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集成電路產業是“中國製造 2025”中關鍵的產業，自 2014 年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈和“大基金”成立以來，國內半導體產業發展如火如荼，全國各地掀起了晶圓廠建設潮。
集成電路的製造離不開晶圓廠，而晶圓廠的投產離不開半導體設備和材料。中美貿易摩擦和中興事件的發生，對我們國家的產業安全敲響了警鐘，因此，有必要對美國的半導體設備的優勢和可替代性進行探討。
設備市場三強爭霸，美國強在PVD等
縱觀全球半導體設備市場，美日荷爭霸， 高度壟斷， 強者恆強。
半導體設備是一個擁有極高技術壁壘的行業，目前主要被美國、日本和荷蘭的巨頭壟斷，他們起步較早，伴隨著整個半導體產業一起成長，相應產品也已經成為事實上的行業標準，其他設備公司無論資金、技術、研發能力、市場地位等各個方面，都與排名靠前的國際巨頭差距較大，因此，整個行業呈現高度壟斷、強者恆強的局面。
晶圓處理設備佔整個半導體設備市場超過 80%的份額， 2016 年晶圓處理設備前 10 強排名中，美國佔據了 3 家，日本佔據了 5 家，荷蘭佔據了 2 家。前 10 名的市場份額合計達到了 78.6%。
排名前 10 的公司中， 美國公司雖然數量上比日本公司少，但全部進入了前 5 名，總營收比日本公司高較多。全球半導體設備市場，美國、日本和荷蘭三強爭霸，其中，美國最強，日本其次， 而荷蘭的光刻和後道封裝設備最強。
圖：2016 全球晶圓處理設備供應商排名
半導體產業的產業鏈較長，涉及的設備較多，相互之間的技術差異較大，沒有公司能夠生產所有的半導體設備，均是有所側重。
圖：集成電路生產工藝較複雜、工序很多， 涉及的半導體設備種類數量較多
美國半導體設備公司的主要優勢在於物理氣相沉積設備 PVD、檢測設備、離子注入機和化學機械拋光設備 CMP 等半導體制造中的核心設備。
化學氣相沉積 CVD、刻蝕設備等也具有較強的優勢， 而光刻機、氧化、退火、去膠等其他設備，日本和荷蘭公司有較大優勢，或並不弱於美國公司。在刻蝕、氧化爐管、清洗等少部分設備領域，中國公司也有所突破，但與國外公司相比，仍然差距較大。
美國半導體設備的可替代性探討
通過權威統計機構的統計數據，結合一系列的產業調研，我們對美國半導體設備的可替代性進行了梳理。
1.氧化擴散設備：日本產品佔絕大部分份額
氧化、爐管設備技術難度稍低，日本日立、東京電子和荷蘭 ASM 較強，佔據了絕大部分的市場份額，因此無需擔憂缺少美國設備。
國產設備中，北方華創的氧化爐在 8 寸設備中可實現國產替代， 65/45nm 等工藝可實現部分國產替代，工藝達到了 28nm。美國應用材料公司擁有 50%的市佔率，但日本東京電子、日本迪恩士等也擁有較強的實力。
圖：熱處理退火設備 RTP 美國應用材料最強
此外， 亦莊國投 2015 年收購自美國的半導體設備公司 Mattson 最新研發的 12 寸退火設備可對晶圓兩面的溫度分別進行控制，在國際上也具有技術領先性，目前正在推廣，有望實現國產替代。
2.化學表面沉積設備 CVD：美國日本均較強
美國應用材料、日本東京電子和美國 Lam 在 CVD 設備方面的實力均較強。 CVD 設備的種類較多，包括 LPCVD、 PECVD 等多種 CVD 設備， 日本東京電子的 CVD、 ALD設備，均能夠實現對美國的 CVD 設備的替代。
