繼續「半導體復仇者聯盟」系列。
前面說了EDA&coreIP、IC設計，本文說晶元製造設備。
根據SEMI（國際半導體產業協會）數據：2023年，全球半導體設備市場規模1062.5億美元。其中，中國大陸市場366億美元（同比增長29%），佔比34.43%；中國台灣市場196.2億美元（同比下降27%）。
同時，SEMI預估：2024年全球半導體設備市場規模1130億美元。其中，中國大陸市場超400億美元，佔比超35%，連續5年成為全球最大的半導體設備市場。
半導體生產分為前道工藝和後道工藝。其中：
-前道工藝是指晶圓製造廠的加工過程，簡單地說，就是把電路加工在空白的矽片上，出廠時還是完整的圓形矽片。
-後道工藝是指封測廠的封裝、測試過程，簡單地說，就是把前道工序的矽片切割成單獨的晶元顆粒，然後完成外殼封裝和終端測試，出廠時就成為正式的晶元成品。
因此，半導體設備就分為前道設備和後道設備。其中：
-前道設備主要有熱處理設備、光刻設備、塗膠顯影設備、去膠設備、刻蝕設備、離子注入設備、薄膜沉積設備、研磨設備、清洗設備、量測設備等。
-後道設備主要有封裝設備（減薄機/劃片機/裝片機/引線鍵合機）、測試設備（測試機/探針台/分選機）等。
主要的半導體設備
從價值上看，前道設備的價值約佔85%，後道設備的價值約佔15%。從技術難度上看，後道設備相較於前道設備的技術難度較低。
一、熱處理設備
熱處理過程是將晶圓放置在充滿特定氣體的環境中，對其加熱能以實現所需的化學反應和物理變化，主要有快速熱處理/氧化/擴散/退火等設備。
在該領域中，主要由應用材料（AMAT，美國）、東京電子（TEL，日本）、日立高新（HHT，日本）三大廠商主導，約佔全球市場份額的55%。
我國大陸在熱處理設備領域與國際廠商的差距正在縮小，國產化率已經達到30%以上，代表企業有屹唐、北方華創等。
二、光刻設備
光刻設備是在特定波長的光線作用下，將設計好的在掩膜版上的集成電路圖形，轉印到矽片表面的光刻膠上，說白了就是「畫圖」。
在該領域中，阿斯麥（ASML，荷蘭）、尼康（Nikon，日本）、佳能（Canon，日本）三巨頭基本壟斷了全球市場，分別佔比約81%、9%和7%。其中，在光刻機深紫外（KrFi/ArFdry）領域，ASML市佔率為95%/87%；在光刻機極紫外（EUV領）域，ASML一家獨佔，當前最先進的3nm製程，只有通過EUV光刻機才能生產出來。
我國大陸在光刻機領域與國際廠商差距極大，國產化率不足 1%，只能生產一部分低端光刻機，國內可實現量產製程為90nm/65nm，正在研發製程28nm，代表企業是上海微電子。
三、塗膠顯影設備
塗膠顯影設備是指在晶圓表面塗蓋光刻膠（曝光前光刻膠塗覆），並對光刻膠進行顯示影像操作（（曝光後圖形的顯影），以形成所需的電路圖案。
在該領域中，主要由東京電子（TEL，日本）、迪恩士（DNS，日本）、蘇斯微（SUSS，德國）主導，其中又以東京電子一家獨大，約佔全球市場份額的85%。
我國大陸在塗膠顯影設備領域與國際廠商差距巨大，國產化率約7%，國內可實現量產製程為90nm/65nm/28nm，代表企業是芯源微。
四、去膠設備
去膠設備是刻蝕或離子注入完成之後，用於去除殘餘的光刻膠。
去膠設備是我國大陸實現國產化最高的半導體設備，國產化率達到80%以上。全球去膠設備廠商主要為屹唐（中國）、北方華創（中國）、比思科（BiSK，韓國）、日立高新（HHT，日本）、泛林半導體（Lam，美國）、泰仕半導體（TES，韓國）等，佔全球市場份額的90%以上。
五、刻蝕設備
刻蝕設備是將光刻膠上的電路圖形轉移到光刻膠下層的薄膜材料上，並通過化學或物理方法，去除薄膜材料未被光刻膠掩蓋的部分。
在該領域中，國外廠商主要有泛林半導體（Lam，美國）、東京電子（TEL，日本）、應用材料（AMAT，美國）、科磊（KLA，美國）、細美事（SEMES，韓國）、日立高新（HHT，日本）等。
