技术 | 芯片制造的软肋：半导体设备

来源：电子发烧友网

有人的地方就有恩怨，有恩怨，战争就不可避免。人类历史的进程中，从原始社会人类为了争夺猎物爆发部落战争，到现代社会为了争夺利益发生战争，战争从来就没有停止过。最近，与我们最相关的莫过于中美贸易摩擦，这是一场没有硝烟的战争。

这次摩擦的焦点在于科技，半导体产业又首当其冲，而最典型的就是一年多以来，美国对华为的打压。在5月15日，美国商务部出台了出口管制新规，对华为的限制措施再升级。去年5月时，美国出台的对华为禁运措施是，只要源自美国的技术和软件在25%以下，是不受影响的，而新的出口管制规定则规定只要是使用了美国的制造设备或是芯片设计软件，就必须向美国政府提出申请，经批准后才能对华为出口。这将影响海思委托台积电和中芯国际等芯片代工厂之间的交易。

因为不论是台积电，还是中芯国际，或其他代工厂的尖端半导体的制造工序当中，美国应用材料公司（AMAT）、泛林集团（Lam Research）等半导体设备企业，以及EDA工具供应商等的产品不可或缺。

根据中国国际招标网统计，本土晶圆厂对美设备依赖度达到了47%，离子注入机、量测设备、高深宽比刻蚀设备、SoC测试机等仍主要从美国进口。

根据SEMI此前公布的数据，2020年1月、 2月北美半导体设备制造商的销售额分别为23.4亿美元、 23.7亿美元，前3个月的同比增长率分别为22.9%、26.2%、20.1%， 增幅均在20%以上。

从地区销售情况来看，中国台湾是2019年半导体设备的最大市场，销售额增长了68％，达到171.2亿美元，占比28.65%。中国大陆以134.5亿美元的销售额保持第二；其次是韩国，为99.7亿美元，受存储市场大幅下滑影响，韩国2019年半导体设备销售额下降了44％。

在半导体设备生产商方面，欧美及日本处于绝对领先地位。2019年全球半导体设备生产商中，前十名全部来自欧美和日本。

在全球半导体设备行业，市场集中度一直很高。2019年全球排名前十的半导体设备生产商总计实现销售590.41亿美元，较 2018年的 615.43亿美元同比下降4.07%。其中，美国的应用材料以134.68亿美元的销售额霸占了全球半导体设备生产商第一的位置，荷兰的ASML以127.7亿美元销售额紧随其后。

来源：SEMI

在半导体设备领域，2019年全球半导体设备生产商的销售额前5的公司，有3家来自美国，而且应用材料已经连续多年位列第一了。目前，美国公司的设备远销全球，几乎所有的晶圆代工厂都会用到美国的设备。

分类别来看，各项半导体设备的每类产品均被前1-4家公司寡头垄断：

(1) 光刻机：EUV100%来自ASML，ASML在光刻机市场处于绝对垄断地位；

(2) 刻蚀设备：硅基刻蚀主要被泛林集团（Lam）和应用材料（AMAT）垄断，介质刻蚀主要被TEL和Lam垄断；

(3) 薄膜设备：CVD主要被日立、Lam、TEL、AMAT垄断，PVD被Lam和AMAT垄断

(4) 显影设备：TEL处于绝对垄断地位；

(5) 离子注入机：70%来自应用材料，18%来自Axcelis Technologies；

(6) 清洗设备：主要来自DNS、Lam、TEL等

(7) CMP：70%来自Applied Materials，26%来自Ebara；

(8) 热处理：被Applied Materials、日立国际电气、TEL垄断；

(9) 去胶设备：PSK、Lam、日立高科技、屹唐半导体等；

(10) 工艺检测设备：KLA市场份额50%，Applied Materials占12%，日立高科技占10%；

(11) 划片/减薄机：日本DISCO绝对垄断；

(12) 测试设备：被泰瑞达和爱德万双寡头垄断。

半导体设备行业一直以来都是高技术壁垒的行业，需要长时间持续地投入研究，才能实现技术突破。国内半导体设备行业起步晚于欧美和日本，整体技术水平目前还远落后于国际先进水平。不过令人欣慰的是，随着国内半导体行业的快速发展，国家层面的高度重视，国内半导体设备在部分领域实现了突破。

