半導體設備應用及產業(yè)狀況分析

摘" 要：半導體行業(yè)的發(fā)展不僅關系到國防安全和社會經濟發(fā)展，更是賦能各個行業(yè)的基石。它屬于資金、知識密集型行業(yè)，涉及學科門類多，工藝復雜，投資周期長，產業(yè)鏈長，這些都是造成其發(fā)展很難一蹴而就的重要因素。當前，國際上一些主要發(fā)達國家聯(lián)合起來，為達到一定的政治目的，利用其行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢，營造逆全球化格局。迫使人們更加重視整個半導體產業(yè)的發(fā)展。該文簡述半導體產業(yè)的發(fā)展歷程，結合產業(yè)鏈上下游概況，最終著筆于半導體制造工藝的主要應用設備及國內外相關制造廠商的分布格局。在分析逆全球化對國產設備發(fā)展影響的基礎上，提出一些破局思考，以期對改變現(xiàn)狀有所裨益。

關鍵詞：半導體；制造裝備；產業(yè)狀況；集成電路；制造工藝

中圖分類號：TN304.24""""" 文獻標志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0173-04

Abstract： The development of the semiconductor industry is not only related to national defense security and social and economic development， but also the cornerstone of empowering various industries. It is a capital-and knowledge-intensive industry， involving many disciplines， complex processes， long investment cycles， and long industrial chains. These are all important factors that make its development difficult to achieve overnight. At present， some major developed countries in the world have grouped together to achieve certain political goals and use their industry first-mover advantages to create a counter-globalization pattern， thus forcing us to pay more attention to the development of the entire semiconductor industry. The article briefly outlines the development history of the semiconductor industry， combines the upstream and downstream profiles of the industrial chain， and finally focuses on the main application equipment of the semiconductor manufacturing process and the distribution pattern of relevant domestic and foreign manufacturers. Based on analyzing the impact of anti-globalization on the development of domestic equipment， some ideas are put forward in order to be beneficial to changing the status quo.

Keywords： semiconductor; manufacturing equipment; industrial status; integrated circuits; manufacturing process

世界上第一臺電子計算機是重達幾十噸的龐然大物，那么它是怎樣一步步變身為今天隨處可見的便攜式筆記本電腦的呢？其中集成電路功不可沒。近年來，隨著新能源車、物聯(lián)網、智能手機、大數(shù)據(jù)等技術的蓬勃發(fā)展，催生出半導體產品的新需求，進一步拓寬其應用場景，推動整個行業(yè)的飛速發(fā)展。半導體產業(yè)是各行各業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的基礎，它賦能傳統(tǒng)行業(yè)，驅動新興行業(yè)，無論在民用還是軍事上都不可或缺。以致于其發(fā)展水平對整個國家的經濟建設、社會發(fā)展和國防安全都至關重要。半導體制造號稱人類發(fā)展至今掌握的最為復雜的生產技術，更是高端制造領域的一顆明珠。而材料和設備作為半導體產業(yè)的上游，是整個產業(yè)向前發(fā)展的關鍵支撐力量。畢竟，只有高端裝備，輔以先進工藝，才能制造尖端器件。

1" 半導體行業(yè)的發(fā)展歷程

半導體行業(yè)的發(fā)展始于20世紀50年代的美國，最初主要源于軍事工業(yè)的需求。杰克·基爾比和羅伯特·諾伊斯是集成電路（Integrated Circuit，IC）的共同發(fā)明者，他們也因此被授予“美國國家科學獎章”。集成電路是以半導體晶片為介質基底，在其上搭建所需微型電路的結構，具有體積小、能耗低和可靠性高等諸多優(yōu)點。此技術在硅谷這一高科技公司云集之地，得到迅速發(fā)展，形成包括投資、設計、制造、服務在內的產業(yè)集群。使得美國在這一時期同時具備先發(fā)和領先優(yōu)勢。