我國大陸在刻蝕機領域已經迎頭趕上，不過在先進位程方面還有差距，國產化率達到55%以上，國內可實現量產製程65nm/45nm/28nm/14nm/7nm/5nm（硅刻蝕）、65nm/45nm/28nm/14nm（介質刻蝕），代表企業有中微公司、北方華創、屹唐半導體等。
六、離子注入設備
離子注入設備是將離子注入到半導體材料中，改變其電學性能。
在該領域中，主要由應用材料（AMAT，美國）、亞舍利（Axcelis，美國）主導，約佔全球市場份額的75%。
我國大陸在離子注入設備領域與國際廠商差距較大，國產化率10%-20%，國內可實現量產製程為65nm/45nm/28nm，代表企業有凱世通、中科信等。
七、薄膜沉積設備
薄膜沉積設備是一般通過物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）技術，在晶圓表面塗上幾納米至幾微米不等厚度的金屬或其他介質薄膜。
在該領域中，PVD市場由應用材料（AMAT，美國）主導，佔市場份額的80%以上；CVD市場由泛林半導體（Lam，美國）、東京電子（TEL，日本）、應用材料（AMAT，美國）三大廠商主導，約佔市場份額的65%；ALD市場由東京電子（TEL，日本）和先晶（ASMI，荷蘭）主導，約佔市場份額的60%。
我國大陸在薄膜沉積設備領域與國際廠商還有較大差距，國產化率約15%，國內客實現量產製程為65nm/45nm/28nm/14nm，代表企業有北方華創、拓荊科技、中微公司等。
八、清洗設備
清洗設備貫穿晶圓製造的全過程，用於清掃晶圓加工和封測工序步驟過程中存在的雜質。
在該領域中，國外廠商主要有迪恩士（DNS，日本）、東京電子（TEL，日本）、斯克林（SCREEN，日本）、泛林半導體（Lam，美國）、西門子（Siemens，德國）等，約佔全球市場份額的40-50%。
我國大陸在清洗設備領域中已經具有了競爭力，國產化率超50%，國內可實現量產製程為65nm/45nm/28nm/14nm，代表企業有盛美半導體、北方華創、芯源微、至純科技等。
九、研磨設備
研磨設備是通過CMP技術（化學腐蝕+機械拋光），對晶圓表面進行納米級平坦化處理。
在該領域中，主要由應用材料（AMAT，美國）、荏原（Ebara，日本）兩家公司主導，約佔全球市場份額的60%，在14nm以下製程，幾乎是由這兩家壟斷。
我國大陸在研磨設備領域與國際廠商的差距正在縮小，國產化率30-40%，國內可實現量產製程為28nm/14nm，代表企業是華海清科。
十、量測設備
量測設備是驗證晶元的性能、質量和可靠性，對其進行顆粒污染、表面劃傷、開短路等檢測，以及對薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度等測量。
在該領域中，主要由科磊（KLA，美國）、應用材料（AMAT，美國）、雷泰光電（Raytek，美國）、日立高新（HHT，日本）、阿斯麥（ASML，荷蘭）、先進科技（ASMPT，新加坡）六大廠商主導，約佔全球市場份額的78%。
我國大陸在量測設備設備領域與國際廠商差距巨大，國產化率約7%，國內可實現量產製程為65nm/28nm/14nm，代表企業有中科飛測、上海精測、東方晶源等。
十一、封測設備
在封裝機領域，主要由庫利索法（K&S，新加坡，美國控股）、先進科技（ASMPT，新加坡）和佰瑟（BESI，荷蘭）三大廠商主導。
在測試機領域，主要由泰瑞達（Teradyne，美國）、愛德萬（ADVANTEST，日本）和科休（Cohu,美國）三大廠商主導，約佔全球市場份額的90%。國內廠商代表有華峰測控、長川科技等。
在探針台領域，主要由日本東京電子和東京精密兩家廠商主導，約佔全球市場份額的85%。國內廠商代表是長川科技。
在分選機領域，市場格局相對分散，外部廠商主要有科休、Xcerra、愛德萬、台灣鴻勁等，國內廠商代表有長川科技，我國大陸國產化率已達到 70% 以上。
綜上，全球半導體製造設備主要由美日荷企業主導，特別是在中高端設備領域。
同時也可以看到，國產設備廠商正在搶佔中低端市場，初步形成產業鏈成套布局，取得了良好的進展。同時，在重點設備環節已能實現 28nm 製程突破，部分刻蝕、清洗環節已推進至先進位程節點。
