半導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入原子級(jí)加工水平，在這個(gè)精度上進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造，需要集合50多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與技術(shù)。而且，加工精度只是一個(gè)維度，良率對(duì)半導(dǎo)體制造生死攸關(guān)，因此均勻性、穩(wěn)定性、重復(fù)性、可靠性和潔凈性都很重要，先進(jìn)半導(dǎo)體加工環(huán)節(jié)超過1000個(gè)，哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，都難以制造出符合產(chǎn)品性能與良率要求的芯片。

文︱羅藝

圖︱網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)SEMI的統(tǒng)計(jì)，2020年中國大陸首次成為全球最大半導(dǎo)體設(shè)備區(qū)域市場，銷售額年增39％，達(dá)到187．2億美元；中國臺(tái)灣排名第二，2020年設(shè)備商在臺(tái)灣地區(qū)銷售額達(dá)到171．5億美元；韓國排名第三，銷售額年增61％至160．8億美元；日本排名第四，銷售額也有75．8億美元。東亞地區(qū)成為全球半導(dǎo)體軍備競賽高地，2020年合計(jì)砸出595．3億美元，占當(dāng)年全球半導(dǎo)體設(shè)備支出總額（712億美元）比例高達(dá)83．6％。

由于地緣政治對(duì)于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈影響加劇，2021年各區(qū)域市場對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)能投資競爭白熱化。臺(tái)積電和三星均將2021年在半導(dǎo)體上的資本支出計(jì)劃調(diào)至300億美元以上，兩家在先進(jìn)工藝量產(chǎn)進(jìn)度上拼死相爭，都預(yù)計(jì)2022年量產(chǎn)3納米工藝，而在美國政府召喚下，臺(tái)積電和三星也將赴美設(shè)廠。毫無疑問，2021年又將是半導(dǎo)體設(shè)備廠商的一個(gè)豐收年，而中國大陸由于受到相關(guān)限制，無法購買高端EUV光刻機(jī)等設(shè)備，恐難守住最大設(shè)備市場寶座。

在臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院（以下簡稱臺(tái)灣工研院）看來，不同區(qū)域市場對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)不同：作為全球最大半導(dǎo)體應(yīng)用市場，中國大陸在供應(yīng)鏈安全受到威脅的背景下，無疑更希望加快技術(shù)追趕，以緩解在制造、設(shè)備與材料等關(guān)鍵環(huán)節(jié)受控于人的現(xiàn)狀；而美國作為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主導(dǎo)者，將繼續(xù)加強(qiáng)高端芯片制造設(shè)備對(duì)中國大陸的出口管制，美國也將出臺(tái)新政以應(yīng)對(duì)近年來美國晶圓制造能力下降的局面；作為全球晶圓制造密度最高的兩個(gè)地區(qū)，中國臺(tái)灣與韓國將有希望繼續(xù)引領(lǐng)晶圓制造工藝發(fā)展趨勢，這兩個(gè)區(qū)域也將借助強(qiáng)大的制造能力，改善上游的材料與設(shè)備自主狀況。

先進(jìn)工藝發(fā)展方向

在28納米之后，平面晶體管工藝達(dá)到極限，F(xiàn)inFET（鰭式晶體管）延續(xù)了摩爾定律，將工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到現(xiàn)在的10納米以下。不過FinFET路線也已經(jīng)接近極限，三星將在3納米工藝上率先采用GAA（全環(huán)繞柵極）結(jié)構(gòu)，臺(tái)積電則在3納米節(jié)點(diǎn)繼續(xù)FinFET結(jié)構(gòu)，到2納米節(jié)點(diǎn)再采用GAA結(jié)構(gòu)。臺(tái)灣工研院認(rèn)為，英特爾在晶圓制造上遇到了麻煩，7納米工藝（注：三家對(duì)工藝尺寸定義各有區(qū)別，不適合直接拿數(shù)字對(duì)比）或?qū)⒀又?023年才能量產(chǎn)，預(yù)計(jì)英特爾在5納米節(jié)點(diǎn)也將改為GAA架構(gòu)。