其后，日本從承接美國的落后技術和設備開始，逐步實現(xiàn)仿造。到20世紀80年代，已經主導國內市場并逐漸能與美國在國際市場爭奪份額。

而韓國從初期的封裝、代工，進而集體瞄準存儲器這一方向，到20世紀90年代已成長為僅次于美國、日本的半導體產業(yè)強國。

摩爾定律基本描繪了集成電路的發(fā)展進程，其大意是指芯片上集成的電路數(shù)量每隔18個月就會提高一倍。此定律自從摩爾1965年提出后，較為準確地反映了其后幾十年集成電路行業(yè)的發(fā)展節(jié)奏。不過硅的工藝發(fā)展已趨近于其物理瓶頸，隨著摩爾定律趨近極限，半導體行業(yè)技術進步放緩，未來3～5年將為國內廠商實現(xiàn)國產替代的重大機遇。

2" 半導體工藝及設備

半導體制造是一門非常精確的科學，芯片生產商需要尖端、可靠的設備和工具。由于設備的技術和工藝極為復雜，因此通常只有少數(shù)專業(yè)的供應商能夠實現(xiàn)。技術護城河給了半導體設備和材料供應商很大的自主權，有時甚至可以挑選客戶而形成對被排斥者的制裁手段。集成電路是半導體產品最主要的組成部分，占其80%以上的市場份額，遠超分立器件、光電子器件和傳感器等模塊。如圖1所示，集成電路產業(yè)鏈主要由支撐端、制造端和應用端組成，其中支撐端包括EDA、IP、材料、設備，制造端分為芯片設計、芯片制造、芯片封測3個部分，而應用端則包括各類終端應用等。其毛利率也基本隨前后工藝布局，呈下降趨勢。

自動化設計軟件EDA和IP（Intellectual Property）是芯片設計的重要基礎。EDA領域目前的市場基本被Synopsys、Cadence、Simens EDA（原Mentor）這3家公司壟斷，該軟件毛利率極高。而芯片設計環(huán)節(jié)是知識密集型行業(yè)，輕資產，因此毛利率也很高。隨著芯片功能的不斷擴展，集成度也越來越高，出現(xiàn)了很多成熟的設計模塊即IP模塊，ARM公司是該領域的絕對龍頭。

而半導體材料和設備是實現(xiàn)芯片制造、封測的前提。半導體材料主要有硅片、光刻膠/掩膜版（用于制造過程中顯影、刻蝕等工藝）、特種電子氣體（用于刻蝕、薄膜、沉積等工藝）、拋光材料、濕電子化學品和濺射靶材等。半導體材料受技術壁壘的影響，目前美國、日本企業(yè)占主導地位。半導體設備主要包括光刻機、薄膜沉積設備、刻蝕設備、量檢測設備、清洗設備、涂膠顯影設備、CMP（Chemical Mechanical Polishing）設備和離子注入設備等。從細分產品來看，光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備市場規(guī)模最大，占比均不低于20%。此環(huán)節(jié)門檻極高，前期投入巨大，研發(fā)難度大，周期長，利潤中等，關鍵設備是由少數(shù)國際巨頭把控。而芯片封裝環(huán)節(jié)，門檻相對較低，國內市場競爭相對充分，利潤率也相對較低。

半導體產業(yè)終端應用市場包括汽車、計算機、醫(yī)療、通信和軍工等多領域，目前由計算機和通信設備占主導，共占約70%的市場份額[1]。

2.1" 設備現(xiàn)狀

2.1.1" 光刻機

光刻機是芯片制造環(huán)節(jié)的核心設備，是體現(xiàn)極高技術和工藝水準的系統(tǒng)性設備，是半導體制造的關鍵一步。其主要工作原理是利用光源（如紫外光、極紫外光等）照射到經過特殊處理的光刻膠覆蓋的硅片上，通過光刻膠對光的感光特性，實現(xiàn)對硅片表面精細圖案的刻畫。

高端光刻機技術壁壘極高，被荷蘭ASML公司壟斷。ASML對 EUV（Extreme UltraViolet）光刻這一關鍵技術具有壟斷地位。ASML、Nikon和Canon 3家公司2022年占據(jù)了光刻機市場（包含F(xiàn)PD光刻機）的98%，ASML 的設備和技術占絕對領先地位，占據(jù)全球市場 82.1%，90 nm以下節(jié)點高端光刻機（如ArF、ArFi、EUV光刻3種高端機型）95%以上屬ASML設備，Nikon占比不到5%[2]。

