中國集成電路裝備產業現狀和挑戰

來自專欄 集成電路製造工藝

1. 前言

集成電路裝備研發周期長，投資額大且風險高，對本土企業存在著很高的進入門檻。集成電路裝備一直是中國集成電路產業發展的瓶頸和短板。中國集成電路產業要實現從跟蹤走向引領的跨越，裝備產業將是重要環節。集成電路裝備國產化將大幅降低中國晶元製造商的投資成本，提高中國晶元製造競爭力。因此，發展國產集成電路裝備具有重要戰略意義。

自2015年起，中國集成電路產業掀起發展新高潮，在建、新建晶圓廠項目投資額近萬億元，其中大量的資金將投向裝備購買，比如薄膜沉積裝備、光刻機、刻蝕機、清洗機、離子注入等，並將帶動後道封測裝備的投入。中國集成電路產業投資熱潮將在2018年顯現，晶圓廠的擴張給國產裝備發展帶來難得機遇。在這樣的情況下，國產裝備更易進入晶圓廠、封測廠進行驗證，具有更大的被採購機會。龐大的市場需求正是國產裝備製造業發展的良好契機，如果錯過這個機遇，國產裝備的發展就會愈發困難。

隨著特徵尺寸不斷縮小，新結構、新材料不斷被應用，新技術層出不窮。每一代技術的發展依賴於一代工藝，而一代工藝依賴一代設備來實現。集成電路產業的發展依賴於裝備的不斷更新換代，裝備是推動產業技術創新的引擎。

2. 全球半導體裝備市場概況

近10年，全球半導體設備投資規模保持在300-400億美元，預計2018年達到500億美元規模。

SEMI預計，2017年年全球晶圓廠裝備支出將超過460億美元，年成長約15%，創下歷年新高。2017年全球最大半導體裝備市場將由韓國奪下，其採購的半導體裝備價值將達195億美元，比2016年大幅成長130%。韓國半導體裝備採購金額暴增，主要與三星(Samsung)大舉投資新的存儲器產能有關。另一方面，中國大陸半導體裝備採購金額有望在2018年超越中國台灣，以125億美元位居世界第二。據SEMI預估，2018年包含中國大陸、美國、日本、歐洲、中東等地的半導體裝備市場，都將出現兩位數百分率以上的成長，至於其他地區，成長率則不到10%。

此外， SEMI也預估2018年的支出金額將上看500億美元，年成長逾8%，將持續創下新高紀錄，且可望從2016年至2018年呈現連續三年皆成長的趨勢，這也是自1990年代中期以來首見的投資熱況。

3. 國產集成電路裝備的現狀和布局

中國集成電路行業要想實現從跟隨到引領的跨越，裝備產業的成長是重要環節之一。但是集成電路裝備行業卻存在技術難度大，進入門檻高的特點。2016年，中國大陸地區集成電路設備支出已經佔到全球16%，而國產設備在全球集成電路供貨佔比僅佔0.54%。到目前為止，中國集成電路裝備領域仍然存在著國產化率較低的問題。

在極大規模集成電路製造裝備及成套工藝專項(簡稱「集成電路專項」)以及其他國家相關產業政策的推動下，近年來我國集成電路裝備產業取得較快進步，部分關鍵裝備從無到有，實現了與國際先進技術水平的同步發展。同時，部分國產裝備進入大生產線，在產業化進程上取得突破。2016年中國半導體裝備五強企業為，中電科電子裝備集團有限公司、北京北方華創微電子裝備有限公司、中微半導體設備（上海）有限公司、上海微電子裝備（集團）股份有限公司、瀋陽拓荊科技有限公司。在此情況下，如何讓產品在推向市場的過程中獲得合理的利潤，以利持續發展，成為國產裝備廠商關注的重點。

目前中國集成電路裝備已經取得從0到1的突破，但是想要實現從跟隨到引領的跨越需要一個長期的進程。儘管存在挑戰，經過多年來的不斷培育，特別是在國家「02專項」等政策的扶持下，國產半導體裝備產業還是取得了一定進步。日前，科技部會同北京市和上海市人民政府組織召開了國家科技重大專項「極大規模集成電路製造裝備及成套工藝」成果發布會。在過去的九年里，集成電路專項對中國半導體裝備產業整體布局，既有全面填空，又有重點突破。

北方華創通過近九年的科技攻關，完成了刻蝕機、磁控濺射、氧化爐、低壓化學氣相沉積、清洗機、原子層沉積等集成電路裝備90/55/40/28納米工藝驗證，實現了產業化。公司的刻蝕機、PVD、退火等三大類集成電路裝備進入14納米工藝驗證階段，首次實現與國外裝備同步驗證。在集成電路專項的支持下，12英寸集成電路裝備實現從無到有，並實現批量銷售，成為公司的主要收入來源之一。中微半導體先後承擔並圓滿完成65～45納米、32～22納米、22～14納米等三項等離子介質刻蝕裝備產品研製和產業化的集成電路專項任務，使我國在該項裝備領域中的技術基本保持了與國際先進水平同步。中微半導體已經有460多個介質刻蝕反應台在海內外27條生產線上高質穩定地生產了4000多萬片晶圓。

