半导体已经进入原子级加工水平,在这个精度上进行半导体器件制造,需要集合50多个学科的知识与技术。而且,加工精度只是一个维度,良率对半导体制造生死攸关,因此均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净性都很重要,先进半导体加工环节超过1000个,哪个环节出了问题,都难以制造出符合产品性能与良率要求的芯片。
根据市场研究机构SEMI的统计,2020年中国大陆首次成为全球最大半导体设备区域市场,销售额年增39%,达到187．2亿美元;中国台湾排名第二,2020年设备商在台湾地区销售额达到171．5亿美元;韩国排名第三,销售额年增61%至160．8亿美元;日本排名第四,销售额也有75．8亿美元。东亚地区成为全球半导体军备竞赛高地,2020年合计砸出595．3亿美元,占当年全球半导体设备支出总额(712亿美元)比例高达83．6%。
由于地缘政治对于半导体供应链影响加剧,2021年各区域市场对半导体产能投资竞争白热化。台积电和三星均将2021年在半导体上的资本支出计划调至300亿美元以上,两家在先进工艺量产进度上拼死相争,都预计2022年量产3纳米工艺,而在美国政府召唤下,台积电和三星也将赴美设厂。毫无疑问,2021年又将是半导体设备厂商的一个丰收年,而中国大陆由于受到相关限制,无法购买高端EUV光刻机等设备,恐难守住最大设备市场宝座。
在台湾工业技术研究院(以下简称台湾工研院)看来,不同区域市场对半导体产业发展目标不同:作为全球最大半导体应用市场,中国大陆在供应链安全受到威胁的背景下,无疑更希望加快技术追赶,以缓解在制造、设备与材料等关键环节受控于人的现状;而美国作为全球半导体产业链主导者,将继续加强高端芯片制造设备对中国大陆的出口管制,美国也将出台新政以应对近年来美国晶圆制造能力下降的局面;作为全球晶圆制造密度最高的两个地区,中国台湾与韩国将有希望继续引领晶圆制造工艺发展趋势,这两个区域也将借助强大的制造能力,改善上游的材料与设备自主状况。
先进工艺发展方向
在28纳米之后,平面晶体管工艺达到极限,FinFET(鳍式晶体管)延续了摩尔定律,将工艺节点推进到现在的10纳米以下。不过FinFET路线也已经接近极限,三星将在3纳米工艺上率先采用GAA(全环绕栅极)结构,台积电则在3纳米节点继续FinFET结构,到2纳米节点再采用GAA结构。台湾工研院认为,英特尔在晶圆制造上遇到了麻烦,7纳米工艺(注:三家对工艺尺寸定义各有区别,不适合直接拿数字对比)或将延至2023年才能量产,预计英特尔在5纳米节点也将改为GAA架构。