半导体制造已进入原子级加工阶段。如此高精度的半导体器件制造需要整合超过50个学科的知识和技术。此外，加工精度只是其中一个方面。良率对半导体制造至关重要。因此，均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净度都至关重要。半导体加工涉及超过1,000个先进的加工环节。任何一个环节出现问题，都难以制造出满足产品性能和良率要求的芯片。

根据市场研究机构SEMI的统计数据，2020年中国大陆首次成为全球最大的半导体设备区域市场，销售额同比增长39%，达到18.72亿美元；台湾位居第二，台湾设备制造商2020年的销售额达到17.15亿美元；韩国位居第三，销售额同比增长61%，达到16.08亿美元；日本位居第四，销售额也达到7.58亿美元。东亚已成为全球半导体军备竞赛的高地，2020年总支出达59.53亿美元，占当年全球半导体设备总支出（71.2亿美元）的83.6%。（温馨提示：有关半导体设备的信息，请到后台回复[半导体设备】收到）

由于地缘政治对半导体供应链的影响日益加剧，2021年各区域市场对半导体产能投资的竞争将愈演愈烈。台积电和三星均已将2021年半导体领域的资本支出计划调整至30亿美元以上。两家公司正全力推进先进工艺的量产，预计均在2022年实现3纳米工艺的量产。应美国政府的号召，台积电和三星还将在美国建厂。毫无疑问，2021年对于半导体设备制造商而言又将是丰收的一年。然而，由于相关限制，中国大陆无法采购高端EUV光刻机等设备，其作为全球最大设备市场的地位可能难以维持。

根据台湾工业技术研究院（以下简称“台湾工业技术研究院”）的说法，不同区域市场对半导体产业的发展目标各不相同：作为全球最大的半导体应用市场，中国大陆无疑希望在供应链安全受到威胁的背景下加快技术追赶，以缓解目前在制造、设备和材料等关键环节受他国控制的局面；而作为全球半导体产业链的领导者，美国将继续加强对中国大陆高端芯片制造设备的出口管制，并出台新政策应对近年来美国晶圆制造能力的下降；作为全球晶圆制造密度最高的两个地区，台湾和韩国预计将继续引领晶圆制造工艺的发展趋势。这两个地区也将利用其强大的制造能力，提升上游材料和设备的自主性。

先进技术发展方向

在28纳米之后，平面晶体管工艺达到了极限，FinFET（鳍式晶体管）延续了摩尔定律，将工艺节点推向了目前的10纳米以下。然而，FinFET工艺也接近其极限。三星将率先在3纳米工艺上采用GAA（环栅）结构，而台积电将在3纳米节点继续采用FinFET结构，然后在2纳米节点采用GAA结构。台湾工业技术研究院认为，英特尔在晶圆制造方面遇到了困难。7纳米工艺（注：三家公司对工艺尺寸的定义不同，不适合直接进行数值比较）的量产可能会推迟到2023年。预计英特尔也将在5纳米节点转向GAA架构。

资料来源：台湾工业技术研究院

GAA，全称为全环绕栅极（Gate-All-Around），是一种环绕栅极晶体管，也称为GAAFET。该概念很早就被提出，最早由比利时IMEC的Cor Claeys博士及其研究团队于1990年发表在一篇文章中。GAAFET相当于3D FinFET的改进版本。该技术下的晶体管结构再次发生变化。栅极和漏极不再是鳍片，而是垂直穿过栅极的“小棒”。这样，栅极就可以从各个方向包裹源极和漏极。

资料来源：台湾工业技术研究院

与FinFET相比，最初的源极和漏极半导体是鳍片（Fin），而现在栅极也变成了鳍片。因此，GAAFET和3D FinFET在实现原理和理念上有很多相似之处——这对晶圆厂来说是一个巨大的优势。从三个接触面到四个接触面，甚至再到多个四接触面，显然栅极对电流的控制能力得到了进一步提升。

与FinFET工艺相比，GAA结构具有更大的栅极接触面积，这提高了晶体管对导电沟道的控制能力，并显著改善了电容等寄生参数。因此，它可以降低工作电压、漏电流、功耗和工作温度，有利于提高集成度并延续摩尔定律。

由于新结构的生产工艺与鳍式晶体管类似，关键工艺步骤几乎相同，现有设备和技术成果可以继续沿用。对于台积电和三星而言，这无疑是成本最低的技术路线替代方案。然而，GAA对加工精度的要求进一步提高，需要区域选择性沉积技术和原子级加工能力。因此，材料工程重要性的提升也将为沉积和蚀刻设备带来更多商机。

