半導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入原子級加工水平，在這個(gè)精度上進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造，需要集合50多個(gè)學(xué)科的知識與技術(shù)。而且，加工精度只是一個(gè)維度，良率對半導(dǎo)體制造生死攸關(guān)，因此均勻性、穩(wěn)定性、重復(fù)性、可靠性和潔凈性都很重要，先進(jìn)半導(dǎo)體加工環(huán)節(jié)超過1000個(gè)，哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，都難以制造出符合產(chǎn)品性能與良率要求的芯片。

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)SEMI的統(tǒng)計(jì)，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(dá)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(dá)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(jì)砸出595.3億美元，占當(dāng)年全球半導(dǎo)體設(shè)備支出總額（712億美元）比例高達(dá)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(jì)劃調(diào)至300億美元以上，兩家在先進(jìn)工藝量產(chǎn)進(jìn)度上拼死相爭，都預(yù)計(jì)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(gè)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(jī)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(biāo)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(qiáng)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(gè)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(gè)區(qū)域也將借助強(qiáng)大的制造能力，改善上游的材料與設(shè)備自主狀況。

先進(jìn)工藝發(fā)展方向

在28納米之后，平面晶體管工藝達(dá)到極限，F(xiàn)inFET（鰭式晶體管）延續(xù)了摩爾定律，將工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)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(diǎn)繼續(xù)FinFET結(jié)構(gòu)，到2納米節(jié)點(diǎn)再采用GAA結(jié)構(gòu)。臺灣工研院認(rèn)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(jì)英特爾在5納米節(jié)點(diǎn)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(shí) IMEC Cor Claeys 博士及其研究團(tuán)隊(duì)于 1990 年發(fā)表文章中提出。GAAFET 相當(dāng)于 3D FinFET 的改良版，這項(xiàng)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(shí)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(shí)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(gè)四接觸面，顯然柵極對電流的控制力又進(jìn)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(jià)最低的技術(shù)路線更換方案。但GAA對加工精度要求進(jìn)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(jī)。

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?duì)I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(jī)占比67%。

阿斯麥排名第二，2020年?duì)I收139.8億歐元。阿斯麥?zhǔn)枪饪虣C(jī)大廠，在EUV（極紫外光）光刻機(jī)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(jìn)工藝的追求，2020年阿斯麥銷售31臺EUV光刻機(jī)，共計(jì)45億歐元，僅這31臺EUV光刻機(jī)就占其總營收32%。當(dāng)前，ASML正聯(lián)合供應(yīng)鏈伙伴共同研發(fā)以推進(jìn)更精細(xì)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(diǎn)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(dá)91%，其中EUV涂膠顯影機(jī)更是獨(dú)占全部市場份額，蝕刻機(jī)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(jì)劃投入4000億日元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，重點(diǎn)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?duì)I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?duì)I收為58.1億美元，排名第五?？评谑侨蚓A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(jì)，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(jì)2020年至2025年期間，年均增長率達(dá)到26.3%，EUV設(shè)備增長率排名第二，年均增長率也達(dá)兩位數(shù)。而以金額計(jì)EUV設(shè)備則獨(dú)占鰲頭，預(yù)計(jì)2025年EUV設(shè)備銷售額達(dá)到125.5億美元，超過蝕刻機(jī)，成為各細(xì)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(yuǎn)

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(jì)可達(dá)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(jìn)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(zhǔn)主流工藝實(shí)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(jī)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(jìn)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(rèn)可，進(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在先進(jìn)制程方面，硅刻蝕設(shè)備已經(jīng)突破14納米技術(shù)，進(jìn)入上海集成電路研發(fā)中心。

根據(jù)《中國制造2025》目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)40％的自主率，2025年要達(dá)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(biāo)信息來看，國產(chǎn)化率距離目標(biāo)還很遠(yuǎn)。2017至2019年，這十家廠商合計(jì)開標(biāo)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(jì)開標(biāo)1862臺設(shè)備，其中國產(chǎn)設(shè)備達(dá)315臺，推算目前國產(chǎn)化率在17%，較2017至2019年增長超過6個(gè)百分點(diǎn)。