在中國“十四五”提出數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，瞄準集成電路等戰(zhàn)略性領域之際，半導體產(chǎn)業(yè)縱橫推出“國產(chǎn)化進程”系列專題，講述當今中國半導體各領域發(fā)展進程，解析國產(chǎn)化最新態(tài)勢。本期為“國產(chǎn)化進程”專題半導體產(chǎn)業(yè)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(chǎn)能成為了香餑餑，相應的商機也在向產(chǎn)業(yè)鏈上游傳導，特別是半導體設備，營收屢創(chuàng)新高。據(jù)SEMI統(tǒng)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(jīng)是連續(xù)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(chǎn)能也隨之提升，SEMI的數(shù)據(jù)顯示，全球設備業(yè)產(chǎn)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(fā)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)每年會有所微調(diào)，但變化不大，基本面是穩(wěn)定的。目前，全球前道設備市場主要由美日歐企業(yè)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(xiàn)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(jù)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(cè)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(nèi)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(chǎn)設備采購額僅為9.9億美元，占比僅7%，國產(chǎn)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(guī)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(fā)國產(chǎn)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(chuàng)、中微半導體、上海微電子等少數(shù)重點企業(yè)能夠承擔 02專項研發(fā)工作，整個行業(yè)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(xiàn)了從無到有，但相比國內(nèi)龐大的市場規(guī)模而言，自給率嚴重不足。

　　即使在發(fā)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(tǒng)、探針臺等設備市場幾乎被國外企業(yè)所占據(jù)。

　　目前，國產(chǎn)半導體設備處于局部有所突破，但整體較為落后的狀態(tài)。尤其與國際巨頭相比，本土設備企業(yè)的實力仍然偏弱，絕大部分企業(yè)無法達到國際上已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)的7nm工藝水平，部分企業(yè)突破到28nm或14nm工藝，但在使用的穩(wěn)定性上與國際巨頭差距較大，較難大批量進入量產(chǎn)線，也較難進入國際代工巨頭的生產(chǎn)線。

　　半導體設備行業(yè)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(wěn)定性提出了越來越高的要求，需要投入大量的研發(fā)資金。應用材料公司一直保持著在研發(fā)上的高投入，其30%的員工為專業(yè)研發(fā)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(xù)的高研發(fā)投入，促成了應用材料的內(nèi)部創(chuàng)新，構(gòu)成了較高的技術壁壘。

　　由于半導體設備研發(fā)周期長、投入大。國產(chǎn)設備公司雖然在工藝制程上的研發(fā)已經(jīng)有所突破，但是與穩(wěn)定量產(chǎn)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(shù)年，而由于市場長期被國際大廠占據(jù)，國內(nèi)設備廠商很難得到應用機會和發(fā)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(guī)模也很可觀，2022 年有望超過300億美元。

　　據(jù)VLSI統(tǒng)計，半導體設備包括8類核心子系統(tǒng)：氣液流量控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制程診斷系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、電源及氣體反應系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、晶圓傳送系統(tǒng)、其它集成系統(tǒng)及關鍵組件，每個子系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)了國產(chǎn)化，而電器類、氣體輸送系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、傳感器、儀器儀表、氣動系統(tǒng)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(nèi)供給側(cè)在該領域仍處于空白狀態(tài)。

　　中國大陸半導體設備零部件供應商中，排名前七的是：萬業(yè)企業(yè)，富創(chuàng)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(yè)企業(yè)2021年營收約為9.2億元人民幣，第二的富創(chuàng)精密約為8.4億元。

　　那么，這些企業(yè)在全球同類廠商中處于怎樣的位置呢?以富創(chuàng)精密為例，該公司是全球為數(shù)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(chǎn)設備發(fā)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(nèi)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(chǎn)替代意識和意愿的加強，給本土半導體設備業(yè)的發(fā)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?？涛g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(zhì)去除，反復多次，最終得到構(gòu)造復雜的集成電路。國內(nèi)的刻蝕設備企業(yè)主要是中微半導體、北方華創(chuàng)、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(yōu)勢，在邏輯芯片制造方面，該公司的CCP刻蝕設備已經(jīng)進入國際知名晶圓代工廠的先進制程產(chǎn)線，用于7nm/5nm芯片的生產(chǎn);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(chǎn)，并且正在開發(fā)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(chǎn)光刻機整機，華卓精科和國科精密等可以生產(chǎn)光刻機零部件，但仍不具備EUV，以及先進DUV設備的生產(chǎn)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?shù)奈恢孟戮劢Y(jié)，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(chuàng)和拓荊科技，其中，北方華創(chuàng)已實現(xiàn)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(nèi)的氧化擴散設備生產(chǎn)商主要包括北方華創(chuàng)和屹唐半導體。近些年，北方華創(chuàng)市占率逐年上升，例如，截至2020年10月，北方華創(chuàng)熱處理設備在長江存儲的占比已經(jīng)超過了30%。

　　CMP是一種表面全局平坦化技術，系統(tǒng)主要由拋光設備、拋光液和拋光墊三個部分組成。國內(nèi)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(nèi)唯一一家實現(xiàn)12英寸CMP設備量產(chǎn)的廠商。

　　去膠設備方面，屹唐半導體在國內(nèi)占主導地位，此外，芯源微和中電科45所也可以生產(chǎn)去膠機。目前，我國去膠設備的國產(chǎn)率已經(jīng)超過90%，基本實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。

　　清洗步驟貫穿整個半導體生產(chǎn)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(zhì)，避免雜質(zhì)影響芯片良率和性能。國內(nèi)主要清洗設備廠商包括盛美、北方華創(chuàng)、芯源微和至純科技。

　　在后道設備方面，國內(nèi)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(nèi)模擬測試機市占率接近60%。封裝設備方面，國內(nèi)具備制造能力的企業(yè)主要有中電科45所、艾科瑞斯和大連佳峰。

　　加大研發(fā)投入力度

　　2021年，主要國產(chǎn)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(chuàng)、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(chuàng)、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(yè)企業(yè)旗下凱世通實現(xiàn)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(chǎn)半導體設備廠商處于高速發(fā)展期，半導體設備的高技術壁壘屬性要求廠商持續(xù)投入大量資金用于研發(fā)。例如，北方華創(chuàng)2021年研發(fā)投入28.9億元，在國內(nèi)遙遙領先。拓荊科技研發(fā)投入占比38%，北方華創(chuàng)研發(fā)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(fā)投入階段。

　　在半導體設備這個技術和資金密集的重資產(chǎn)領域，高投入才能有高產(chǎn)出，引擎加速后，相信國產(chǎn)設備能夠在相對短的時間內(nèi)，邁上一個新臺階。