半導體製造已進入原子級加工階段。如此高精度的半導體裝置製造需要整合超過50個學科的知識和技術。此外，加工精度只是其中一個面向。良率對半導體製造至關重要。因此，均勻性、穩定性、重複性、可靠性和潔淨度都至關重要。半導體加工涉及超過1,000個先進的加工環節。任何一個環節出現問題，都難以製造出符合產品性能和良率要求的晶片。

根據市場研究機構SEMI的統計數據，2020年中國大陸首次成為全球最大的半導體設備區域市場，銷售額年增39%，達到18.72億美元；台灣位居第二，台灣設備製造商2020年的銷售額達到17.15億美元；韓國位居第三，銷售額同比增長61%，達到16.08億美元；東亞已成為全球半導體軍備競賽的高地，2020年總支出達59.53億美元，佔當年全球半導體設備總支出（71.2億美元）的83.6%。 （小提醒：有關半導體設備的信息，請到後台回复[半導體設備】收到）

由於地緣政治對半導體供應鏈的影響日益加劇，2021年各區域市場對半導體產能投資的競爭將愈演愈烈。台積電和三星都已將2021年半導體領域的資本支出計畫調整至30億美元以上。兩家公司正全力推動先進製程的量產，預計在2022年均實現3奈米製程的量產。應美國政府的號召，台積電和三星也將在美國建廠。毫無疑問，2021年對半導體設備製造商而言又將是豐收的一年。然而，由於相關限制，中國大陸無法採購高階EUV微影機等設備，其作為全球最大設備市場的地位可能難以維持。

根據台灣工業技術研究院（以下簡稱「台灣工業技術研究院」）的說法，不同區域市場對半導體產業的發展目標各不相同：作為全球最大的半導體應用市場，中國大陸無疑希望在供應鏈安全受到威脅的背景下加快技術追趕，以緩解目前在製造、設備和材料等關鍵節受他國控制的局面；而作為全球半導體產業鏈的領導者，美國將繼續加強對中國大陸高端晶片製造設備的出口管制，並推出新政策應對近年來美國晶圓製造能力的下降；作為全球晶圓製造密度最高的兩個地區，台灣和韓國預計將繼續引領晶圓製造工藝的發展趨勢。這兩個地區也將利用其強大的製造能力，提升上游材料和設備的自主性。

先進技術發展方向

在28奈米之後，平面電晶體製程達到了極限，FinFET（鰭式電晶體）延續了摩爾定律，將製程節點推向了目前的10奈米以下。然而，FinFET製程也接近其極限。三星將率先在3奈米製程上採用GAA（環柵）結構，而台積電將在3奈米節點繼續採用FinFET結構，然後在2奈米節點採用GAA結構。台灣工業技術研究院認為，英特爾在晶圓製造上遇到了困難。 7奈米製程（註：三家公司對製程尺寸的定義不同，不適合直接進行數值比較）的量產可能會延後到2023年。預計英特爾也將在5奈米節點轉向GAA架構。

資料來源：台灣工業技術研究院

GAA，全稱為全環繞柵極（Gate-All-Around），是一種環繞柵極電晶體，也稱為GAAFET。這個概念很早就被提出，最早由比利時IMEC的Cor Claeys博士及其研究團隊於1990年發表在一篇文章中。 GAAFET相當於3D FinFET的改良版本。此技術下的晶體管結構再次改變。閘極和汲極不再是鰭片，而是垂直穿過閘極的「小棒」。這樣，閘極就可以從各個方向包裹源極和汲極。

資料來源：台灣工業技術研究院

與FinFET相比，最初的源極和汲極半導體是鰭片（Fin），而現在閘極也變成了鰭片。因此，GAAFET和3D FinFET在實現原則和理念上有許多相似之處——這對晶圓廠來說是一個巨大的優勢。從三個接觸面到四個接觸面，甚至再到多個四接觸面，顯然閘極對電流的控制能力得到了進一步提升。

與FinFET製程相比，GAA結構具有更大的閘極接觸面積，這提高了電晶體對導電通道的控制能力，並顯著改善了電容等寄生參數。因此，它可以降低工作電壓、漏電流、功耗和工作溫度，有利於提高整合度並延續摩爾定律。

由於新結構的生產流程與鰭式電晶體類似，關鍵製程步驟幾乎相同，現有設備和技術成果可以繼續沿用。對於台積電和三星而言，這無疑是成本最低的技術路線替代方案。然而，GAA對加工精度的要求進一步提高，需要區域選擇性沉積技術和原子級加工能力。因此，材料工程重要性的提升也將為沉積和蝕刻設備帶來更多商機。

半導體前端設備市場由五大巨頭掌控

儘管2020年全球超過80%的設備將銷往東亞，但除日本外，中國大陸（包括台灣）和韓國在設備產業的影響力並不大。全球前五大半導體前端（即晶圓製造，封裝為後端）設備製造商——應用材料（AMAT）、阿斯麥（ASML）、蘭姆（Lam）、東京電子（TEL）和科樂（KLA）——佔據了超過70%的市場份額。其中，只有東京電子的總部設在東亞，其餘均為歐美公司。

