半导体工程师 2022-08-04 09:42 发表于北京
摘要：集成电路设备行业兼具知识密集、人才密集、技术密集、研发强度高等特征，2021年全球市场份额达到1026亿美元。本报告对全球代表企业和中国企业进行简要介绍，以期能够更加微观地审视集成电路设备的全球竞争力。
一、集成电路设备的构成及全球市场发展态势
集成电路（芯片）制造设备是集成电路制造的“母机”，总体可分为用于晶圆制造的前道[由于芯片制造过程极为复杂，且制造流程前后段的工艺复杂度存在较大差异，相对复杂的晶圆制造和测试被称为前道（Front End）工序，而相对简单的芯片封装、测试及成品入库则被称为后道（Back End）工序，前道和后道一般在不同的工厂分开处理。用于制造和测试环节的设备通常被称为前道设备，用于封装、测试及成品入库环节的设备被称为后道设备。]设备和用于组装、测试及封装的后道设备两大类。前道设备的精密度和效率决定了芯片的功能和先进性，其包括多达50余种不同类型的、高度专业化的设备，在芯片制造的上千道工序中，包括光刻、刻蚀、镀膜（沉积）、离子注入、化学机械研磨、清洗等过程控制，制造工艺的复杂程度要求设备制造厂商与晶圆厂、材料供应商、研究机构等加强联系以形成稳定的供应链；后道工艺步骤较少，所需要的设备类型也相对较少，从而大幅降低了后道工厂的投资成本。从生产流程来看，晶圆制造涉及到的主要设备有光刻机、刻蚀设备、镀膜（沉积）设备、量测设备、清洗设备、离子注入设备、化学机械研磨设备、热处理设备、封装设备等九大类关键设备。
（一）全球半导体设备市场规模
根据国际半导体产业协会（SEMI）的数据显示，2020年全球半导体设备销售额约711.9亿美元，较2008年的295.2亿美元增长1.41倍，年均复合增长率达到7.61%，远远超过同期全球GDP增速；而2021年全球半导体制造设备销售额激增，相比2020年的712亿美元增长了44%，达到1026亿美元的历史新高。2022年7月份，SEMI发布统计数据并预测，半导体制造设备全球总销售额预计将在 2022 年达到创纪录的 1175 亿美元，同比增长 14.7%，并预计在 2023 年将增至 1208 亿美元。
从结构来看，晶圆制造设备在集成电路设备行业占比最高，封装和测试设备占比相对较低。根据SEMI数据显示，2020年晶圆制造设备市场规模为612亿美元，占比86.1%；测试设备为60.1亿美元，占比8.5%；封装设备为38.5亿美元，占比5.4%。
从晶圆制造的具体过程来看，以2020年数据估算各类晶圆制造设备市场规模占比，光刻、刻蚀、镀膜是占比排名前三的前道设备，合计市场规模占比超过70%，这三类设备也是集成电路制造的主设备；工艺过程量测设备是质量控制的关键设备，份额占比约13%；其他设备占比相对较小。
（二）全球竞争态势
从发展态势来看，集成电路设备市场的发展与集成电路产业的全球演化高度匹配。从需求端的设备消费来看，美国、日本和欧洲从2008年51.22%的市场份额下降到2020年的23.53%，日本从全球第一的市场份额下降到全球第四；大陆、台湾地区和韩国成为全球主要的集成电路设备销售地，从2008年的39.94%上升到2020年的72.98%。其中，大陆市场份额增长最快，从2008年的18.9亿美元增长到2020年的187亿美元，从6.40%的市场份额上升到26.30%，位居全球第一位；台湾地区从50.1亿美元增长到171.5亿美元，市场份额从16.97%的上升到24.09%；韩国从48.8亿美元增长到160.8亿美元，市场份额从16.57%上升到22.59%。
图1. 2008-2020年全球半导体设备销售的全球份额