2.1.2" 薄膜沉積設備

薄膜沉積設備是前道工藝設備中的重要組成部分，用于在晶圓表面沉積各種薄膜材料，如金屬、氧化物等，以實現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的薄膜沉積，是構建芯片不同層次的關鍵步驟，以實現(xiàn)電路的功能和互連。薄膜沉積設備按照工藝原理的不同可分為物理氣相沉積（PVD）設備、化學氣相沉積（CVD）設備和原子層沉積（ALD）設備。因具有較好的孔隙填充和膜厚控制能力，在薄膜沉積設備中化學氣相沉積設備應用最多。隨著工藝的不斷升級更新，半導體制造過程中的薄膜沉積工序也越來越多，ALD設備用量有所增加。

物理氣相沉積設備中應用材料占有絕對的市場份額。應用材料、泛林半導體和東京電子是化學氣相沉積設備市場的前三強；原子層沉積設備中，東京電子和ASMI是行業(yè)龍頭。

2.1.3" 刻蝕設備

刻蝕設備是用于去除芯片表面不需要的材料，以形成所需的結構和圖案?？涛g工藝主要分為使用氣體或等離子體的干法刻蝕和使用特定的化學溶液進行化學反應來去除氧化膜的濕法刻蝕，其中干法刻蝕是目前的主流技術。國內設備廠商中微半導體設備（上海）股份有限公司的刻蝕設備已逐步趕上國外先進廠家的步伐，逐步縮小差距，取得領先地位。

2.1.4" 量檢測設備

半導體量檢測設備既包括前道工藝的物理性能檢測，又包括后道工藝的電性能檢測。前道工藝中既包括膜厚、折射率、膜應力等參數(shù)測量的量測設備，又涉及各類表面缺陷檢測的檢測設備。后道測試設備用于晶圓加工前的設計驗證環(huán)節(jié)和晶圓加工后的封測環(huán)節(jié)，主要通過測試機和分選機或探針臺配合使用進行電性能的檢測。在半導體制造過程中，幾乎每一步主要工藝完成后都需要使用半導體量檢測設備進行及時檢測，以確保質量可控。所以，量檢測環(huán)節(jié)對保障產品良率和降低制造成本都很重要。

KLA在前道量檢測設備領域一家獨大。細分領域，膜厚檢測設備主要供應商為KLA公司、Nova Ltd.，光學關鍵尺寸（OCD）測量設備主要供應商為KLA、Nano，套刻誤差測量設備主要供應商為KLA、ASML，形貌測量、掩模板檢測、有無圖形缺陷檢測等環(huán)節(jié)均以KLA為主。長期以來全球IC高端測試機領域主要由美國TERADYNE、日本ADVANTEST 兩家國際巨頭企業(yè)壟斷，合計占據(jù)全球市場80%以上的份額[3]。東京精密在探針臺細分市場份額占比較高，而愛德萬、科磊和愛普生占有分選機的主要市場份額。

國內主要廠商中，深圳中科飛測科技股份有限公司主要優(yōu)勢在前道檢測設備，用于檢測晶圓表面或電路結構中是否出現(xiàn)異質情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結構缺陷，以及出廠、入廠晶圓質量控制。上海精測半導體技術有限公司的優(yōu)勢則是在前道量測設備，以橢偏技術為核心開發(fā)膜厚測量和光學關鍵尺寸測量，以及電子光學系統(tǒng)量測、應力形貌測量等產品。睿勵科學儀器（上海）有限公司主要為光學膜厚測量設備和光學缺陷檢測設備。國內厚道測試機北京華峰測控技術股份有限公司和杭州長川科技股份有限公司占有一定的市場份額，不過國產測試機仍有較大的市場發(fā)展空間。

2.1.5" 涂膠顯影設備

涂膠顯影設備用于在晶圓表面光刻膠的涂覆，要求做到薄且均勻，并實現(xiàn)光刻膠進行顯影，以形成所需的高質量微電路圖案，通常包括涂覆機和顯影機。涂覆機的主要功能是在硅片表面均勻地涂覆一層光刻膠。而顯影機用于在涂覆的光刻膠上形成圖案。在光刻機將掩模上的圖案曝光到硅片表面后，硅片需要使用顯影機進行顯影處理形成圖案。涂膠顯影設備的性能和操作直接影響到光刻圖案的質量、尺寸的控制，其效率也最終會影響產量。