晶圆厂内部。（图片来源：TSMC）

各类制程设备的国产化率如下：

(1) 去胶设备：国产化率最高的是去胶设备，主要是屹唐半导体实现了去胶设备国产化；

(2) 清洗设备：国产化率约为20%左右，本土品牌主要是盛美半导体、北方华创；

(3) 刻蚀设备：国产化率约为20%左右，本土品牌包括中微半导体、北方华创、屹唐半导体；

(4) 热处理设备：国产化率约为20%左右，本土品牌包括北方华创、屹唐半导体；

(5) PVD设备：国产化率约为10%左右，本土品牌包括北方华创；

(6) CMP设备：国产化率约为10%左右，本土品牌包括华海清科；

(7) CVD设备：有零的突破，但总体国产化率不高于5%，本体品牌是沈阳拓荆；

(8) 量测设备：国产化率2%左右，本土品牌包括上海睿励、中科飞测、上海精测半导体；

(9) 离子注入机：国产化有零的突破，本土品牌包括中科信、凯世通等；

(10) 涂胶显影设备：国产化有零的突破，本土品牌包括沈阳芯源；

(11) 光刻设备：预计国产化将有零的突破，本土品牌是上海微电子。

中微半导体，公司主要从事高端半导体设备的研发、生产和销售。其自研的7nm介质刻蚀等离子刻蚀机已经进入台积电的生产线，成为国内首台进入台积电生产线的半导体设备。此外，其5nm等离子刻蚀设备也已通过台积电的认证，将用于台积电全球首条5nm制程生产线。同时，该公司研制的MOCVD已成功占领国内市场。2018年，其MOCVD设备占据全球氮化镓基LED用MOCVD设备新增市场的41%，尤其是2018年下半年，新增市场占比60%以上。

根据中微半导体2019年年报，中微公司2019年营收19.47亿元，同比增长18.77%；归属于上市公司股东的净利润为1.89亿元，同比增长107.51%。在2019年，其研发支出4.2亿元。

北方华创，它是目前国内品种最全的半导体设备制造商，产品包括刻蚀设备、PVD设备、CVD设备、氧化/扩散设备、清洗设备、气体质量流量控制器等。目前大多产品实现了28nm供货，14nm的产品也进入了生产线验证阶段。

盛美半导体，是一家提供半导体清洗设备的公司，其开发的SAPS、TEBO技术清洗设备，提高了清洗效率，减少了对硅片的损伤。该公司的产品已经成功被国内知名半导体制造商采用，客户有SK海力士、华力微电子、中芯国际、长江存储等。

盛美半导体在本月发布了立式炉设备（Ultra Furnace）——首台为多种干法工艺应用开发的系统。首台立式炉设备优化后可实现高性能的低压化学气相沉积（LPCVD）应用，同时该设备平台还可延伸至氧化和退火，以及原子层沉积(ALD)等应用。此次的立式炉设备也展现了盛美中国和韩国研发团队为时两年的合作成果。

上海微电子，主要提供光刻机设备，其SSA600/20型号产品可用于90nm前道制程，65nm制程的设备目前正在验证过程中。此外，后道封装光刻机也已经实现了批量供货，在国内有一定的占有率。

除了设备厂商的设备在不断取得突破，国内主流晶圆厂的采购也开始偏向国产设备，比如年初以来，华力集成二期累计释放了58台工艺设备，其中国产设备13台，国产化率22%。国产设备商中，吉姆西半导体和上海天隽各中标5台研磨设备；中微半导体中标2台刻蚀设备。

华虹无锡年初以来累计释放了129台工艺设备，其中国产设备17台，国产化率13%。其中北方华创中标2台刻蚀设备、1台PVD设备和2台退火设备；中微半导体中标3台刻蚀设备；此外，吉姆西半导体中标2台抛光设备和2台检测设备；华海清科中标3台抛光设备。

长江存储自1月份以来，累计释放了376台工艺设备，其中国产设备38台，国产化率10%。其中，北方华创中标3台刻蚀设备、3台薄膜沉积设备和4台退火设备；中微半导体中标9台刻蚀设备；华海清科中标6台CMP设备。

上海积塔，3月30日8寸线投产，月产能5万片的12英寸线建设也即将启动。3月份以来，上海积塔累计招标7台工艺设备，其中国产设备1台，中标设备为芯源微的涂胶显影机。

目前，国内半导体材料与设备的国产化率平均还不到20%，但经过15~20多年的技术积累，以及企业和国家的大力投入，半导体材料与设备在2020年将会获得实质性的突破。另外，在国家大基金二期计划的推动下，国产替代进程或将会提速。

老实说，半导体材料与设备要想取得成就，还是要依赖人才的培养、研发的投入，以及长期的技术积累，不可能一蹴而就。当前的环境，对国产半导体材料和设备厂商来说，是挑战，也是机会，但维持当前的国际分工与合作仍然是半导体行业的发展大趋势。