注：3社はプロセスサイズの定義が異なるため、直接数値比較には適していません）は、量産開始前に2023年まで遅れる可能性があります。インテルは5ナノメートルノードでGAAアーキテクチャに変更すると予想されています。

出典：台湾工業技術研究院

GAA（Gate-All-Aroundの正式名称）は、ラップアラウンドゲート技術トランジスタであり、GAAFETとも呼ばれます。この概念は、1990年にベルギーのIMECに所属するコー・クレイズ博士とその研究チームが発表した論文で、非常に早い時期に提唱されました。GAAFETは、3D FinFETの改良版に相当します。この技術では、トランジスタの構造が再び変更されています。ゲートとドレインはもはやフィンではなく、ゲートを垂直に貫通する「小さな棒」になります。このようにして、ゲートはソースとドレインをあらゆる方向から包み込むことができます。

出典：台湾工業技術研究院

FinFETと比較すると、元のソースおよびドレイン半導体はフィン（Fin）でしたが、現在はゲートがフィンになっています。そのため、GAAFETと3D FinFETは実装原理とアイデアにおいて多くの類似点があり、これはファブにとって大きな利点です。3つのコンタクト面から4つのコンタクト面へ、また複数の4つのコンタクト面に分割されたことで、ゲートの電流制御能力がさらに向上したことは明らかです。

FinFETプロセスと比較して、GAA構造はゲートコンタクト面積が大きいため、トランジスタの導電チャネル制御能力が向上し、容量などの寄生パラメータが大幅に改善されます。したがって、動作電圧、リーク電流、消費電力、動作温度を低減することができ、集積度の向上とムーアの法則の継続に貢献します。

新構造に必要な製造プロセスはフィン型トランジスタの製造プロセスと類似しているため、主要な工程はほぼ同じであり、既存の設備や技術成果を引き続き活用できます。TSMCとSamsungにとって、これは間違いなく最もコスト効率の良い技術ルート代替ソリューションです。しかし、GAAでは処理精度に対する要求がさらに高まり、領域選択的成膜技術や原子レベルの処理能力が求められています。そのため、材料工学の重要性の高まりは、成膜装置やエッチング装置のビジネスチャンスをさらに拡大させるでしょう。

半導体フロントエンド装置市場は5大巨頭によって支配されている。

2020年には世界の機器販売量の80%以上が東アジア向けとなる見込みだが、日本を除けば、中国（本土と台湾）と韓国は機器産業において大きな影響力を持っていない。世界の半導体フロントエンド（ウェハ製造、パッケージングは​​バックエンド）機器メーカー上位5社、アプライド・マテリアルズ（AMAT）、ASML（ASML）、ラム（Lam）、東京エレクトロニクス（TEL）、KLA（KLA）が市場シェアの70%以上を占めている。このうち、東アジアに本社を置くのは東京エレクトロニクスのみで、残りはアメリカとヨーロッパの企業である。

出典：台湾工業技術研究院

具体的には、アプライド・マテリアルズが1位にランクインした。同社の2020年の売上高は17.2億米ドルで、そのうち半導体事業が約70%を占めている。アプライド・マテリアルズは、PVD（薄膜成膜）装置（世界シェア38%）、CMP（研削・研磨）装置（70%）、エッチング装置（15%）、イオン注入装置（67%）など、幅広い半導体製造装置を保有している。

ASMLは2020年に139億8000万ユーロの売上高を記録し、第2位にランクインしました。ASMLはリソグラフィ装置の大手メーカーであり、現在、世界で唯一のEUV（極端紫外線）リソグラフィ装置のサプライヤーです。TSMC、Samsung、Intelが先進的なプロセスを追求したおかげで、ASMLは2020年に31台のEUVリソグラフィ装置を販売し、総額4.5億ユーロに達しました。この31台のEUVリソグラフィ装置だけで、総売上高の32%を占めています。現在、ASMLはサプライチェーンパートナーと協力して、より高度なリソグラフィ処理技術を共同開発しています。例えば、2020年には複数の電子ビーム検出・走査システムを発売し、電子ビーム間の干渉を2%未満に抑え、5ナノメートルノード以上のプロセスに適したシステムを開発する予定です。ASMLはまた、Lamおよびimecと協力して、EUV解像度の向上とフォトレジスト使用量の削減を目指したドライフォトレジスト技術の開発にも取り組んでいます。また、コスト削減のため、Lasertec社と協力して次世代EUVマスク検査技術を開発し、TSMC社と協力して次世代EUVマスク洗浄技術を開発している。

東京エレクトロニクスの2020年の機器売上高は103億7000万米ドルで、世界第3位でした。コーティング・現像装置における東京エレクトロニクスの市場シェアは世界市場の91%を占めており、その内訳はEUVコーティング・現像装置が市場シェアの全てを占め、エッチング装置が25%、成膜装置が37%、洗浄装置が27%となっています。東京エレクトロニクスは2020年から2022年にかけて、選択的成膜、スマートエッチング、超臨界流体洗浄などの技術分野に重点を置き、研究開発資金として4000億円を投資する計画です。