東京電子（TEL）在涂覆顯影設備市場基本處于壟斷地位。國產廠商沈陽芯源電子設備股份有限公司憑借多年技術積累，目前已獲得應用及多個大客戶訂單。

2.1.6" 清洗設備

晶圓幾乎在每次主要的工藝處理過程中都會受到污染，所以在進入下道工序前要及時進行清洗。清洗機則是用于清洗晶圓表面的雜質和污染物，保證芯片制造過程中的質量和穩(wěn)定性的設備。清洗機按工藝一般分為濕法和干法2種，目前主要以濕法清洗為主。

全球清洗設備市場集中度較高，DNS、TEL、SEMES、LAM等幾大公司占有絕對的市場份額。目前，盛美半導體設備（上海）股份有限公司和北方華創(chuàng)科技集團股份有限公司一定程度上打破了進口壟斷，芯源微和至純科技等國產廠商也已獲得一定的市場反響。

2.1.7" CMP設備

CMP設備是去除晶圓表面多余材料，實現(xiàn)全局納米級平坦化的重要設備。由于目前集成電路元件普遍采用多層立體布線，每一層都需要多道工藝不斷循環(huán)使用，其中CMP設備的參與就是不可或缺的。

全球CMP設備基本被應用材料和荏原機械壟斷。目前國內廠商華海清科股份有限公司的CMP設備已廣泛應用于業(yè)內集成電路生產線，逐步占據(jù)國產CMP設備市場。

2.1.8nbsp; 離子注入設備

離子注入設備通過加速和控制離子束，將摻雜物質（如硼、磷等）注入到芯片表面，以改變芯片材料的電性能。這樣可以形成不同的電阻和導電層滿足芯片的功能需求。

離子注入設備目前也是AMAT、Axcelis、AIBT等少數(shù)廠商壟斷局面。國內企業(yè)中，凱世通和中電科電子裝備集團有限公司也逐步具備集成電路離子注入機的研發(fā)和生產能力。

2.2" 國產化進程

2020年全球半導體設備廠商TOP10中，美國和日本各占4席，其中美國設備廠商應用材料、泛林半導體、科磊和泰瑞達的市場規(guī)模占全球半導體設備市場41.3%，日本設備廠商東京電子、 愛德萬、SCREEN 和Hitachi High Technologies公司的市場規(guī)模占全球半導體設備市場19.4%。作為全球光刻機龍頭的荷蘭著名半導體設備廠商ASML，憑借其在光刻機設備市場的霸主地位，則獨占全球半導體設備市場16.7%[4]。

近年，國產設備替代加速，已基本可以覆蓋到半導體制造的大部分工藝及成熟制程的使用場景，尤其是在刻蝕、清洗、薄膜沉積等設備方面。在2020年全球前十大封測企業(yè)中，封測企業(yè)長電科技、通富微電和華天科技均榜上有名，行業(yè)規(guī)模優(yōu)勢明顯。當前相比較而言，光刻機、離子注入機、涂膠顯影設備及前道量檢測設備國產化率相對較低。

3" 逆全球化對行業(yè)發(fā)展影響

近幾年國際形勢惡化加劇，美國對華出口管制變本加厲，從2022年8月的《芯片與科學法案》，到10月美國商務部工業(yè)安全局發(fā)布半導體出口管制新規(guī)，不斷擴大管制范圍。以美國為操手的逆全球化浪潮，讓產業(yè)發(fā)展水平尚有差距，產業(yè)鏈尚不完善的國內半導體產業(yè)猝不及防。半導體產業(yè)當前的被動局面主要成因：①過去幾十年，半導體產業(yè)一直按照摩爾定律的節(jié)奏推進，更新迭代迅速。但由于其更新迭代迅速，造成一步慢步步慢，經年累月，造成差距巨大；②受美國為首的國際聯(lián)盟對高端設備封鎖的影響，關鍵技術受制于人；③高端人才稀缺，產業(yè)人員流動性大，坐不住冷板凳，不利于技術的積累，推陳出新；④半導體行業(yè)自身具有投機金額大，回報周期長，投資風險高的特點，不容易一蹴而就地實現(xiàn)彎道超車。

