半导体设备行雷火竞技业简介与展望

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　　来源：本文节选自《一本书读懂芯片制程设备》，由王超、姜晶、牛夷、王刚编著，谢谢。

　　随着集成电路芯片的特征尺寸不断缩小，芯片的集成规模越来越大，对应的集成电路芯片制程设备的技术壁垒越高、制造难度越大雷火竞技、研发投入也越来越高。一条先进半导体产品的生产线投资中设备价值约占总投资规模的75%以上，由此衍生出巨大的设备需求市场。在集成电路制程设备中，晶圆制造设备的最终产品为硅片，主要受众为晶圆制造厂，如日本信越化学（Shin-Estu）、日本三菱住友（SUMCO）、上海新昇等；光刻、刻蚀、镀膜等设备主要用于芯片制造，主要受众为芯片代工厂，如台积电、中芯国际、上海华虹等，或为整合元件制造商，如英特尔（Intel）、三星（）等；封测设备主要用于芯片制造中与芯片制造完成后的系列工序，后者包括拣选、测试、贴片、键合等多个环节，设备受众为专门的封测厂，如日月光、Amkor、长电科技等。

　　据智研咨询发布的《2020-2026年中国半导体设备行业发展现状调查及投资发展潜力报告》表示：5G/物联网/人工智能等新技术的出现将驱动半导体行业发展，目前全球半导体设备已进入新一轮增长周期。如下图所示，2021年，全球半导体制造设备销售额高达约670亿美元，约4200亿元人民币，相较于2020年，同比增长11%。半导体设备市场增长主要受益于三点：(1)新一代芯片制程工艺提升半导体设备的价格和数量。(2)5G/IoT/AI等新应用带来芯片制造商扩产需求。(3)中国集成电路芯片自主可控趋势下，中国半导体Fab大规模扩产时对半导体设备的增量需求。

　　全球半导体设备市场集中度高，美日欧五大巨头引领全球半导体设备市场。据Bloomberg数据，2020年全球五大半导体设备制造商分别为应用材料(AMAT)、阿斯麦(ASML)、泛林半导体(Lam Research)、东京电子(TEL)、科磊(KLA)，这五大半导体制造商凭借其领先的技术、强大的资金支持占据着全球半导体设备制造业超过65%的份额。下表1所示为2020年全球前十大半导体设备供应商排名，表2给出了2020年全球半导体设备企业主要产品分布情况。

　　细分领域术业有专攻，全球设备行业龙头各显神通占据世界领先地位。下面将对相关领域的主要企业作简要介绍。

　　美国应用材料公司（Applied Materials INC, AMAT）成立于1967年，目前是世界上最大的半导体设备供应商之一。其主营业务涵盖三大模块，具体包括:半导体系统(Semiconductor Systems)、应用材料全球服务(Applied Global Services )、显示及相关市场(Display and Adjacent Markets)，分别占营业收入的63%，22%，14%，其中半导体系统主要开发、制造和销售用于制造半导体芯片的各种设备，包括淀积(CVD、PVD等)、离子注入、刻蚀、快速热处理、化学机械平整雷火竞技、计量检验等。全球服务模块主要提供一系列提高晶圆厂效率的解决方案以及软件服务，显示器相关业务主要生产用于制造LED、OLED和其他显示器件的设备。下图所示为2020年应用材料业务构成占比。

　　按照应用材料公司的产品来看，主要有包括CVD、ALD、CMP等在类的12类设备，几乎涵盖集成电路芯片制造的全过程。

　　AMAT长期位居设备销售额榜首，多种设备技术领先。近年来，AMAT一直凭借着在淀积、刻蚀、离子注入、热处理等设备领域的领先技术获得高市占率，名列销售额榜首。2020年，全球前十大半导体设备生产商中，AMAT以163.6亿美元的销售额位居全球第一。

　　一直以来，美国应用材料在离子刻蚀和薄膜淀积领域都是行业中的佼佼者，在公司成立之初就专注于薄膜淀积领域，其产品占全球PVD设备市场近55%的份额和全球CVD设备市场近30%的份额。淀积设备利用气相中发生的物理、化学过程，在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。在2011年，公司研发Centura系统原子淀积技术（ALD），一次可只淀积一层原子；2014年，公司研发Endura系统，能够完成连续薄的阻挡层和种子层的硅通孔淀积。在2018年，公司推出采用全新设计的新型CENTURA 200毫米常压厚硅外延反应室PRONTO。该反应室专为生产工业级高质量厚硅（厚度为20～150μm）外延膜而设计，能使当前的外延膜生产效率最大化。