ラム・セミコンダクターの2020年の売上高は100億5000万米ドルで、第4位にランクインした。ラムはエッチング装置の世界的リーダーであり、メモリ製造事業が全体の57%、ロジック技術が43%を占めている。上位5社の装置メーカーの中で、メモリ事業が50%以上を占めるのはラムだけである。前述の通り、ラムとASMLはimecと共同でEUVドライフォトレジスト技術の開発に取り組んでいる。

Kelei Semiconductorの2020年の売上高は58億1000万米ドルで、世界第5位にランクインしました。Keleiはウェハ検査装置の世界的リーダーであり、市場シェアの50%以上を占めています。また、Keleiは応力変形測定やマルチビーム検査において、5ナノメートル以下の構造物に対する電子ビーム欠陥測定技術の開発にも投資しています。

出典：台湾工業技術研究院

台湾工業研究院の推計によると、世界の主要半導体製造装置は今後数年間、非常に好調な成長が見込まれる。深紫外（DUV）リソグラフィ装置を除く他の装置も、プラス成長を示すと予想される。中でも、原子層堆積（ALD）装置の成長率が最も高く、2020年から2025年までの年平均成長率は26.3%と予測されている。EUV装置は成長率で2位につけ、年平均成長率は2桁台となる見込みだ。金額ベースではEUV装置が1位となり、2025年には売上高が125億5000万米ドルに達し、エッチング装置を上回り、各セグメントで最も売上高の高い半導体製造装置になると予測されている。

出典：台湾工業技術研究院

中国の設備メーカーはまだまだ先が長い

国際的なメーカーと比較すると、中国の機器メーカーは販売規模と技術面で大きな差がある。電子特殊機器産業協会のデータによると、2019年の国内半導体製造装置の売上高は161億8200万元で、これは上位5社のゲートキーパーであるKeleiの2019年の売上高（4.6億米ドル）の約半分に過ぎない。同協会は2020年10月に、2020年の国内半導体製造装置の売上高は21.3億元になると予測したが、それでもKeleiの売上高（5.8億米ドル）の60%にも満たない。

国内外の主要半導体製造装置メーカーの比較（2021年1月6日現在）

出典：デッポン証券

技術的には、我が国の半導体製造装置は基本的に先端プロセス（3ナノメートル以下）の研究開発段階にはまだ参加しておらず、現状では28ナノメートルなどの準主流プロセスの国内生産を支えることができません。国内の装置メーカーの商用製品のほとんどは、依然として成熟したプロセス生産ラインに基づいています。社会的に高い注目を集めているリソグラフィ装置を例にとると、国内では主に上海微電子設備有限公司（以下「上海微電子」）がこれに該当します。上海微電子の主力製品は、90ナノメートル、110ナノメートルなどのリソグラフィプロセスの要求を満たすことしかできません。

しかし、既に先端技術競争に参加している分野もいくつかあります。例えば、中国微電子（China Micro Semiconductor）はCCPエッチングの分野でTSMCに認められ、7nm/5nm生産ラインに導入されています。北方華創（Northern Huachuang）はICPエッチング装置で比較的優れた実績を持ち、28nmを超えるエッチング装置が既に工業化されています。先端プロセスに関しては、シリコンエッチング装置が14nm技術を突破し、上海集積回路研究開発センターに導入されています。

「中国製造2025」の目標によれば、半導体コア基本部品と主要基本材料の自給率は2020年までに40％、2025年までに70％に達することになっている。しかし、2017年から2021年第1四半期までの長江メモリや華力微電子などの国内ウェハ製造会社10社の公開入札情報によると、現地化率は目標にはまだ程遠い。2017年から2019年にかけて、これら10社は合計4,197台の装置の入札を開始し、そのうち431台が中国製装置で、現地化率は約10.3％だった。2020年から2021年第1四半期にかけて、これら10社は合計1,862台の装置の入札を開始し、そのうち315台が中国製装置だった。現在の現地化率は17％と推定されており、2017年から2019年にかけて6パーセントポイント以上増加している。

左図：2017年から2019年までの上位10社のウェハ製造装置の国産化率

右図：2020～2021年第1四半期における上位10社のウェハー製造工場における装置の国産化率

出典：デッポン証券

しかしながら、国内の半導体製造装置もここ数年で目覚ましい進歩を遂げている。技術面では、中​​国微電子、北方華創、易堂半導体などが、エッチング、成膜、ドライストリッピング、洗浄、イオン注入といった分野で、すでに世界トップクラスのメーカーに迫るレベルに達している。市場シェアにおいても、一部製品のシェアは20%を超え、国際的な半導体製造装置メーカーの市場地位に大きな影響を与えている。