國產CVD設備中北方華創和瀋陽拓荊做得最好，北方華創長於LPCVD 和ALD，而瀋陽拓荊長於 PECVD。在 65/45nm/等節點上能實現部分國產替代，達到量產的工藝為28nm，14nm也正在驗證。此外，用於LED領域的MOCVD，中微半導體在國內藍光LED領域，已經做到了市場份額第一，完全實現了進口替代。
3.物理氣相沉積設備 PVD：美國佔據壟斷
美國應用材料公司的 PVD 設備最強，佔據 84.9%的市場份額，處於壟斷地位，國外產品的可替代性相對較弱。
國產 PVD 設備中北方華創進展最快，在 65/45nm 等節點上能實現部分國產替代， 28nmPVD 設備成為了中芯國際的 baseline 產品， 14nm 設備正在驗證。 此外，北方華創的PVD 產品進入了長江存儲產線。
4.塗膠顯影設備：美國較弱，東京電子壟斷
塗膠顯影設備中，日本的東京電子佔有約 87%的市場份額， 實力最強， 處於壟斷狀態，無需擔心缺少美國設備。
國產塗膠顯示設備中， 瀋陽芯源做得最好，產品涵蓋 2 寸、 4 寸、 6 寸、 8 寸和 12 寸晶圓的勻膠和顯影， 12 寸晶圓的產品能夠滿足 90nm 工藝的勻膠顯影工藝， 65nm 產品正在研發，與國外設備相比還具有較大差距。
5.去膠設備：美國較弱，國產 Mattson 較強
去膠是在刻蝕過後，把晶圓表面剩餘的光刻機去除， 工藝分為幹法去膠和溼法去膠。溼法去膠是使用化學試劑與光刻機發生反應從而達到去膠目的，而幹法去膠類似於刻蝕，使用等離子體將光刻機剝除。
Mattson 主攻幹法去膠，具有國際領先的設備、技術和市場份額，產品分佈在國內國外眾多晶圓廠，可以完全實現進口替代。
6.光刻機：以荷蘭和日本產品為主流
光刻機中， 荷蘭的 ASML 無疑是最強的，美國沒有具有競爭力的產品，美國的幾大設備公司也均不做光刻機。 在目前最先進的晶圓製造工藝中如 7/10/14nm 等領域，只有ASML 能做， 而在22/45/65/90/130/180nm 等領域，除 ASML 外，尼康和佳能的設備應用也較多。 目前佳能已放棄新一代光刻機研發， 幾乎已經退出光刻機市場。 尼康在 22nm以上的非最先進的工藝中，具有較高的性價比。
國產光刻機中最為領先的是上海微電子裝備， 最新的產品達到了 90nm 工藝，但距離進入量產線還有一定距離。 在後道的封裝階段，也需要做光刻和刻蝕，但線寬要求為微米級別， 上海微電子裝備的光刻機，在後道封裝階段應用較廣，實現了國產替代。
7.檢測設備：美國最強，較難替代
半導體的檢測存在於半導體制造的各個工藝流程中，是工藝控制必不可缺的流程。半導體的檢測包括膜厚檢測、線寬檢測、電阻檢測、光罩檢測等細分領域，每一個領域都有其對應的檢測設備。
美國 KLA-Tencor 公司在整個半導體檢測領域擁有超過一半的市佔率，在所有的細分檢測領域都擁有較高市佔率，在部分細分檢測領域處於壟斷地位。 所以，其他國家的檢測設備對美國 KLA-Tencor 的產品能夠實現部分替代，但完全替代能力較弱。
國產設備中，睿勵科學儀器最強， 技術領軍人物為海歸“千人計劃”專家， 擁有 12 寸晶圓全自動光學膜厚檢測系統和關鍵尺寸、形貌檢測系統等產品，並進入了西安三星的量產線， 但半導體檢測的細分領域較多，要在所有領域實現國產替代仍有很長路要走。
8.刻蝕設備：美國最強，日本幹法刻蝕較強