資料來源：台灣工業技術研究院

具體而言，應用材料公司排名第一。該公司2020年營收為17.2億美元，其中半導體業務約佔70%。應用材料公司擁有廣泛的半導體設備，包括佔全球市場份額38%的PVD（薄膜沉積）設備、佔70%的CMP（研磨和拋光）設備、佔15%的蝕刻設備以及佔67%的離子注入機。

ASML以2020年13.98億歐元的營收則位居第二。 ASML是光刻機的主要製造商，也是目前全球唯一的EUV（極紫外線）微影機供應商。由於台積電、三星和英特爾等公司對先進製程的追求，ASML在2020年售出了31台EUV光刻機，總銷售額達4.5億歐元。光是這31台EUV光刻機就佔其總營收的32%。目前，ASML正與供應鏈合作夥伴共同開發更先進的光刻製程技術。例如，該公司將於2020年推出多組電子束探測與掃描系統，並將電子束間的干擾控制在2%以下，適用於5奈米以上節點的製程。此外，ASML還與Lam和imec合作開發乾式光阻技術，以提高EUV解析度並減少光阻用量。它還與 Lasertec 合作開發新一代 EUV 光刻掩模檢測技術以降低成本，並與台積電合作開發新一代 EUV 光刻掩模清洗技術以降低成本。

2020年，東京電子的設備銷售額達10.37億美元，位居全球第三。東京電子的鍍膜顯影設備市場佔有率佔全球市場的91%，其中EUV鍍膜顯影設備佔全部市場份額，蝕刻設備佔25%，沉積設備佔37%，清洗設備佔27%。 2020年至2022年，東京電子計畫投入400億日圓研發，重點發展選擇性沉積、智慧蝕刻、超臨界流體清洗等技術領域。

2020年，Lam Semiconductor的營收為10.05億美元，排名第四。 Lam是全球蝕刻設備的領導者，其記憶體製造業務佔總營收的57%，邏輯技術業務佔43%。它是排名前五的設備製造商中唯一一家記憶體業務佔比超過50%的公司。如前所述，Lam和ASML正與imec合作開發EUV乾式微膠技術。

科雷半導體2020年營收達5.81億美元，位居全球第五。科雷是晶圓檢測設備領域的全球領導者，市佔率超過50%。科雷也致力於研發用於應力變形測量和多束檢測的、針對5奈米以下結構的電子束缺陷測量技術。

資料來源：台灣工業技術研究院

根據台灣工業研究院的預測，未來幾年全球關鍵半導體設備將保持強勁的成長動能。除深紫外線（DUV）微影設備外，其他設備均呈現成長態勢。其中，原子層沉積（ALD）設備成長率最高，預計2020年至2025年年平均成長率將達26.3%。極紫外線（EUV）設備成長率排名第二，年均成長率也將達到兩位數。 EUV設備的銷售額位居第一，預計到2025年將達到12.55億美元，超過蝕刻機，成為各細分市場中銷售額最高的半導體設備。

資料來源：台灣工業技術研究院

中國裝備製造商還有很長的路要走

與國際製造商相比，中國設備製造商在銷售規模和技術方面存在巨大差距。根據電子專用設備產業協會數據顯示，2019年國內半導體設備銷售額約16.182億元，僅五大產業巨頭科銳2019年營收（4.6億美元）的一半。該協會在2020年10月預測，2020年國內半導體設備銷售額將達21.3億元人民幣，仍不到科銳（5.8億美元）的60%。

國內外主要半導體設備公司比較（截至2021年1月6日）

來源：德邦證券

從技術層面來說，我國半導體設備基本上尚未參與到先進製程（3奈米及以下）的研發階段，目前尚無法支撐28奈米等準主流製程的國產化。國內大多數設備廠商的商用產品仍是基於成熟製程的生產線。以備受關注的光刻機為例，國內主要廠商為上海微電子設備有限公司（簡稱「上海微電子」）。上海微電子的主流產品只能滿足90奈米、110奈米等製程的微影需求。

但也有一些領域已經參與先進技術競爭。例如，中微半導體在CCP蝕刻領域獲得了台積電的認可，並已進入其7nm/5nm生產線；北方華創在ICP刻蝕設備方面相對領先，28nm以上的刻蝕設備已經實現產業化。在先進製程方面，矽刻蝕設備已經突破了14nm技術，並進入了上海積體電路研發中心。

根據「中國製造2025」目標，半導體核心基礎元件和關鍵基礎材料應在2020年達到40%的自主化率，並在2025年達到70%的國產化率。然而，根據2017年至2021年第一季長江存儲、華力微電子等十家國內晶圓製造企業的公開招標信息，國產化率距離目標仍有較大差距。 2017年至2019年，這十家廠商共招標4,197套設備，其中國產設備431套，國產化率約10.3%。 2020年至2021年第一季度，這十家晶圓廠共招標1,862套設備，其中國產設備315套。據估計，目前的本地化率為 17%，比 2017 年到 2019 年增加了 6 個百分點以上。