上位10社のウェハー製造工場が公開した入札情報から、2017年から2021年第1四半期までのドライ脱ガム装置の国産化率は45.5%に達し、洗浄装置（30.6%）、エッチング装置（22.2%）、研磨装置（21.6%）の国産化率はいずれも20%を超え、炉管装置（14.7%）と接着剤開発装置（10.0%）はいずれも10%を超えていることがわかる。成膜装置（8.5%）と前端検査装置（5.2%）の国産化率は比較的低く、5%から10%の間である。最もギャップが大きいのはイオン注入装置（2.4%）、後端検査装置（1.9%）、フォトリソグラフィ装置（1.6%）である。

2020年に入ってからは、国産化率はさらに加速するだろう。上位10社のウェハー製造工場の入札開始データから判断すると、2020年から2021年の第1四半期には、研磨装置、エッチング装置、炉管装置、接着剤塗布・現像装置の国産化率はいずれも、2017年から2019年の国産化率と比較して2桁以上の伸びを示している。

世界の半導体製造装置産業の発展傾向から判断すると、半導体プロセスが物理的な限界に近づくにつれて、次世代装置の開発はますます困難になっている。EUVリソグラフィ装置を例にとると、このプロジェクトは1990年代初頭に開始された。世界40カ国以上（ヨーロッパからは100以上）から約200の研究機関が参加し、基礎研究、技術研究からシステム統合に至るまで、研究開発システム全体に1000億元以上が投資され、これは過去10年間の我が国の装置産業の総収益を上回る額である。

中国微電子半導体の会長である尹志耀氏は、メディアとのインタビューで、半導体は原子レベルの加工レベルに達したと述べた。この精度で半導体デバイスを製造するには、50以上の分野の知識と技術の統合が必要である。同氏は、プラズマエッチングによって人間の髪の毛の直径の1000分の1から10万分の1の細孔が刻まれ、穴の直径の精度、均一性、再現性は人間の髪の毛の直径の数万分の1から10万分の1に達すると指摘した。エッチング装置は毎年100万兆個以上の細くて深いコンタクトホールを加工し、ほぼ100%の穴を完全に開口する必要がある。

半導体製造装置には、非常に精密な加工が可能であるだけでなく、均一性、安定性、再現性、信頼性、清浄度といった点が最も重要です。これらを実現して初めて、ウェハ製造の中核となる要件であるチップの合格率を満たすことができます。許容可能な合格率（例えば90%）を確保するためには、各加工・製造工程で極めて高い合格率が求められます。なぜなら、現在の先端プロセスチップは1,000もの工程を必要とするからです。各工程の合格率が99.9%だったとしても、1,000工程後の最終的な合格率はわずか36.77%に過ぎません。

現代のインテリジェント製造の代表であり、グローバル情報産業の基盤を支えるチップ製造は、新しい装置メーカーが試行錯誤する機会をほとんど与えてくれません。プロトタイプの開発に多大な労力を費やした後、開発・生産設備のほんの一部しか完成していません。さらに難しいのは、合格率や生産能力の低下のリスクを冒してでも、ウェハーメーカーに試運転への協力を説得することです。尹志耀氏は、プロトタイプが完成し、顧客が協力する意思を示した後、ウェハー工場の要求を最終的に満たすためには、少なくとも80項目の厳格なテストに合格する必要があると述べています。

国際的な製造業者の歴史的発展経験から判断すると、機器業界は市場を安定させ、性急な進歩を避ける必要がある。長期的な研究開発に投資し、技術基盤を固めなければならない。尹志耀氏が述べたように、半導体製造装置には50もの分野の連携が必要であり、それは爆弾2個と人工衛星1個を作るのに劣らず難しい。「半導体産業の重要なコア部品の一つである磁気浮上式分子ポンプを製造できる企業は、世界でわずか2、3社しかない。すべては長期的な技術蓄積を必要とするのだ。」

グローバル化のおかげで、半導体産業は現在の規模にまで発展しました。しかし、トランプ政権の発足以来、米国は半導体産業を武器として中国に対する技術戦争を仕掛けており、これは世界の電子情報産業がこれまで築いてきたサプライチェーンの相互信頼メカニズムに深刻な影響を与えています。世界で最も重要な電子情報産業の製造拠点として、地政学の影響を受けない新しい半導体サプライチェーンを構築することが極めて重要です。技術が真に市場でのブレークスルーを達成するたびに（例えば、市場シェアが20%に達するなど）、ワッセナー協定の対応する制限は意味を失います。現在、機器の国産化率を効果的に向上させることができるかどうかが、世界の電子情報産業の健全な発展の鍵となっています。中国のウェハ製造の急速な拡大は、国内の半導体製造装置メーカーに広大な市場空間と試行錯誤の機会を提供しています。国内の半導体製造装置メーカーにとって、これは絶好の歴史的機会です。

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