根據SEMI數據，中國大陸半導體設備國產化率從2014年的14%上升到2023年的23.3%，預計到2027年將達到26.6%。
根據TrendForce數據，中國大陸半導體前道主要設備國產化率和主要代表廠商如下表：
由上可見，我國大陸半導體設備廠商在去膠、清洗、刻蝕設備領域表現良好，國產化率已經超過一半以上；在CMP、熱處理設備領域正在追趕，不久之後就會實現一半的國產化率；在薄膜沉積、離子注入、塗膠顯影設備領域比較落後，但也實現了很大的突破；在量測、光刻設備領域非常落後，是接下來重點突破的領域。
不管怎麼說，從工藝覆蓋角度來看，我國大陸廠商已經涉足半導體製造工藝各個階段，除了高精尖領域外，國產設備在成熟製程上可以滿足各方面需求。
在美國對我國半導體高端設備禁運封鎖背景下，隨著國家在資金政策等要素資源扶持力度加大、企業技術攻關突破、上下游產業鏈協同效應增強，半導體設備自主可控進程將加速推進。
在以上半導體設備中，光刻設備、刻蝕設備和薄膜沉積設備是最關鍵的三類設備，分別占設備價值總額的21%、25%和22%。這其中，又以光刻機為關鍵中的關鍵，被冠以「工業皇冠上的明珠」。
根據SEMI數據，光刻機在半導體設備中的價值佔比約21%，加上配套的塗膠顯影設備和光刻工藝需要用到的掩模版、光刻膠等耗材，整體光刻工藝的費用約佔晶元生產成本的1/3，耗費時間約佔40%~50%。
依照不同光源，光刻機可分為UV（紫外）、DUV（深紫外）、EUV（極紫外）三種類型。
- UV（紫外光刻）：早期晶元，光源波長365nm/436nm，製程節點250nm-800nm之間；
-DUV（深紫外光刻）：成熟製程技術，光源波長193nm/248nm，製程節點7nm-180nm之間，主流用於28nm以上的晶元工藝；
-EUV（極紫外光刻）：光源波長13.5nm，製程節點7nm以下，是當前最先進的光刻工藝。
光刻機零件極多，越高端的光刻機其結構越複雜，如極紫外（EUV）光刻機，其內部零部件超8萬個。同時，當製程達到7納米以下時，所涉及的刻蝕機、離子注入機、研磨機等設備面臨極高的技術壁壘和驗證壁壘。
EUV光刻機總體結構及主要組成系統（圖源網路，侵刪）
全球範圍內，僅有荷蘭的ASML公司具備提供這一高端設備的能力，並且其技術主要依賴美國、日本等國的精密元件，受美國掌控。
荷蘭ASML公司（圖源網路，侵刪）
上世紀90年代末，光刻機工藝被卡在193nm光源波長，遇到難以突破的瓶頸。為此，美國牽頭組建了EUV LLC聯盟，成員有英特爾、摩托羅拉、IBM等美國最頂尖的科技企業，以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、勞倫斯伯克利實驗室3個美國最頂尖的實驗室，陣容豪華。
當時，美國沒有合適的光刻機製造企業，於是就選擇了荷蘭的ASML，約束條款是：
-ASML必須把研發中心設在美國，50%以上的核心零部件必須採購自美國企業或美國指定的其他國家企業，無條件接受美國定期或不定期技術和商業有關審查。
此後，ASML依託EUV LLC聯盟，成為全球最大的光刻機製造商，並壟斷了EUV光刻機。也可以這樣理解，荷蘭ASML實際上是美國的總代，美國不同意，ASML就不能向我國出售最先進的EUV 光刻機。
那麼，目前國產光刻機與ASML差距有多大呢？
2024年9月，我國工信部發布重大技術裝備推廣目錄，國產氟化氬光刻機赫然在列。國產ArF光刻機採用的光源波長為193nm，解析度≤65nm，套刻≤8nm。該技術參數與ASML在2015年出貨的ArF光刻機TWINSCAN XT：1460K（解析度為≤65nm，套刻≤5nm）較為接近。換句話說，在ArF光刻機領域，我國與ASML的差距是9年。
既然國產ArF光刻機已納入推廣目錄，那麼製程節點7nm以下的EUV光刻機就在路上了，估計就是一個五年計劃的時間。
晶元製造的背後，還有一批關鍵材料，如高純矽片、光刻膠、靶材、電子氣體、CMP材料、光罩、先進封裝材料等。下一篇，說說晶元晶圓製造材料。