半导体前端设备市场由五大巨头掌控

尽管2020年全球超过80%的设备将销往东亚，但除日本外，中国大陆（包括台湾）和韩国在设备行业的影响力并不大。全球前五大半导体前端（即晶圆制造，封装为后端）设备制造商——应用材料（AMAT）、阿斯麦（ASML）、兰姆（Lam）、东京电子（TEL）和科乐（KLA）——占据了超过70%的市场份额。其中，只有东京电子的总部设在东亚，其余均为欧美公司。

资料来源：台湾工业技术研究院

具体而言，应用材料公司排名第一。该公司2020年营收为17.2亿美元，其中半导体业务约占70%。应用材料公司拥有广泛的半导体设备，包括占全球市场份额38%的PVD（薄膜沉积）设备、占70%的CMP（研磨和抛光）设备、占15%的刻蚀设备以及占67%的离子注入机。

ASML以2020年13.98亿欧元的营收位居第二。ASML是光刻机的主要制造商，也是目前全球唯一的EUV（极紫外）光刻机供应商。得益于台积电、三星和英特尔等公司对先进工艺的追求，ASML在2020年售出了31台EUV光刻机，总销售额达4.5亿欧元。仅这31台EUV光刻机就占其总营收的32%。目前，ASML正与供应链合作伙伴共同开发更先进的光刻工艺技术。例如，该公司将于2020年推出多套电子束探测和扫描系统，并将电子束间的干扰控制在2%以下，这适用于5纳米以上节点的工艺。ASML还与Lam和imec合作开发干式光刻胶技术，以提高EUV分辨率并减少光刻胶用量。它还与 Lasertec 合作开发新一代 EUV 光刻掩模检测技术以降低成本，并与台积电合作开发新一代 EUV 光刻掩模清洗技术以降低成本。

2020年，东京电子的设备销售额达10.37亿美元，位居全球第三。东京电子的镀膜显影设备市场份额占全球市场的91%，其中EUV镀膜显影设备占据全部市场份额，蚀刻设备占25%，沉积设备占37%，清洗设备占27%。2020年至2022年，东京电子计划投入400亿日元用于研发，重点发展选择性沉积、智能蚀刻、超临界流体清洗等技术领域。

2020年，Lam Semiconductor的营收为10.05亿美元，排名第四。Lam是全球蚀刻设备领域的领导者，其存储器制造业务占总营收的57%，逻辑技术业务占43%。它是排名前五的设备制造商中唯一一家存储器业务占比超过50%的公司。如前所述，Lam和ASML正与imec合作开发EUV干式光刻胶技术。

科雷半导体2020年营收达5.81亿美元，位列全球第五。科雷是晶圆检测设备领域的全球领导者，市场份额超过50%。科雷还致力于研发用于应力变形测量和多束检测的、针对5纳米以下结构的电子束缺陷测量技术。

资料来源：台湾工业技术研究院

根据台湾工业研究院的预测，未来几年全球关键半导体设备将保持强劲的增长势头。除深紫外（DUV）光刻设备外，其他设备均呈现增长态势。其中，原子层沉积（ALD）设备增速最高，预计2020年至2025年年均增长率将达到26.3%。极紫外（EUV）设备增速位居第二，年均增长率也将达到两位数。EUV设备的销售额位居第一，预计到2025年将达到12.55亿美元，超过刻蚀设备，成为各细分市场中销售额最高的半导体设备。

资料来源：台湾工业技术研究院

中国装备制造商还有很长的路要走

与国际制造商相比，中国设备制造商在销售规模和技术方面存在巨大差距。据电子专用设备行业协会数据显示，2019年国内半导体设备销售额为16.182亿元人民币，仅为五大行业巨头科锐2019年营收（4.6亿美元）的一半左右。该协会在2020年10月预测，2020年国内半导体设备销售额将达到21.3亿元人民币，仍不到科锐（5.8亿美元）的60%。

国内外主要半导体设备公司对比（截至2021年1月6日）

来源：德邦证券

从技术层面来说，我国半导体设备基本尚未参与到先进工艺（3纳米及以下）的研发阶段，目前尚无法支撑28纳米等准主流工艺的国产化。国内大多数设备厂商的商用产品仍基于成熟工艺的生产线。以备受关注的光刻机为例，国内主要厂商是上海微电子设备有限公司（简称“上海微电子”）。上海微电子的主流产品只能满足90纳米、110纳米等工艺的光刻需求。

但也有一些领域已经参与到先进技术竞争中。例如，中微半导体在CCP刻蚀领域获得了台积电的认可，并已进入其7nm/5nm生产线；北方华创在ICP刻蚀设备方面相对领先，28nm以上的刻蚀设备已经实现产业化。在先进工艺方面，硅刻蚀设备已经突破了14nm技术，并进入了上海集成电路研发中心。