刻蝕設備按刻蝕對象分可分為硅刻蝕、介質刻蝕、金屬刻蝕等， 並且，每一種刻蝕中還可以按刻蝕材料不同而細分，如氧化物刻蝕、氮化物刻蝕、多晶硅刻蝕等。
按工作原理不同，刻蝕設備又可分為溼法刻蝕和幹法刻蝕，溼法刻蝕使用化學藥液進行刻蝕，幹法刻蝕使用等離子氣體進行刻蝕。在目前的先進工藝如 7/10/14nm 工藝中，幹法刻蝕佔據了主導。
幹法刻蝕又可分為電感耦合等離子刻蝕（ICP）和電容耦合（CCP）刻蝕設備，CCP 主要做介質刻蝕，ICP 既可做介質刻蝕又可做硅刻蝕。
刻蝕設備中最強的無疑是美國，Lam 的市場佔有率在 50%以上，第二是日本東京電子，第三是應用材料，其次還有日本日立。東京電子的刻蝕技術實力也較強，在幹法刻蝕領域能夠對 Lam 在一定程度上實現替代。
國產刻蝕設備中，中微半導體走在最前面。 中微半導體的介質刻蝕刻蝕最強， 達到了7nm 工藝； 14nm 以下的硅刻蝕也已經有了相關產品；而金屬刻蝕和用於後道封裝中的硅通孔設備則已經實現國產替代。
臺積電 7nm 產線刻蝕設備選擇了 5 家供應商，包括 Lam、應用材料、東京電子、日立和中微， 中微是其中唯一一家國產設備公司。能夠通過臺積電的嚴格的驗證，進入其產線，本身即代表了一種突破。
但同時也要客觀地看到， 臺積電 7nm 工藝裡，有幾十道刻蝕工序，最前面幾道工序是對刻蝕指標要求最高的， 採用的仍然是國外的刻蝕設備，所以距離國際最頂尖的刻蝕設備，國產替代仍還需要追趕。
9.設備：日本領先，國產有一定競爭力
在半導體制造的每一道工序之後，都會在晶圓表面殘留微小顆粒， 因此，幾乎每一道工序之後，都需要採用清洗設備對晶圓表面進行清洗。隨著工藝的越來越先進，清洗的步驟數和量越來越大，對清洗設備的需求也越來越大。
清洗設備分為單片式清洗和槽式清洗。槽式清洗為多片晶圓同時進入清洗槽進行清洗，清洗的效率較高。單片式清洗為每一片晶圓單獨進入清洗腔中進行清洗。隨著工藝越來越先進，工序數越來越多，所以清洗的步驟和次數也越來越大，清洗液的種類也越來越多。
槽式清洗設備的清洗槽較大，每一個清洗槽中只能放入一種清洗液，如果先進工藝中採用槽式清洗，則會使用很多槽， 佔用很大的面積。單片式清洗設備的清洗腔較小，一臺設備中有較多的腔體，可以根據需要靈活地配置清洗液，因此，在先進工藝中，單片式清洗逐漸成為了主流。
清洗設備中，日本公司佔據了主導，市場佔有率最高的是日本迪恩士，其次是日本東京電子和美國 Lam。因此，美國的清洗設備可以完全被替代。
國產設備中， 盛美半導體技術實力較強，主攻單片式清洗設備， 並獨創了兆聲波清洗技術，技術實力達到了 14nm， 已經開始了和迪恩士、東京電子、 Lam 等的正面競爭， 設備批量進入了國內多家晶圓廠產線，如華力微電子、無錫海力士等，並出口到韓國海力士， 在較大一部分的清洗工序中可以實現國產替代。北方華創成功收購美國 Akrion， 在槽式清洗領域可以實現國產替代。
10.離子注入設備：美國壟斷，替代難度較大
離子注入設備分為大束流、中束流和高能量離子注入機，一條 NAND Flash 產線上，約有 37 臺離子注入機，其中 10 臺高能量， 20 臺大束流， 7 臺中束流；一條 DRAM 產線上，約需要 55 臺離子注入機，其中 3 臺高能量， 40 臺大束流， 12 臺中束流；一條 Logic產線上，約需要 30-40 臺離子注入機，其中約 25-30 臺大束流， 5-10 臺中束流。
離子注入設備幾乎被美國壟斷，美國的應用材料公司擁有 73%的市場佔有率，美國亞舍立科技擁有約 17%的市場份額。日本的住友重機械也有離子注入產品，生產工藝節點為20-22nm。