　　在刻蚀、清洗、平整化设备、离子注入设备、过程控制设备与自动化装备市场，AMAT也占有一席之地。应用材料公司是除LAM和东京电子之外的该领域的第三大设备生产商，三家公司市占率占全球90%以上。公司研发的Etch系统能够实现先进FinFET的原子级刻蚀控制，进一步缩减3D逻辑和存储芯片尺寸，进而延续摩尔定律的势头。公司生产的VIISTA系列产品采用高密度、低能量工艺，在整个晶圆表面快速注入高浓度掺杂物，且产品注入系统的技术部署在通用的VIISTA平台之上，这种通用性有助缩短第一次硅晶的时间，提升应用的生产效率，在离子注入工艺中存在广泛的应用。

　　阿斯麦（ASM Holding NV, ASML）是世界领先的半导体设备制造商之一，总部位于荷兰，主要向全球集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备。公司的产品主要包括光刻机、量测设备和计算光刻解决方案等。作为全球光刻机行业龙头，ASML生产的光刻机主要包括EUV光刻机和DUV光刻机，其中DUV光刻机分为浸入式和干式两类，在EUV光刻机市场中表现出垄断地位；公司的量测设备主要包括光学和电子束两大类，ASML于2020年推出了具有九束光的第一代多光束检测系统HMIeScan1000，可以用于5nm及以下工艺制程节点的检测。

　　ASML的营业收入主要分为两个部分，第一部分是系统收入，包括光刻机以及量测设备；第二部分是软件和服务，主要包括计算光刻的软件以及光刻机的维修升级服务等。近几年，公司系统收入占比一直增加，2019年，系统收入达到89.96亿欧元，占比76.12%；软件和服务的收入达到28.24亿欧元，占比33.88%。2010-2014年，受市场需求影响，公司光刻机出货量连续下降。2015年后，市场需求开始反弹半导体设备，2018年公司光刻机出货量为224台，已经恢复到了2010年的水平。2019年ASML光刻机出货量为229台，创历史新高。下图1为ASML公司光刻机市场及2019年营业收入结构，图2为ASML公司发展历程。

　　泛林半导体（LAM Research Corp）成立于1980年，是美国一家从事设计、制造、营销和服务用于制造集成电路的半导体加工设备的公司，是向世界半导体产业提供晶圆制造设备和服务的主要供应商之一，也是全球最大的半导体刻蚀机厂商。Lam Research公司产品主要用于前端晶片处理，涉及有源元件的半导体器件和布线。同时为后端晶圆级封装和相关制造市场提供设备。

　　Lam Research的产品结构中，主要由硅基刻蚀、介质刺蚀、CVD，ALD、清洗和镀铜设备组成，如下图所示。根据2018年Gather数据，刻蚀设备在Lam Research收入中占比62%，随着集成电路中器件互连层数增多，刻蚀设备的使用量不断增大，Lam Research由于其刻蚀设备品类齐全，从65nm、45nm设备市场起逐步超过应用材料和东京电子成为行业第一。此外，Lam Research公司的CVD设备占比27%，清洗、镀铜等工艺设备占比11%，Lam Research在硅基刻蚀中的市占率超过50%，稳居第一，在介质刻蚀中的市占率接近40%，住居第二，在CVD中的市占率约为27%，仅次于应用材料。

　　随着半导体技术节点的进步，也极大促进了Lam Research公司的发展。1981年，FCC批准手机用于商业开发，同年Lam Research就开发出了第一台自动刻蚀机；1995年，Lam Research半导体制程达到350nm，同年发布首款双频受限介质蚀刻产品，技术节点为350nm；1999年半导体制程达到180nm，第二年Lam Research发布了2300®蚀刻平台，并且推出了VECTOR®PECVD系统；2010年，半导体工艺节点达到32nm，同年推出用于晶圆级封装的SABRE 3D ECD系统。

