編者按：自1956年中國將半導體作為國家重要的發展領域后，今年是第66個年頭。回望66年的發展，從無到有、從小到大，半導體產業經歷了風雨坎坷同時又迸發出無限的生機。在中國“十四五”提出數字經濟發展規劃，瞄準集成電路等戰略性領域之際，半導體產業縱橫推出“國產化進程”系列專題，講述當今中國半導體各領域發展進程，解析國產化最新態勢。本期為“國產化進程”專題半導體產業鏈篇第二篇文章：半導體設備。
全球芯片供不應求的局面，使晶圓廠產能成為了香餑餑，相應的商機也在向產業鏈上游傳導，特別是半導體設備，營收屢創新高。據SEMI統計，2022年，全球前端晶圓廠設備支出總額將較前一年增長18％，達到1070億美元的歷史新高，這已經是連續三年大幅增長。SEMI指出，晶圓代工廠將是2022、2023年設備支出的大戶，約占全球總支出的50％，其次是存儲，約占35％。
水漲船高，半導體設備商的產能也隨之提升，SEMI的數據顯示，全球設備業產能連年增長，2021年提升7％后，今年將增長8％，2023年估計也會有6％的增幅。
作為全球半導體設備的主要消費市場，中國大陸在2020年的銷售額為187．2億美元，同比增長39．2％，占全球市場的26．3％，首次成為全球最大的半導體設備消費市場。按照這樣的發展勢頭，預計中國大陸半導體設備銷售額全球占比有望從 2021 年的28％提升到2023年的32％。由此測算，2021年中國大陸半導體設備銷售額約為287．8億美元，同比增長53．7％，2022年有望達到343億美元，同比增長19．2％。
全球格局
半導體設備可分為晶圓制造（前道設備）和封裝、測試設備（后道設備）。前道設備主要包括光刻機、刻蝕機、薄膜沉積、熱處理設備、離子注入機、CMP（化學機械研磨）設備、清洗機、前道檢測設備等。其中，薄膜沉積、光刻和刻蝕是前道晶圓制造的三大核心工藝。
在全球半導設備產業結構中，前道設備在總銷售額中的占比約為85％，后端測試設備約為9％，封裝設備約為6％，這三個數據每年會有所微調，但變化不大，基本面是穩定的。目前，全球前道設備市場主要由美日歐企業把持，幾家頭部設備大廠，如美國AMAT（應用材料）占比約為17％，荷蘭ASML約為16．6％，日本TEL（東京電子）約為12．5％，美國Lam Research約為 11．2％，美國KLA約為6．3％，合計占比近64％。
在各細分領域，依然呈現出寡頭壟斷的局面。
光刻機，特別是EUV主要由ASML一家壟斷，占據83％的市場份額；刻蝕市場主要由Lam、TEL和AMAT三家把持，份額分別為45％、28％和18％；離子注入市場主要由AMAT、Axcelis和SMIT三家把持；薄膜沉積方面，PVD（物理式真空鍍膜）市場主要由AMAT一家壟斷，市場份額達85％的，CVD（化學式真空鍍膜）市場主要被AMAT、Lam和 TEL把持，份額分別為30％、26％和17％；熱處理市場由AMAT、TEL和Kokusai把持；涂膠顯影／去膠市場主要由TEL一家壟斷，份額達91％；清洗設備市場則被SCREEN、TEL 和Lam三家壟斷。
全球測試機市場被愛德萬、泰瑞達和Lam壟斷，三家的市占率分別為50％，40％和8％；全球封裝設備市場主要由ASM Pacific、K＆S、Shinkawa、Besi把持。
中國半導體設備供給側亟待提升
中國大陸是全球三大半導體設備消費市場之一，然而，本土設備廠商的市占率卻很低。以2020年為例，國內晶圓廠（包含三星、臺積電、SK海力士等國際大廠在中國大陸的晶圓廠）設備采購總額約為154億美元，其中，國產設備采購額僅為9．9億美元，占比僅7％，國產化率低、被國外巨頭壟斷的局面非常明顯。