根据“中国制造2025”目标，半导体核心基础元件和关键基础材料应在2020年实现40%的自主化率，并在2025年实现70%的国产化率。然而，根据2017年至2021年第一季度长江存储、华力微电子等十家国内晶圆制造企业的公开招标信息，国产化率距离目标仍有较大差距。2017年至2019年，这十家厂商共招标4,197套设备，其中国产设备431套，国产化率约为10.3%。2020年至2021年第一季度，这十家晶圆厂共招标1,862套设备，其中国产设备315套。据估计，目前的本地化率为 17%，比 2017 年到 2019 年增长了 6 个百分点以上。

左图：2017年至2019年十大晶圆厂设备国产化率

右图：2020-2021年第一季度全球十大晶圆厂设备国产化率

来源：德邦证券

然而，近几年来，国内半导体设备也呈现出非常积极的发展态势。在技术方面，以中微半导体、北方华创和亿堂半导体为首的企业，在蚀刻、沉积、干法剥离、清洗和离子注入等领域已接近世界一流水平。在市场份额方面，部分产品的市场份额已超过20%，对国际半导体设备制造商的市场地位造成了强劲冲击。

从十大晶圆厂公布的招标信息可以看出，2017年至2021年第一季度，干法脱胶设备的国产化率达到45.5%，清洗设备（30.6%）、蚀刻设备（22.2%）和抛光设备（21.6%）的国产化率均高于20%，炉管设备（14.7%）和胶水开发设备（10.0%）也均高于10%。沉积设备（8.5%）和前端测试设备（5.2%）的国产化率相对较低，仅在5%至10%之间。国产化率差距最大的是离子注入机（2.4%）、后端测试设备（1.9%）和光刻机（1.6%）。

进入2020年后，国产化率将加快增长。从十大晶圆厂的开标数据来看，2020年至2021年第一季度，抛光设备、蚀刻设备、炉管设备以及涂胶显影设备的国产化率与2017年至2019年相比，均实现了两位数以上的增长。

从全球半导体设备产业的发展趋势来看，随着半导体工艺接近物理极限，开发新一代设备变得越来越困难。以极紫外光刻机为例，该项目早在上世纪1990年代就已启动，来自全球40多个国家（其中欧洲贡献了100多个）的近200家研究机构参与其中。从基础研究、技术研究到系统集成，整个研发体系投入超过100亿元人民币，超过了我国近十年来设备产业的总收入。

中国微电子半导体公司董事长尹志尧在接受媒体采访时也表示，半导体制造已经进入原子级加工阶段。如此高精度的半导体器件制造需要融合50多个学科的知识和技术。他指出，等离子刻蚀技术已经能够刻蚀出直径仅为人类头发丝千分之一到十万分之一的微孔，孔径的精度、均匀性和重复性均可达到人类头发丝直径的数万分之一到十万分之一。一台刻蚀机每年要加工超过一百万亿个细小而深邃的接触孔，而且几乎100%的孔都必须完全打开。

半导体设备不仅要具备精细的加工能力，更重要的是其均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净度。只有做到这些，才能满足晶圆制造的核心要求——芯片合格率。为了确保达到可接受的合格率（例如90%），每个加工制造环节都需要极高的合格率，因为目前先进的芯片工艺需要1,000道工序。如果每道工序的合格率为99.9%，那么1,000道工序后的最终合格率仅为36.77%。

作为现代智能制造的代表和全球信息产业的底层支撑，芯片制造很少给新设备制造商试错的机会。经过大量的原型开发，最终完成的研发和生产设备也只是很小一部分。更难的是，如何说服晶圆制造商协助进行试运行，哪怕这意味着降低合格率和产能。尹志尧表示，原型制作完成后，即使客户愿意合作，也必须通过至少80项严格的测试，才能最终满足晶圆厂的要求。

从国际厂商的历史发展经验来看，装备行业必须稳定市场，避免任何鲁莽的扩张。它必须加大长期研发投入，夯实技术基础。正如尹志尧所说，半导体装备需要50个学科的协同合作，其难度不亚于制造两颗原子弹和一颗卫星。“世界上只有两三家公司能够制造磁悬浮分子泵，这是半导体行业的关键核心部件之一。一切都需要长期的技术积累。”

全球化推动半导体产业发展到如今的规模。然而，自特朗普政府上台以来，美国利用半导体产业作为武器，对中国发动技术战，严重冲击了全球电子信息产业此前建立的供应链互信机制。作为全球最重要的电子信息产业制造基地，构建一条不受地缘政治影响的新型半导体供应链至关重要。一旦某项技术真正取得市场突破（例如，市场份额达到20%），《瓦塞纳尔协议》中的相关限制便会失去意义。当前，设备国产化率能否有效提升已成为全球电子信息产业健康发展的关键因素。中国晶圆制造的快速扩张为国内半导体设备制造商提供了广阔的市场空间和试错机会。对于国内半导体设备制造商而言，这是一个绝佳的历史机遇。

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