在關鍵裝備和材料方面，我國實現了從無到有的跨越，大部分產品水平達到28納米，部分產品進入14納米，被國外生產線採用;國產裝備驗證和應用整體累積流片突破150萬片，銷售數量超過265台。從工藝分布上看，國產裝備橫跨了12英寸集成電路生產線90～14納米各個技術節點的關鍵性工藝大類，並基本達到與國內14nm先進工藝研發同步進行驗證。

4. 國產裝備的機遇和挑戰

大陸半導體產業正面臨著前所未有的發展機遇，國家戰略聚焦，巨大市場支撐，產業鏈良性互動，產業資本日漸發力，大陸集成電路裝備產業也可謂適逢「天時、地利、人和」。隨著「中國製造2025」、「國家大數據戰略」等重大戰略實施，和集成電路產業發展基金、先進位造產業投資基金的落地實施，中國大陸半導體產業將會出現新一輪快速增長，未來5~10年是產業實現快速增長的黃金期。2015-2020年全球/中國集成電路產業市場規模如圖3所示。

《中國製造2025》對於半導體裝備國產化提出了明確要求：在2020年之前，90～32納米工藝裝備國產化率達到50%，實現90納米光刻機國產化，封測關鍵裝備國產化率達到50%。在2025年之前，20～14納米工藝裝備國產化率達到30%，實現浸沒式光刻機國產化。在產業化進程取得一定突破的情況下，如何讓發展來之不易的國產半導體裝備業得到持續發展，逐漸成為國產裝備業關注的重點。

中國國內已經形成完備的半導體裝備產業，在封測和 LED 裝備領域，中國產替代化比例逐漸升高;但在技術要求苛刻的晶圓製造領域，目前還主要依賴進口裝備。高端製造裝備的乏力與中國高速增長的市場需求不相匹配，2015年中國半導體裝備市場需求約49 億美元，佔全球市場

實現國產裝備突破的的難點除專利、人力資源外，還要面臨如何驗證機台的性能和實現量產業績的難題。

當下，全球裝備業通過兼并、淘汰，在每個細分市場中僅剩下1～2家、至多3～4家企業，競爭十分激烈。半導體裝備市場已日趨專業化和全球化，全球半集成電路裝備由寡頭壟斷已久的局面仍未改變。反觀國內廠商則是技術分散，尚未形成集聚效應：例如在薄膜沉積裝備方面，中國有北方華創、中微半導體、拓荊、理想、中科院瀋陽科學儀器研製中心等企業和研究所進行相關技術開發，表面上看，各企業多點開花，實際情況則面臨技術分散，大家都只顧做自己的，技術彼此屏蔽，最終有可能變成惡性競爭態勢。目前，中國半導體裝備行業已有購併重組相關動作，預計後期的步伐會逐漸加快。在中國政策與資金等多方面資源的強力支持下，中國產半導體裝備將繼續挑戰提升在中國及國際市場的滲透率。

中國集成電路設備的關鍵零部件受制於人，以光刻機為例，光刻機中的核心鏡頭部件主要來源於日本的NIKON、德國的Zessi。一直以來，美國等發達國家對中國高端技術的引進都保持封鎖態度，中國等非盟國團體雖然可以購買設備和技術，但最先進的技術設備都會被列入禁運名單，一般只會允許落後兩代左右的技術登陸，核心技術及關鍵零部件進口難度可想而知。集成電路裝備業的發展，相關材料、控制、精密機械、光學設計等都需要配套規劃，必須要加強裝備零部件國內供應鏈的培養。

另外，上世紀80年代末期開始，半導體裝備企業開始把工藝能力整合在裝備中，讓用戶買到裝備就能保證使用，並且達到工藝要求。一台裝備從研發、樣機開始，必須經過大量矽片通過等工藝試驗，才能發現問題，並進行改型。這樣的過程要重複多次，改型多次後才能最後定型。出廠前還要經過馬拉松試驗，測算平均無故障時間等。因此，如何驗證機台的性能、量產實績，增強客戶的信心程度，這對實力尚弱的國產裝備廠商來說，也是一個巨大的挑戰。

5. 小結

面臨難得的產業發展機遇，實現集成電路裝備國產化需要產業鏈各環節以及大環境的配合。一方面應加強裝備零部件國內供應鏈的培養，另一方面產業鏈需要配合創立一個適合後來者生存的發展環境。要有鼓勵裝備使用方（包括我國大陸的外資廠商）採購國產裝備的有效措施的落地。只有從根本上提升了裝備使用者使用國產裝備的積極性和決心，才能有效推進半導體裝備國產化目標的全面達成。