数据来源：根据Worldwide Semiconductor Equipment Market Statistics (WWSEMS) Report（2008-2021）整理而成
与全球集成电路设备销售市场形成鲜明对照的是，大陆、台湾地区、韩国是主要的消费国家和地区，但美国、日本和欧洲却是主要的设备生产和供应国家。其中，在晶圆加工的前道设备方面，美国居于绝对领先地位，而日本在封测设备综合实力方面稳居领先地位。根据波士顿咨询公司的数据显示，2019年，美国、日本和欧洲在半导体设备领域的市场份额分别达到41%、32%和18%，大陆在这一领域的市场份额不足2%。另据Gartner统计，全球规模以上晶圆加工设备商共计58家，其中日本的企业最多，达到 21 家，占36%，其次是欧洲的13家和北美的10家。
从行业领先企业发展情况来看，美国在前5大设备供应商中占据了3席，分别是排名第一的应用材料、第三的泛林半导体和第五名的科磊半导体，合计占据全球市场份额的36.5%。具体而言，晶圆处理的几个关键工序设备也都基本处于美国的高度垄断之中。其中，应用材料公司在物理气相沉积（Physical Vapour Deposition，PVD）[ PVD 是一种形成金属薄膜的工艺，通过蒸发或溅射等方法将金属原子沉积到硅片表面，整个过程为物理过程，没有化学反应。CVD是通过反应腔内的气体混合发生化学反应在硅片表面形成一层薄膜，由于过程中发生了化学反应，更适合氧化物及化合物薄膜的沉积。早期的金属薄膜多用 PVD 工艺，现今很多金属沉积也采用金属 CVD 工艺。]设备领域占据近 85%的市场份额，在化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）设备领域占据了近30%的份额；刻蚀设备方面，泛林半导体最多，市场占有率高达53%，而科磊半导体在半导体光学检测领域独占鳌头。在各个领域中，前三大巨头的市场份额相加均超过70%。
在全球市场份额超过50%的半导体设备种类中，日本产品有10种之多。日本企业占全球半导体设备总体市场份额高达37%。在电子束描画设备、涂布显影设备、清洗设备、氧化炉、减压CVD设备等重要前道设备，以划片机为代表的重要后道封装设备和以探针器为代表的重要测试设备环节，日本企业竞争力非常强。在前道15类关键设备中，日本企业平均市场份额为38%，在6类产品中市场份额超过40%，在电子束、涂布显影设备市场份额超过90%；在后道9类关键设备中，日本企业平均市场份额为41%，在划片、成型、探针的市场份额都超过50%。
（三）全球领先企业概况
集成电路设备行业兼具知识密集、人才密集、技术密集、研发强度高等特征，大企业在行业内拥有强大的影响力。从全球范围内的市场占有情况来看，前15大企业占据了82.6%的全球市场份额，行业前三总量CR3和行业前五总量CR5分别达到47.3%和59.6%，在具体细分设备的市场集中度更高。具体来看，应用材料、阿斯麦、泛林、东电电子、科磊半导体、爱德万、迪恩士、泰瑞达、日立高新、先域、日立国际电气、尼康、细美事、ASM太平洋科技、大福等半导体设备供应商是行业的龙头企业，它们提供了晶圆制造的绝大多数设备，成为集成电路设备行业的绝对领先者。
表1 2020年半导体主要设备企业经营数据对比（单位：亿美元）
数据来源：笔者根据vlsiresearch和各个公司网站数据整理。
从前十五大设备企业的来源国来看，美国、日本、欧洲、韩国和中国企业数量分别为4家、7家、2家、1家和1家，且韩国和中国企业均未进入前十名，设备行业的生产国和消费国表现出“倒挂”特征。
（四）集成电路设备的国产化情况