不過，美國的舉措也存在有利的方面。正因為高端設備的禁入，給國產替代提供可乘之機。相比國際巨頭，國內設備廠商技術水平相對較低，可靠性也不占優(yōu)勢，尚不具備可以和國際廠商同臺競技的能力。在高端設備禁入后，國內制造企業(yè)沒有更多的選擇，只能給國內廠商提供更多的試錯成長機會，互相協(xié)同合作，共同成長。變相促進了整個產業(yè)設備的技術進步。

4" 半導體行業(yè)破局思考

到目前為止，世界上還沒有一個國家可以獨立運行半導體的整個產業(yè)鏈。所以，我們更要發(fā)揮體制的優(yōu)越性。4.1" 堅定國家意志

整合產業(yè)資源，完善產業(yè)政策，鼓勵企業(yè)合作，鼓勵資本進入，培養(yǎng)、吸引人才，凝心聚力，穿越長線周期，突破技術封鎖。國家的支持并不是中國獨創(chuàng)，自史以來還沒有哪一國的半導體產業(yè)的發(fā)展可以脫離國家的扶持。美國也不例外。1958年，美國政府建立了世界上第一個政府支持的風險投資引導基金SBIC，開創(chuàng)了政府支持產業(yè)風險投資引導基金的先例，在投資基金的推動下，美國包含半導體產業(yè)在內的高技術產業(yè)均得到了長遠發(fā)展[5]。當前國內注冊資本高達3 440億元的國產集成電路產業(yè)投資基金三期已于2024年5月正式成立，將會是加速國產替代的新助力。

4.2" 引入新進技術

本土化外資企業(yè)外資技術，或者創(chuàng)辦內資主導外資技術的合資企業(yè)（不限于國內），加強國際合作，補齊產業(yè)短板。

4.3" 重視領軍人才

有資金投入，有政府支持的前提下，人才就顯得格外重要。

4.4" 高水平的對外開放

讓集成電路產業(yè)的企業(yè)、技術和設備在國內得到驗證后，可以順利走出去。市場不僅可以驗證技術，同時也可以從中獲得資金反哺技術。

4.5" 長遠的產業(yè)布局

深化人才培養(yǎng)和基礎研究，克服急功近利和形式主義。鼓勵高校、研究機構、重點實驗室和企業(yè)有效對接，把好的資源用在刀刃上。

5" 結束語

總之，逆全球化的大趨勢下，國產替代成為必由之路。由于半導體產業(yè)的發(fā)展特點，注定了這條路會任重道遠。我們既要肯定當前已經取得的成績，又要看到與國際巨頭之間的差距還很大。既不能好大喜功，又不要妄自菲薄，既要注重發(fā)力當下，又要考慮長遠規(guī)劃。發(fā)揮體制優(yōu)勢、基礎人才優(yōu)勢，群策群力，盡快補齊半導體產業(yè)短板，健全整個產業(yè)鏈，為整個電子信息工業(yè)奠定堅實基礎。

參考文獻：

[1] 李巍，李玙譯.解析美國的半導體產業(yè)霸權：產業(yè)權力的政治經濟學分析[J].外交評論（外交學院學報），2022，39（1）：22-58，5-6.

[2] 柳濱.半導體制造光刻機發(fā)展分析[J].電子工業(yè)專業(yè)設備，2023，52（5）：1-10，60.

[3] 崔衛(wèi)兵，崔有軍，霍軍軍，等.半導體測試機市場現(xiàn)狀調研及國產化發(fā)展前景分析[J].中國集成電路，2023，32（10）：25-28，51.

[4] 朱在穩(wěn).淺談半導體設備行業(yè)發(fā)展概況[J].廈門科技，2021（6）：10-14.

[5] 張元譯.半導體產業(yè)發(fā)展先進國家的扶持戰(zhàn)略和創(chuàng)新機理[J].管理科學，2021（23）：141-145.