資料來源：臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

GAA 全稱 Gate－All－Around ，是一種環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管，也叫做 GAAFET。其概念提出很早，比利時(shí) IMEC Cor Claeys 博士及其研究團(tuán)隊(duì)于 1990 年發(fā)表文章中提出。GAAFET 相當(dāng)于 3D FinFET 的改良版，這項(xiàng)技術(shù)下的晶體管結(jié)構(gòu)又變了，柵極和漏極不再是鰭片的樣子，而是變成了一根根 “小棍子”，垂直穿過柵極，這樣，柵極就能實(shí)現(xiàn)對(duì)源極、漏極的四面包裹。

資料來源：臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

對(duì)比FinFET，原來源極漏極半導(dǎo)體是鰭片（Fin），而現(xiàn)在柵極變成了鰭片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在實(shí)現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方——這對(duì)晶圓廠而言是很大優(yōu)勢。從三接觸面到四接觸面，并且還被拆分成好幾個(gè)四接觸面，顯然柵極對(duì)電流的控制力又進(jìn)一步提高了。

相比FinFET工藝，GAA結(jié)構(gòu)具備更大的柵極接觸面積，從而提升了晶體管對(duì)導(dǎo)電通道的控制能力，并顯著改善電容等寄生參數(shù)，因而可以降低工作電壓，減少漏電流，降低功耗與工作溫度，從而有利于提高集成度，以繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。

由于新的結(jié)構(gòu)所需的生產(chǎn)工藝與鰭式晶體管相似，關(guān)鍵工藝步驟幾乎一樣，可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的設(shè)備以及技術(shù)成果，對(duì)臺(tái)積電和三星而言，這無疑是代價(jià)最低的技術(shù)路線更換方案。但GAA對(duì)加工精度要求進(jìn)一步提高，需要區(qū)域選擇性沉積技術(shù)與原子級(jí)加工能力，因而材料工程重要性提升，也將帶動(dòng)更多沉積與蝕刻設(shè)備商機(jī)。

五巨頭把控的半導(dǎo)體前道設(shè)備市場

雖然2020年全球超過8成設(shè)備銷往東亞地區(qū)，但除了日本，中（大陸加臺(tái)灣）韓在設(shè)備業(yè)上影響力都不大。全球前五大半導(dǎo)體前道（即晶圓制造，封裝為后道）設(shè)備廠商應(yīng)用材料（AMAT）、阿斯麥（ASML）、泛林（Lam）、東京電子（TEL）和科磊（KLA）占據(jù)市場份額超過七成，其中只有東京電子總部在東亞，其余都是美歐企業(yè)。

資料來源：臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

具體來看，應(yīng)用材料排名第一。其2020年?duì)I收172億美元，其中半導(dǎo)體業(yè)務(wù)約占7成。應(yīng)用材料在半導(dǎo)體設(shè)備上布局極廣，其中PVD（薄膜沉積）設(shè)備全球占比38％，CMP（研磨拋光）設(shè)備占比70％，蝕刻設(shè)備占比15％，離子注入機(jī)占比67％。

阿斯麥排名第二，2020年?duì)I收139．8億歐元。阿斯麥?zhǔn)枪饪虣C(jī)大廠，在EUV（極紫外光）光刻機(jī)上更是目前全球唯一的供應(yīng)商，得益于臺(tái)積電、三星和英特爾對(duì)先進(jìn)工藝的追求，2020年阿斯麥銷售31臺(tái)EUV光刻機(jī)，共計(jì)45億歐元，僅這31臺(tái)EUV光刻機(jī)就占其總營收32％。當(dāng)前，ASML正聯(lián)合供應(yīng)鏈伙伴共同研發(fā)以推進(jìn)更精細(xì)光刻加工技術(shù)，例如2020年推出多條電子束檢測掃描系統(tǒng)，并將電子束與電子束之間的干擾限制在了2％以下，適用于5納米節(jié)點(diǎn)以上的制程。阿斯麥還與泛林和imec合作開發(fā)干光刻膠技術(shù)，以提升EUV解析度，并減少光刻膠用量。并聯(lián)合Lasertec研發(fā)新一代EUV光罩檢測技術(shù)以降低成本，與臺(tái)積電合作開發(fā)新一代EUV光罩潔凈技術(shù)以降低成本。