2008-2020年，大陆集成电路设备销售额从18.9亿美元增长到187亿美元，年均复合增速达到21.06%。但是，与集成电路设备销售额快速增长形成鲜明对照的是，我国集成电路设备的国产化率极低，其中，光刻、刻蚀、镀膜设备这三大前道关键设备的国产化率最低，其他重要设备的国产化率也低于10%。近年来，我国不断加大集成电路设备投入，在关键设备和一些细分领域实现了突破，尽管在先进制程设备上依然受制于国外设备厂商，但在集成电路从制造到封测环节均有布局。
表2. 设备领域国内代表企业
数据来源：笔者整理
从集成电路设备的全球发展态势以及竞争态势来看，设备领域总体上保持较高的增长态势，尤其是自动化、智能化、高效化的设备，为集成电路产业在摩尔定律驱动下的快速成长提供了基础支撑。然而，集成电路设备的消费与生产“倒挂”，中国大陆、中国台湾地区和韩国是全球最大的设备消费国（地区），但美国、日本和欧洲却是最主要的设备生产国和技术来源国，我国集成电路产业的发展在设备环节的“短板”极为显著，成为影响产业安全和产业链稳定的重要隐患。从全球集成电路设备的领先企业来看，顶端巨头拥有行业内的绝对控制能力，并成为行业发展的技术路线主导者，但由于集成电路制造过程的多流程、高精度、高可靠性要求，在专业化分工的驱动下，中小企业在一些细分领域获取一定的竞争力，这也为处于后发追赶阶段的我国集成电路产业发展提供了“机会窗口”。
二、集成电路设备细分领域全球竞争比较
集成电路产业链设备种类、型号较多，不同制程的生产线需要不同技术范式和工作原理的设备，导致设备表现出极强的复杂度。为理解集成电路产业的竞争力，需要对集成电路制造过程中主要设备的全球代表企业和中国企业进行简要介绍，以期能够更加微观地审视集成电路设备的全球竞争力，为现实中找到集成电路设备中被“卡脖子”和可以突破的环节和领域。
（一）光刻机
光刻机全球主要供应商有阿斯麦、佳能和尼康三家，其中尤以阿斯麦在顶端光刻机中居于垄断地位，其极紫外光源（EUV）光刻机属于全球垄断地位，波长为 10-14纳米的极紫外光源能够适配更高制程芯片的设计制造。佳能将其业务重点放在中低端的光刻机市场，尼康仍然主推ArF浸没式技术。从光刻机市场份额来看，2020年阿斯麦、佳能和尼康分别占据全球光刻机市场84%、7%和5%，合计市场份额约96%[数据来源：各公司年度报告数据整理。]。国产整机设备中，上海微电子装备（集团）股份有限公司代表了国内顶尖水平，其封装光刻机在国内市占率高达80%，全球市占率也可达到40%；前道制造光刻机最高可实现90纳米制程。在光刻机产业链上游，我国初步实现光刻机的三大核心子系统突破：双工作台系统方面，华卓精科突破双工作台核心技术，打破了阿斯麦在光刻机工作台上技术上的垄断；光源系统方面，科益虹源公司、福晶科技、长春光机所均在一定程度上实现了国产替代；在光学镜头方面，奥普光电、国科精密、国望光学分别在传感器、物镜系统等方面实现了一定的突破。
（二）刻蚀设备
2021年全球刻蚀设备市场规模为140.93亿美元，预计2022-2027年复合增长率为4.42%。全球刻蚀机市场长期一直被泛林（46.7%）、东京电子（26.6%）、应用材料（16.7%）三大巨头占据，合计市场占比约90%，行业集中度高。泛林依旧在国内刻蚀机市场中保持领先地位；而国产厂商中，中微半导体已占据20%市场份额，排名第二，是国内唯一进入台积电7纳米制程蚀刻设备的大陆本土设备商，并与台积电联合进行5纳米认证。在刻蚀设备市场中，2019年中微公司市场占有率已达26%，北方华创在等离子刻蚀设备上已开发出应用于90-40纳米制程的12英寸硅刻蚀机，在国内市场中占据6%。
（三）镀膜/沉积设备