2008 年之前，我國半導體設備基本全靠進口，因此，國家設立了國家科技重大專項——極大規模集成電路制造裝備及成套工藝科技項目（簡稱02專項）研發國產化設備。但是，由于設備制造對技術和資金需求要求比較高，只有北方華創、中微半導體、上海微電子等少數重點企業能夠承擔 02專項研發工作，整個行業集中度相對較高。雖然在02專項的支持下，我國半導體設備實現了從無到有，但相比國內龐大的市場規模而言，自給率嚴重不足。
即使在發展水平相對較高的 IC 封裝測試領域，我國與先進國際水平相比仍然存在較大差距。而單晶爐、氧化爐、CVD 設備、磁控濺射鍍膜設備、CMP設備、光刻機、涂布／顯影設備、ICP等離子體刻蝕系統、探針臺等設備市場幾乎被國外企業所占據。
目前，國產半導體設備處于局部有所突破，但整體較為落后的狀態。尤其與國際巨頭相比，本土設備企業的實力仍然偏弱，絕大部分企業無法達到國際上已經實現量產的7nm工藝水平，部分企業突破到28nm或14nm工藝，但在使用的穩定性上與國際巨頭差距較大，較難大批量進入量產線，也較難進入國際代工巨頭的生產線。
半導體設備行業技術壁壘非常高，隨著制程越來越先進，對半導體設備的性能和穩定性提出了越來越高的要求，需要投入大量的研發資金。應用材料公司一直保持著在研發上的高投入，其30％的員工為專業研發人員，擁有近12000 項專利，平均每天申請4個以上的新專利。正是這種持續的高研發投入，促成了應用材料的內部創新，構成了較高的技術壁壘。
由于半導體設備研發周期長、投入大。國產設備公司雖然在工藝制程上的研發已經有所突破，但是與穩定量產之間還有一定距離，非常關鍵的一點是要有試錯機會，試錯的周期通常長達一年甚至數年，而由于市場長期被國際大廠占據，國內設備廠商很難得到應用機會和發展空間。
設備用零部件存在短板
制造半導體設備需要多種零部件，半導體設備零部件及相關原材料市場規模也很可觀，2022 年有望超過300億美元。
據VLSI統計，半導體設備包括8類核心子系統：氣液流量控制系統、真空系統、制程診斷系統、光學系統、電源及氣體反應系統、熱管理系統、晶圓傳送系統、其它集成系統及關鍵組件，每個子系統都包含大量的零部件。
目前來看，半導體設備零部件市場被美日歐企業把持，美國占44％，日本占33％，歐洲占21％，主要廠商包括MKS、ICHOR、UCT、AE、Ferrotec等。
中國半導體設備零部件需要大量進口，目前只有腔體、機架等機械類實現了國產化，而電器類、氣體輸送系統、真空系統、傳感器、儀器儀表、氣動系統等零部件以進口為主。在半導體晶圓制造流程中，閥類、密封圈、靜電吸盤、陶瓷類真空壓力計等零部件進口份額較大。其中，閥類費用約占耗材成本的10．6％，有較大的市場需求，但國內供給側在該領域仍處于空白狀態。
中國大陸半導體設備零部件供應商中，排名前七的是：萬業企業，富創精密，新萊應材，中科儀，江豐電子，華卓精科，神工股份。排名第一的萬業企業2021年營收約為9．2億元人民幣，第二的富創精密約為8．4億元。
那么，這些企業在全球同類廠商中處于怎樣的位置呢？以富創精密為例，該公司是全球為數不多的能夠為7nm制程工藝設備批量提供精密零部件的廠商，該公司2021年營收超過1億美元，但相比全球排名第一的MKS的29．5億美元，差距很大，即使與全球排名第五的Ferrotec（約10億美元）相比，差距也不小。