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　　东京电子公司（TOKYO Electron Inc）成立于1963年，是日本最大、世界第三的半导体设备公司。该公司的产品几乎覆盖了半导体制造流程中的所有工序。其主要产品包括：涂布/显像设备、热处理成膜设备、干法刻蚀设备、CVD、湿法清洗设备及测试设备，如下图所示。东京电子的涂布设备在全球占有率达到87%。另外，FPD制造设备中，蚀刻机设备占有率达到71%。其他设备的占有率也有相当的份额。

　　近五年来，中国半导体产业的蓬勃发展衍生出了巨大的半导体设备市场需求。2020年，中国大陆首次成为全球半导体制造设备的最大市场，其销售额达到187.2亿美元，增长39%，占全球半导体设备总销售额的25%。

　　然而，由于半导体设备的高技术壁垒、高研发投入等限制，国内的半导体设备技术发展相对较为缓慢。长期以来，中国的半导体设备市场受国外所垄断。据SEMI统计，2017年中国大陆半导体设备销售额为82.3亿美元。但据中国电子专用设备工业协会数据，2017年中国国产半导体设备(不含光伏设备)的销售额仅为48.07亿元，由此计算出，2017年中国半导体设备市场国产化率仅为9%，如下图所示。

　　但近年来，中微半导体、北方华创等一批优秀的本土设备制造商正在奋起直追，有望逐步实现进口替代。在02专项和大基金的扶持下，业内少数专用设备制造商通过多年研发和积累，已掌握了相关核心技术，取得了一系列突破，拥有自主知识产权，具备一定规模和品牌知名度，占据了一定市场份额，见表1、表2。

　　北方华创科技集团股份有限公司成立于2015年，由“七星电子”和“北方微电子”两大国企重组而来，主要业务是半导体装备及精密电子元器件研发生产，如下图所示。北方华创的主要目标在于：高端半导体装备制造和先进集成电路元件制造。在整合二大微电子装备厂商后，北方华创的业务也进行了创新整合分类，并设立了四大事业部：半导体装备、锂电新能源、真空装备和精密元器件等。

　　在半导体设备行业，北方华创具备较大的产品体系覆盖面，在刻蚀设备、PVD/CVD设备、氧化/扩散设备、清洗设备等多个关键制程领域取得技术突破，打破了国外巨头垄断，在集成电路及泛半导体领域获得广泛应用，成为国内主流半导体设备供应商。目前，在集成电路领域公司已经具备了28nm设备供货能力，14nm工艺设备进入客户工艺验证阶段。在晶圆制造领域，传统优势设备如刻蚀机、炉管、PVD等已经进入长江存储、中芯国际、华虹等多家国内厂商的供应链。北方华创公司作为国内半导体设备龙头，综合竞争优势明显，市场份额将会不断提升，有望引领设备国产化大浪潮。

　　除此之外，北方华创也是目前国内唯一一家具有8英寸立式扩散炉和清洗设备生产能力的公司，自主研发的14nm等离子硅刻蚀机、单片退火系统、LPCVD已成功进入集成电路主流代工厂；28nm Hardmask PVD、Al-Pad PVD设备已率先进入国际供应链体系；12英寸清洗机累计流片量已突破60万片大关；深硅刻蚀设备也于2017年一举告捷东南亚市场。同时，在芯片制造设备方面，北方华创也占据较大的国内市场份额。

　　在真空产业设备中，北方华创主要是做各种单晶炉、烧结炉、焊接炉等，在相关领域具备深厚的技术积累，核心客户主要是西安隆基等。

　　上海微电子装备（集团）股份有限公司 (简称SMEE) 成立于2002年3月，是在国家科技部和上海市政府共同推动下，由国内多家企业集团和投资公司共同投资组建的高科技技术公司，如下图所示。公司主要致力于大规模工业生产的中高端投影光刻机研发、生产、销售与服务。公司产品可广泛应用于IC制造与先进封装、MEMS、TSV/3D、TFT-OLED等制造领域。

　　作为国内光刻机领域的龙头企业，上海微电子装备（集团）股份有限公司生产的SSA600/20系列产品可用于90nm前道制程，65nm制程设备正在验证。后道封装光刻机已实现批量供货，并在国内具有较高的占有率。截至2020年3月，直接持有各类专利及专利申请超过3200项，同时通过建设并参与产业知识产权联盟，进一步整合共享了大量联盟成员知识产权资源，涉及光刻机、激光与检测、特殊应用类等各大产品技术领域。