根据 SEMI和Maximize Market Research的统计，2020 年全球半导薄膜沉积设备市场规模约为 171.7亿美元。分类别来看，离子体增强化学气相沉积法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）设备占比 33%为最高，属于 PVD 的溅射 PVD 和电镀 ECD 共占比 23%，原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）设备占比 11%，常压 CVD 占比 12%，低压CVD 占比 11%，有机金属化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）占比 4%，其他合计占比 6%。沉积工艺和刻蚀工艺可视为逆过程，并且都会使用等离子体技术，因此沉积和刻蚀技术具备一些技术交集，沉积和刻蚀设备多出自同一批厂商。由于不同沉积设备技术差异较大，技术分支较多，因此市场上呈现多家供应商共存的局面，每家供应商都有其擅长的技术领域，在子类别中存在明显的市场格局差异。其中，CVD 市场被应用材料、泛林半导体和东京电子三大寡头垄断，PVD 市场则是应用材料一家独大，ALD 市场中东京电子和 ASM 两家公司占比最高。国内设备厂商中占有一定份额的是北方华创（PVD 占比1.4%）和中微公司（其他沉积占7%，主要为MOCVD 设备）。
（四）量测设备
根据科磊半导体的年度公告，2020年全球量测设备市场规模约为73亿美元，同比增长23%。其中，科磊、应用材料和日立高新的市场占有率分别高达58%、12%和5%，CR3高达75%。由于过程量测设备涉及电学、光学、光声技术等多个技术领域，难度较高，科磊在高端市场的控制能力极强，而量测设备本身种类众多，技术特点各有不同，市场上参与厂商较多。国内前道检测领域主要企业有上海睿励、上海精测、中科飞测等，整体规模尚较小。
全球高端后道测试设备企业有泰瑞达(美国)、爱德万(日本)等，国内较为领先的测试设备厂商有长川科技、华峰测控、佛山联动等，主要用于分立器件、电源 IC 等产品中，与国外高端设备企业同样距离显著。
（五）清洗设备
2020 年全球半导体晶圆清洗设备市场规模为58.80亿美元，预计到 2028 年将达到 118.29亿美元，复合年增长率为 9.95%。从结构来看，单片清洗设备是目前市场的绝对主流，2019 年单片清洗设备、槽式清洗设备、批式旋转喷淋清洗设备和洗刷器等类型清洗设备的市场份额分别为 22.76 亿美元、5.52 亿美元、0.13 亿美元和 2.08 亿美元，占比分别为 74.63%、18.10%、0.44%和 6.83%。全球半导体清洗设备高度集中于日本企业，全球半导体清洗设备行业的龙头企业主要是迪恩士、东京电子、细美事、泛林等。其中，迪恩士处于绝对领先地位，2020 年占据了全球半导体清洗设备 45.1%的市场份额，东京电子、细美事和泛林分别占据约 25.3%、14.8%和 12.5%。国内清洗设备企业主要有盛美股份、至纯股份、北方华创、芯源微等企业，在单片清洗设备等方面有一定的突破。
（六）离子注入设备
2020年，全球离子注入设备市场规模约为9.94亿美元。分厂商来看，应用材料占比高达 70%，其次为亚舍立（Axcelis）占比20%，汉辰科技（AIBT）占有一定的市场份额，行业高度集中。在市场份额较小的太阳能电池制造领域，万业企业（凯世通）、intevac 和日本真空几乎占据了全部市场份额。由于芯片尺寸不断缩小，为了实现浅层掺杂，低能大束流日渐成为主流。中国电子科技集团旗下中科信已成功实现离子注入机全谱系产品国产化，包括中束流、大束流、高能、特种应用及第三代半导体等离子注入机，工艺已达到28纳米。此外，国内厂商万业企业（凯世通）在光伏离子注入机方面具有领先地位，而在集成电路用离子注入机方面，国内主流12英寸晶圆制造工厂已经在验证万业企业（凯世通）的集成电路设备，多家晶圆芯片制造厂正在评估万业企业（凯世通）的产品。
