中芯国际面对美国制裁，揭开半导体设备的国产化率有几多？ -

半导体设备制造的国产替代现在是什么情况？中芯国际作为芯片代工领域的国产替代被寄予了厚重的希望。梁孟松博士加大量资本的进入，的确让中芯国际的技术进步非常快，然后就引起了美国的注意，上了制裁的名单

可能大家对中芯国际的定位还是有一点疑惑，我们先来简单说一下中芯国际是干什么的？中芯国际属于芯片代工行业，是生产芯片的公司。那么芯片代工行业属于哪个大行业呢？属于半导体行业，按照自上而下的分类方法，半导体行业又可以大致分为EDA或IP、半导体设备制造和材料制造、IC设计、芯片代工和封装测试。

芯片代工位于整个产业链的中部，是非常非常非常重要的组成部分，大家可以理解为人的腰部。古人有云，这个人腰不好干啥事儿都不太好对吧？这个腰上的骨头就是设备，腰上的肉那就是材料。

咱们先说说骨头也就是设备材料。芯片的生产是一个非常非常复杂的事，涉及上千道工艺。如果按照设备类型来划分，大概是这样。

根据VLSI research的数据，2018年半导体设备制造市场约为502亿美元，其中刻蚀设备占30%，薄膜沉积设备占25%，光刻设备占23%，前道检测设备占13%，剩下还有抛光设备、离子注入设备、清洗设备和扩散设备。总结一下，粗分下来大概八大类设备。

这其中刻蚀、薄膜沉积和光刻被称为半导体制造的三大核心工艺。所以咱们主要讲讲这三个细分领域，其他的设备也会说一下，但可能不会特别详细。正所谓没有对比就没有伤害，每类设备我都会先把国外公司的情况进行说明，让大家知道一下咱们和国外的差距有多大？

我们先从刻蚀设备说起，按照工艺划分可以划分为干法刻蚀和湿法刻蚀，湿法刻蚀是用一些酸碱之类的化学药品洗掉硅表面材料，缺点是没法对线宽进行控制，所以用的场景越来越少。干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术，其中以等离子体干法刻蚀为主导，主要原理是利用等离子体放电产生带化学活性的粒子，在粒子的高速轰击下与硅体表面材料发生化学反应，产生可挥发的气体，从而在晶圆上加工出微观结构。

那么世界上刻蚀设备做的最好的公司是哪几家呢？是美国的泛林、应用材料和日本的TEL。2019年泛林一家占全球刻蚀设备市场份额达到52%，TEL20%，应用材料19%，三家合计91%。泛林在刻蚀这块强的没边儿，尤其是在存储器制造方面的刻蚀设备，那更是领先。

泛林的营收当中有70%是来自存储器领域，现在主流的存储器生产厂商，比如三星、海力士，包括长江存储都已经进入3D NAND技术节点。从刻蚀角度来说，主要难点包括硬掩膜版刻蚀，极高深宽比刻蚀和阶梯刻蚀，其中以极高深宽比刻蚀HAR最难。

泛林自家的Flex和kiyo设备是可以解决3D NAND阵地中的多项技术难点的，其他公司目前还不是很能够和泛林竞争。长江存储完成了41批招标中泛林在刻蚀设备中标占比达到53.26%。而位列第二位的则是中微半导体，甚至比应用材料还高。

中微半导体是国内刻蚀设备领域的龙头企业，技术还是相当不错的。中微的电容性CCP等离子体刻蚀设备已在台积电生产线核准。5纳米的若干关键步骤的加工，公司正在开发新一代的电容性等离子体刻蚀设备，可加工先进逻辑器件，包括大马士革工艺在内的各种刻蚀应用，能够涵盖5纳米及更先进工艺课时需求和更多关键应用。

公司的电容性等离子体介质刻蚀设备已应用于64层闪存器件的量产，正在开发新一代涵盖128层和更先进关键刻蚀应用的刻蚀设备和工艺。我稍微研究了下中微的专利情况，发现去年10月份中威申请了超深宽比刻蚀反应器的实用新型专利，关键是今年8月11日申请的超深宽比刻蚀反应器和测试方法的发明专利这个就厉害了。

我认为中微已经攻克了3D NAND刻蚀工艺中最难的一步极高深宽比刻蚀，估计明年就能见到新产品了。另外中微的MOCVD气相外延生长设备做得非常好，已经实现了国产替代，并且市占率一度超过60%。

我们再来看看薄膜沉积设备，沉积是半导体制造工艺中的一个非常重要的技术，其实一连串涉及原子的吸附，吸附原子在表面扩散，即在适当的位置下凝结，已渐渐形成薄膜并成长的过程。薄膜沉积工艺主要有原子层沉积（ALD）、物理式真空镀膜（PVD）、化学式真空镀膜（CVD）等。其中ALD又是属于CVD的一种，是目前最先进的薄膜沉积技术。CVD既使用金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等热分解、氢还原在高温下发生化学反应，以吸出金属氧化物、碳化物等材料。

PVD是将原子从原料靶材上溅射出来，利用物理过程实现物质转移、沉积形成导电电路。2020年的时候，整个薄膜沉积设备的市场规模大概在180亿美元左右。从各细分市场来看，在CVD设备市场中，应用材料全球占比约30%，加上泛林半导体的21%和TEL的19%，三大厂商占据了全球70%的市场份额。