國產設備發展的契機和希望
雖說中國大陸半導體設備廠商的技術和市占率還無法與國際大廠抗衡，但國內巨大的市場需求，以及國家政策、資金的大力支持，再有，近些年國產替代意識和意愿的加強，給本土半導體設備業的發展提供了強大動力和樂觀的市場預期，并在多個設備領域取得了不俗的成績。
首先看刻蝕設備。刻蝕工藝位于薄膜沉積和光刻之后，目的是利用化學、物理、光學反應將晶圓表面附著的不必要的物質去除，反復多次，最終得到構造復雜的集成電路。國內的刻蝕設備企業主要是中微半導體、北方華創、屹唐半導體和中電科。其中，中微半導體在 CCP刻蝕領域具備明顯優勢，在邏輯芯片制造方面，該公司的CCP刻蝕設備已經進入國際知名晶圓代工廠的先進制程產線，用于7nm／5nm芯片的生產；在3D NAND芯片制造方面，該公司的CCP刻蝕設備可應用于64層堆疊芯片的量產，并且正在開發96層及更先進的刻蝕設備。
光刻機方面，與國際高水平有很大差距，雖說上海微電子可以生產光刻機整機，華卓精科和國科精密等可以生產光刻機零部件，但仍不具備EUV，以及先進DUV設備的生產能力，能支持的最高制程工藝仍為90nm。
薄膜沉積是一連串涉及原子的吸附、吸附原子在表面擴散，以及在適當的位置下聚結，以漸漸形成薄膜并成長的過程，分為原子層沉積（ALD）、物理式真空鍍膜（PVD）、化學式真空鍍膜（CVD）等。我國的薄膜沉積設備代表廠商是北方華創和拓荊科技，其中，北方華創已實現PVD、CVD、ALD設備在28nm／14nm技術領域的突破。
熱處理方面，主要包括氧化、擴散和退火工藝。國內的氧化擴散設備生產商主要包括北方華創和屹唐半導體。近些年，北方華創市占率逐年上升，例如，截至2020年10月，北方華創熱處理設備在長江存儲的占比已經超過了30％。
CMP是一種表面全局平坦化技術，系統主要由拋光設備、拋光液和拋光墊三個部分組成。國內CMP設備廠商主要有華海清科和北京爍科精微電子，華海清科是國內唯一一家實現12英寸CMP設備量產的廠商。
去膠設備方面，屹唐半導體在國內占主導地位，此外，芯源微和中電科45所也可以生產去膠機。目前，我國去膠設備的國產率已經超過90％，基本實現了國產替代。
清洗步驟貫穿整個半導體生產流程，用于去除硅片制備、晶圓制造和封裝測試等步驟中可能存在的雜質，避免雜質影響芯片良率和性能。國內主要清洗設備廠商包括盛美、北方華創、芯源微和至純科技。
在后道設備方面，國內測試機廠商主要包括華峰測控和長川科技，華峰測控在國內模擬測試機市占率接近60％。封裝設備方面，國內具備制造能力的企業主要有中電科45所、艾科瑞斯和大連佳峰。
加大研發投入力度
2021年，主要國產半導體設備廠商合計銷售額約為240億元人民幣，同比增長56％，北方華創、中微半導體、盛美上海、華峰測控、長川科技、芯源微的凈利潤增速均顯著高于收入增速。北方華創、中微半導體、盛美上海等在原有成熟設備基礎上進一步放量，萬業企業旗下凱世通實現離子注入機0－1突破，芯源微多款涂膠顯影設備在客戶端進展順利。
目前，國產半導體設備廠商處于高速發展期，半導體設備的高技術壁壘屬性要求廠商持續投入大量資金用于研發。例如，北方華創2021年研發投入28．9億元，在國內遙遙領先。拓荊科技研發投入占比38％，北方華創研發投入占比30％，中微半導體和長川科技占比23％，都處于高強度研發投入階段。
在半導體設備這個技術和資金密集的重資產領域，高投入才能有高產出，引擎加速后，相信國產設備能夠在相對短的時間內，邁上一個新臺階。