（七）化学机械研磨设备
2020年，全球化学机械研磨设备市场规模约为20 亿美元，预计到 2027 年将增至29 亿美元，年增速约为5.8%。全球CMP设备厂商中，应用材料占据绝大部分份额，占比70%；其次为荏原机械（Ebara），占比25%，应用材料与日本荏原分别已实现5纳米制程和部分材质5纳米制程的工艺应用。国内CMP市场的高端部分仍然主要依赖于进口，在14纳米以上最先进制程工艺的大生产线上所应用CMP设备仅由美国应用材料和日本荏原两家国际巨头提供。在成熟制程领域，以华海清科、天隽机电、中电45所、烁科精微等为代表的国内企业已经打破了国外巨头常年垄断的局面，并且已经在国内CMP市场占据了重要份额。
（八）热处理设备
根据Gartner数据，2020年全球热处理设备市场规模15.37亿美元，其中快速热处理设备 7.19亿美元，占比46.8%，氧化/扩散炉5.5 亿美元，占比35.9%，栅极堆叠设备2.66亿美元，占比17.3%。预计未来将保持稳定增长，2025年规模达到19.91亿美元，复合年均增长率为6.7%。
在快速退火设备的市场格局中，应用材料占比69.72%，稳居全球第一。应用材料通过Vulcan系统实现了32/28纳米及以下节点退火工艺，Vulcan系统是首个采用加热灯的RTP平台，可通过传输和多点温度测量进行低温加工，在近乎室温下提供闭环控制能力，实现出色的晶圆工艺可重复性。热处理设备中，中国厂商屹唐股份占比11.5%，全球第二，是集成电路设备中中国最具全球竞争力的企业之一，其他还包括日立国际电气、维易科、斯库林等。
此外，集成电路相关设备方面还有很多工具设备，例如搬运晶圆的大福（Daifuku）（集团）公司，面向半导体、液晶制造业提供自动化洁净室输送、存储系统。洁净室也是集成电路制造过程中的重要环境条件，目前国内有亚翔集成、十一科技等先进企业，已经在一定程度上实现了国产替代。
综合比较集成电路设备全球龙头企业和国内企业的竞争力来看，我国在集成电路设备竞争中面临绝对劣势地位，关键设备、先进制程和核心技术依然掌握在美国、日本和欧洲大企业中，短时间内的追赶和超越困难极大。尤其是在美国发起对中国高科技领域“全场打击”的背景下，集成电路产业发展面临高端设备断供、全球合作受限的危机，重点突破设备领域的“卡脖子”环节和“堵点”至关重要。可喜的是，我国在集成电路设备领域各个环节均有一些创新型企业，尽管在先进制程、生产效率等方面与先进厂商有较大的差距，但在一定程度上保证制造环节的稳定性。这些分布于集成电路全产业链的“火种”，为未来我国集成电路产业的安全可持续发展积蓄了力量。
本篇报告全文摘自《产业经济评论》2022年第四期的文章《中国集成电路设备的全球竞争力、赶超困境与政策建议》的部分章节，作者是李先军（中国社会科学院工业经济研究所，副研究员、硕士生导师）、刘丽（中国社会科学院工业经济研究所，研究员、博士生导师）和闫梅（中国社会科学院工业经济研究所，编辑），由电子工业出版社华信研究院冯锡平、尹茗、景昊、孟祥翠等研究人员编辑整理。《产业经济评论》是由工业和信息化部主管、电子工业出版社主办的国内外公开发行的产业经济学术研究刊物。2020年5月,《产业经济评论》入选国家哲学社会科学文献中心学术期刊数据库经济学学科最受欢迎期刊。有多篇文章被《新华文摘》《人大复印资料》等杂志摘编。
来源：华信研究院
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