國產設備中，北京中科信和中電四十八所均有離子注入機產品。中電四十八所的離子注入機可用於 4 寸或 6 寸晶圓分立器件或功率器件的製造。北京中科信高能量、 大束流和中束流離子注入機中均佈局較為完整， 擁有 12 寸晶圓產品， 45-22nm 低能大束流離子注入機研發和產業化項目通過了驗收， 但距離國外的產品仍有較大差距。
11.化學機械拋光設備 CMP：美國最強，日本其次
CMP 設備依然是美國應用材料一家獨大，擁有全球 66%的市場份額。日本東京 Ebara擁有 12 寸晶圓 10-20nm 級 CMP 設備，能在一定程度上實現對美國的替代。
國產設備中，華海清科正在攻堅 12 寸晶圓 28-14nm 工藝 CMP 設備，在 8 寸與 6 寸晶圓中，也有相應產品。中電科 45 所在 2015 年研製出 8 寸晶圓 CMP 並進入中芯國際天津廠驗證，填補了國產設備產線驗證的空白。
盛美半導體的 CMP 設備主要用於後段封裝的 65-45nm 銅互聯工藝。 杭州眾硅是新成立的一家公司，由中電科 45 所中的 CMP技術專家創業建立。總的來看，與應用材料等國際先進水平仍然有較大差距。
12.測試機：美國可被完全替代
測試設備包括測試機、探針臺和分選機。測試機主要包括美國泰瑞達、日本愛德萬和美國 Xcerra，其中美國泰瑞達佔約一半市場份額，泰瑞達與愛德萬合佔約 90%市場份額。泰瑞達與愛德萬的測試機互有優劣勢，泰瑞達強在 SOC 測試和 RF 測試，而愛德萬在數字信號測試和 Memory 測試方面佔據優勢。 總的來看，愛德萬可以完全替代泰瑞達。
國產設備中，測試機方面，北京華峰和長川科技在低端分立器件測試機方面憑成本優勢實現了國產替代，在中端的模擬器件、混合信號測試方面，有一定的競爭力。高端 SOC測試機、 Memory 測試機和 RF 測試機等，國內目前還缺少相關產品。
13.探針臺：日本產品佔據絕大部分市場
探針臺分全自動、半自動和手動探針臺， 日本東京精密和東京電子合佔約 90%左右市場份額，美國幾乎沒有相關產品。
國產品牌中，深圳矽電有 12 寸晶圓全自動探針臺產品，中電 45 所有 8 英寸探針臺產品，但在實際量產中，仍是以日本的產品為主，國內產品與國外產品之間在穩定性、精度方面仍有差距。
14.分選機：美國領先，但可被替代
分選機份額最大的是美國 Cohu，佔約 40%市場份額，美國 Cohu 的分選機包括平移式、中立下滑是、線式和轉塔式，佈局全面，而且高低溫的控制技術全球領先，對於汽車芯片等對溫度控制要求很高的測試， Cohu 的分選機有較大優勢。
日本的 Epson 在平移式分選機中有一定份額。日本愛德萬利用在 Memory 測試機方面的優勢，將 Memory 測試的分選機搭配銷售，因此在 Memory 分選機中佔據領先。
臺灣鴻勁和長川科技的分選機，憑藉成本優勢，已經成為國內主流。在平移式分選機方面，臺灣鴻勁佔據約一半以上份額，長川科技正在追趕。重力下滑式分選機，長川科技的產品也有較大份額。在分選機方面，目前國外產品基本只做可以控制高低溫的高端產品，中低端產品無法在價格上與國產品牌競爭。
美國設備很強，但沒有我們也不會停擺
通過以上分析， 對於美國半導體設備的可替代性， 可分為三類：較難替代、可部分替代、可完全替代。