在ALD设备市场中，ALD龙头TEL和ASM分别占据了31%和29%的市场份额，剩下的40%的市场份额由其他厂商划分。

在PVD设备市场中，应用材料则基本垄断了该市场，占比达到85%，处于绝对龙头的地位。发现没，和刻蚀设备一样，在薄膜沉积设备领域，应用材料、泛林、TEL仍旧处于非常领先的位置。这个ASM不是荷兰阿斯麦尔，这两个公司虽然都是荷兰的，但是ASM专注于LLD设备制造，阿斯麦尔是专注于光刻机的，这俩没啥关系。

目前在薄膜沉积领域，从存量设备角度来看，国产化率只有2%非常低。国内在做薄膜沉积的公司主要有两家，一家是北方华创，另一家是沈阳拓金。北方华创是国内在半导体设备领域布局最广的公司，一直以来对标的都是美国的应用材料。这两家公司的沉积设备目前已经进入14纳米制程的晶圆厂了，但是更先进制程的设备，比如7纳米和5纳米还都在研发当中。

同样的我稍微研究了一下这两家公司的专利情况，尤其是沉积领域的专利。我发现两家公司进入2020年以来都没太申请新的专利。2020年4月7日北方华创宣布其THEORISSN2D型12英寸氮化硅沉积设备已进入国内集成电路制造龙头企业。这套设备应用的技术肯定是2019年之前就开发完成的。2020年没有什么新技术积累下来，可能是受疫情的影响比较大吧。

终于到了大家最熟悉的光刻机环节了，不过说光刻机之前先明确一个小问题，光刻环节不光有光刻机，还有涂胶显影机，国内芯源微在做，但是体量比较小，就一笔带过吧。

光刻机的市场份额绝大部分在荷兰的ASML手里，而高端EUV光刻机的份额则全部都在ASML手里。大家最关心的肯定是国产光刻机做的怎么样对吧？

我从中国专利保护协会的官网上找到一篇叫做光刻机专利分析的文章，文章里面写到中国生产的光刻机分辨率已经达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。这种超分辨光刻装备制造的相关器件，已在中国航天科技集团公司第八研究所、电子科技大学、四川大学、华西医院、中科院微系统所等多家科研院所和高校的重大研究任务中得到应用。

那么问题来了，真的达到22纳米了吗？我顺着往下找了找，发现北斗三号的芯片是28纳米制程的，并且22纳米制程的新北斗芯片明年也会上市。按照官方的说法，北斗芯片是100%纯国产。作为一个严谨的人，我对整个光刻工艺涉及到的公司和研究所都进行了一个挖掘。然后我在中科院光电技术研究所的专利列表里面，发现了一个叫一种实现10纳米及以下分辨率的超分辨光刻工艺方法的专利。

大概是这样的，按照这个逻辑实现22纳米制程的确没啥问题，但这只是个方法。那设备呢我不知道，上海微电子最近没啥消息，不用说EUV了，连DUV都一点消息都没有，所以我对国内光刻机的水平持怀疑态度。

说到EUV光刻机，我又去挖了一下其他科研所的专利，也有一些新的发现和大家分享一下。比如上海光机所2020年4月申请的专利，一种基于等离子体约束的LPPEUV为光源系统，ASML的EUV光刻机用的也是LPPEUV光源系统。

那么问题来了，激光器是哪家的呢？于是我又去找了找专利，发现长春光机所在去年9月的时候申请了一个叫一种超高重频窄脉宽二氧化碳激光器的专利。很巧的是ASML的光刻机用的也是二氧化碳激光器。不仅如此长春光机所在今年3月份还申请了2个关于离轴非球面反射镜制备方法的专利。

众所周知EUV光刻机要用的也是离轴光学系统，但是如果对比卡尔蔡司在EUV方面的专利，长光所和上广所差距还是非常大的。另外除了EUV光刻机，EUV光刻胶差距也非常大。这里就不展开说了。

简单总结一下我国在刻蚀设备领域追赶速度比较快，中微技术比较先进，沉积设备领域已有布局，但目前进度并不算快，还需努力。光刻机领域还是需要继续耐心等待。剩下的五类设备前道检测、抛光、离子注入、清洗和扩散，国内都有公司在做。

简单的说一下，前道检测设备领域是美国KLA的天下，一家份额可以达到55%左右。国内有上海睿励、中科飞测、上海精测和赛腾股份在做，中科飞测比较惹人注意，因为有中科院背景，并且华为也有入股这家公司。

抛光设备领域，美国应用材料当属第一，国内的华海清科做的不错，拥有300项专利，技术进步比较快。离子注入领域还是美国应用材料的天下，国内有中科信和凯世通在做，这两家公司还有一堆科研院所一起研发的低能大束流离子注入机，获得北京科技进步一等奖。中科信背后是中电科，技术实力还是有保证的。清洗设备领域，日本的DNS是绝对冷龙头，市占率超过50%。国内做得最好的是盛美科技，有自家的核心技术。扩散领域还是美国应用材料说了算，国内也有北方华创在做。正儿八经的说国产半导体设备产业链是2008年之后才开始发展起来的。没错就是那个传说中的02专项，以上提到的所有国产半导体领域公司，几乎都是02专项的承担者，满打满算到今天2020年，发展也不过12年。

东电电子TEL成立于1963年，美国应用材料成立于1967年，KLA成立于1975年，泛林成立于1980年，TEL深耕这个领域57年，相对年轻的泛林也发展了40年，这些公司见证了半导体行业的发展，也吃到了几乎每一波的技术红利。2010年开始，移动互联网红利时代来临，中国的设备厂也赶上了这一波浪潮，技术从无到有，进步神速，有差距不要紧，盯紧了努力追赶比什么都重要。

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