　　中微半导体设备（上海）股份有限公司成立于2004年。公司主要从事半导体设备的研发、生产和销售，通过向下游集成电路、LED外延片、先进封装、MEMS等半导体产品的制造公司销售刻蚀设备和MOCVD设备、提供配件及服务实现收入和利润。其中公司的主要业务收入来源于半导体设备产品的销售。

　　国内等离子刻蚀领域龙头企业，等离子体刻蚀设备已应用在国内外知名厂商55nm到5nm的众多芯片生产线上；特别是中微的电容性CCP等离子体刻蚀设备，已在国际领先的晶圆生产线nm的若干关键步骤的加工，但在销售规模上与全球巨头尚有差距。

　　在MOCVD设备领域，公司MOCVD设备持续在行业领先客户生产线上大规模投入量产，保持在行业内的领先地位。2018年公司的MOCVD设备占据全球氮化镓基LED用MOCVD设备新增市场的41%。

　　目前全球半导体设备产业仍由少数美、日、欧巨头垄断，中国严重依赖进口,设备国产化作为产业发展自主可控的重要基石，势必成为中国半导体产业崛起的必然道路。在芯片需求持续上升、国家战略持续加强的大背景下，国产半导体设备迎来历史性机遇，具备进口替代的“土壤”，半导体设备企业发展也同样具备前所未有的重大机遇。

　　1）终端应用产品需求扩张，拉动半导体产业链，带动上游半导体制造设备产业扩张。半导体行业与全球宏观经济相关性较强，全球经济回暖将为产业带来良好的环境，进入新一轮的景气周期。全球半导体产业向中国转移，中国半导体设备市场占比持续提升。庞大的人口基数提供了巨大的需求半导体设备。中国半导体设备市场连续保持较高的增长速度。未来本土半导体设备厂商的替代空间巨大。

　　2）政策利好，外部环境改善。为了促进相关行业发展，国家出台了一系列鼓励扶持政策，并设立了集成电路产业投资基金。《国家集成电路产业发展推进纲要》，与国家产业基金的开展为半导体产业提供了有力的支持。集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小，全行业销售收入年均增速超过20%，企业可持续发展能力大幅增强。16/14nm制造工艺实现规模量产，封装测试技术达到国际领先水平，关键装备和材料进入国际采购体系，基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。到2030年，集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，实现跨越发展。

　　3）政策/教育双轮驱动，相关人才增长。近两年来关于“中国芯”的话题时常被提及，尤其是在复杂的国际关系形势下，华为、中兴通讯等国内科技企业一直受到诸多外部限制。而要解决我国集成电路核心技术受制于人的关键就在于人才，人才是产业创新的第一要素。国务院学位委员会会议投票通过将集成电路从电子科学与技术一级学科中独立出来作为一级学科的提案。2021年，国务院学位委员会、教育部正式发布了关于设置“集成电路科学与工程”一级学科的通知，集成电路专业正式被设为一级学科，复旦大学、北京大学等相关院校也新增了“集成电路科学与工程”一级学科专业。新政策的出台不仅从教育方面加强人才培养，更强调了集成电路产业人才在行业发展中的重要作用，为人才提供了更多的保障措施。在“政策＋教育”双轮驱动下，中国集成电路产业将迎来发展的“黄金时期”。目前，国内半导体设备上市公司数量较少。但随着我国半导体产业链的整体提升与完善，半导体设备公司未来上市的机会将越来越多。

　　4）注重集成电路产业及设备相关领域知识产权的保护。集成电路产业作为信息产业的核心，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。近年来，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，其中“严格落实知识产权保护制度，加大集成电路和软件知识产权侵权违法行为惩治力度”、“大力发展集成电路和软件相关知识产权服务”等多项举措，进一步凸显了知识产权在集成电路产业和软件产业发展中的重要作用。

　　相信，随着我国经济的发展和对集成电路的重视程度的提高，我国集成电路事业也会有更大的发展。

　　为了回馈读者，我们将从留言读者中抽取三位，各送一本《一本书读懂芯片制程设备》，欢迎大家积极参与。