替代的難易程度，其實也正是由美國公司的技術和相應產品在全球市場上的地位決定的。 PVD、檢測、離子注入和 CMP 設備，美國公司技術領先，產品佔據近乎壟斷的領先地位，其他國家的產品較難在短期內替代美國產品，因此應重點發展。
而熱處理設備、CVD、刻蝕、分選機，其他國家的產品可實現一定程度上的替代，美國公司技術領先，但領先優勢不明顯， 市場存在競爭，如刻蝕設備 Lam 與東京電子存在競爭， CVD 設備應用材料與東京電子存在競爭。
而氧化擴散設備、塗膠顯影、去膠、光刻機、清洗、測試機、探針臺等設備，其他國家的產品不輸於甚至優於美國公司的產品， 或者美國幾乎沒有相關產品，可實現對美國產品的完全替代。
圖：晶圓處理設備佔整個半導體設備約 80%份額
美國半導體設備最大的優勢為晶圓處理中的 PVD、檢測、 離子注入設備和 CMP 設備，刻蝕設備和 CVD 設備也處於較領先地位。半導體設備中，晶圓處理設備佔超過 80%的份額， 晶圓處理設備中，刻蝕、 CVD、 CMP、檢測設備也佔據了較大份額。
圖：晶圓處理設備的市場份額中，刻蝕、光刻和沉積設備份額最大
國產設備中， Mattson 的去膠設備、盛美的清洗設備、中微的介質刻蝕機、中微的硅通孔設備、長川的分選機、華峰和長川的中低端測試機、上海微電子裝備的後道封裝光刻機等，都已經在市場上直接和國外設備開展競爭，具有一定的競爭力，在國產替代中，有望領先。
可以肯定，如果缺少美國半導體設備， 中國半導體產業發展放緩但不會停止。
在中美貿易摩擦的背景下，有中興事件的前車之鑑，有必要思考缺少美國半導體設備的影響。通過以上的分析，如果缺少美國的半導體設備，會立即影響到中國的晶圓廠建設進度，尤其是 14/28nm 等先進工藝的晶圓廠，在 PVD、檢測、離子注入和 CMP 設備上， 短時間之內會存在幾乎無設備可買的情況。
而刻蝕、 CVD 設備等，如果晶圓廠建設之初採用了美國的設備方案，則需要重新選擇替代國設備或國產設備並進行充分的驗證。
但這隻會讓中國的半導體產業發展放緩， 而不會停止。美國領先的半導體設備產品， 其他國家的設備或者國產設備的可替代能力弱一些，但並不是不能替代，而是需要花較長的時間來重新設計方案和進行充分的設備驗證、試錯。
這個過程會拖慢中國晶圓廠建設的進度，少則一年、 多則兩三年。對半導體產業，時間很寶貴，慢兩三年即意味著慢了一代工藝，對中國的半導體產業影響較大，尤其是目前全力追趕工藝的關鍵時期。
目前，中國的半導體產業已經落後國際先進水平兩代以上，國際上 7nm 即將量產， 而國內還正在研發 14nm， 28nm 的良率依然無法很好控制。
所以，對國際先進工藝的追趕是一個長期艱苦奮鬥的過程，我們對此早已做好了充分的心理準備，慢兩三年對我們可能會造成一定影響，但並不會阻止我們發展半導體產業的決心。
所以，這隻會減緩中國半導體產業的發展， 而不會使其停止。國內部分在建晶圓產線中， 8 寸晶圓和 12 寸晶圓的 28nm 以上工藝產線會受到的影響較小， 28nm 及以下工藝會受到的影響較大。
圖：8 寸晶圓和 12 寸晶圓的 28nm 及以上製程的晶圓廠會受到的影響較小
在中美貿易摩擦和中興事件的影響下，國產半導體設備公司將得到更多的資金、技術和投入，並將得到更多的試錯機會，將會加速發展。 此外，目前國產半導體設備，仍然有約 60-70%的零部件依賴於進口，在未來，隨著國產半導體設備的發展，零部件的國產化率也將逐步提高，實現真正的半導體設備國產化。
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