左圖：2017年至2019年十大晶圓廠設備國產化率

右圖：2020-2021年第一季全球十大晶圓廠設備國產化率

來源：德邦證券

然而，近幾年來，國內半導體設備也呈現出非常正面的發展態勢。在技​​術方面，以中微半導體、北方華創和億堂半導體為首的企業，在蝕刻、沉積、乾式剝離、清洗和離子注入等領域已接近世界級水準。在市佔率方面，部分產品的市佔率已超過20%，對國際半導體設備製造商的市場地位造成了強勁衝擊。

從十大晶圓廠公佈的招標資訊可以看出，2017年至2021年第一季度，乾式脫膠設備的國產化率達到45.5%，清洗設備（30.6%）、蝕刻設備（22.2%）和拋光設備（21.6%）的國產化率均高於20%，爐管設備（14.7%）和膠水開發設備（10.0%）的國產化率也都高於10%。沉積設備（8.5%）和前端測試設備（5.2%）的國產化率相對較低，僅在5%至10%之間。國產化率差距最大的是離子注入機（2.4%）、後端測試設備（1.9%）和光刻機（1.6%）。

進入2020年後，國產化率將加速成長。從十大晶圓廠的開標數據來看，2020年至2021年第一季度，拋光設備、蝕刻設備、爐管設備以及塗膠顯影設備的國產化率與2017年至2019年相比，均實現了兩位數以上的增長。

從全球半導體設備產業的發展趨勢來看，隨著半導體製程接近物理極限，開發新一代設備變得越來越困難。以極紫外光刻機為例，該計畫早在上世紀1990年代就已啟動，來自全球40多個國家（其中歐洲貢獻了100多個）的近200家研究機構參與其中。從基礎研究、技術研究到系統集成，整個研發體系投入超過100億元人民幣，超過了我國近十年來設備產業的總收入。

中國微電子半導體公司董事長尹志堯在接受媒體採訪時也表示，半導體製造已經進入原子級加工階段。如此高精度的半導體裝置製造需要融合50多個學科的知識和技術。他指出，等離子蝕刻技術已經能夠蝕刻出直徑僅為人類頭髮絲千分之一到十萬分之一的微孔，孔徑的精度、均勻性和重複性均可達到人類頭髮絲直徑的數萬分之一到十萬分之一。一台蝕刻機每年要加工超過一百萬億個細小而深邃的接觸孔，而且幾乎100%的孔都必須完全打開。

半導體設備不僅要具備精細的加工能力，更重要的是其均勻性、穩定性、重複性、可靠性和潔淨度。只有做到這些，才能滿足晶圓製造的核心要求—晶片合格率。為了確保達到可接受的合格率（例如90%），每個加工製造環節都需要極高的合格率，因為目前先進的晶片製程需要1,000道工序。如果每道工序的合格率為99.9%，那麼1,000道工序後的最終合格率僅為36.77%。

As a representative of modern intelligent manufacturing and the underlying support of the global information industry, chip manufacturing rarely gives new equipment manufacturers the opportunity to try and make mistakes. After all the hard work to develop the prototype, only a small part of the development and production equipment has been completed. The more difficult part is to convince the wafer manufacturer to help with the test run at the risk of a decrease in qualification rate and production capacity. Yin Zhiyao said that after the prototype is made and the customer is willing to cooperate, it must pass at least 80 rigorous test items to finally meet the requirements of the wafer fab.

從國際廠商的歷史發展經驗來看，裝備產業必須穩定市場，避免任何魯莽的擴張。它必須加大長期研發投入，夯實技術基礎。正如尹志堯所說，半導體裝備需要50個學科的協同合作，其難度不亞於製造兩顆原子彈和一顆衛星。 “世界上只有兩三家公司能夠製造磁懸浮分子泵，這是半導體行業的關鍵核心部件之一。一切都需要長期的技術積累。”

全球化推動半導體產業發展到現今的規模。然而，自川普政府上台以來，美國將半導體產業作為武器，對中國發動技術戰，嚴重衝擊了全球電子資訊產業先前建立的供應鏈互信機制。作為全球最重要的電子資訊產業製造基地，建構一條不受地緣政治影響的新型半導體供應鏈至關重要。一旦某項技術真正取得市場突破（例如，市佔率達到20%），《瓦塞納爾協議》中的相關限制就會失去意義。目前，設備國產化率能否有效提升已成為全球電子資訊產業健康發展的關鍵因素。中國晶圓製造的快速擴張為國內半導體設備製造商提供了廣闊的市場空間和試誤機會。對於國內半導體設備製造商而言，這是一個絕佳的歷史機會。

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