本文作者：中國科學院微電子研究所研究員葉甜春、苑朋朋、清華大學朱煜、集成電路裝備創(chuàng)新聯盟張國銘、集成電路設計創(chuàng)新聯盟杜曉黎、集成電路零部件創(chuàng)新聯盟雷震霖
面向“十五五”，我國半導體裝備產業(yè)面臨技術封鎖與供應鏈脫鉤的雙重挑戰(zhàn)，需從“追趕替代”轉向“路徑創(chuàng)新”，突破對國際技術體系的依賴。文章分析了三大核心需求：支撐自立自強（突破先進制程裝備與零部件瓶頸）、構建中國特色創(chuàng)新生態(tài)（探索GAA、3D集成等新技術路徑）、推動智能化升級（融合AI與數字化技術）。同時，提出以“再全球化”策略應對逆全球化，通過內循環(huán)與國際雙循環(huán)協同，重塑全球半導體產業(yè)鏈。當前，國產裝備在成熟制程取得突破，但高端領域仍被美國、日本、歐洲壟斷，且面臨低水平重復競爭、供應鏈“卡脖子”等問題。建議通過系統性科技攻關、上下游協同創(chuàng)新，避免內卷，聚焦非對稱技術優(yōu)勢，實現從自主可控到自立自強的跨越。
半導體已經深度滲透到全球經濟和社會發(fā)展的各個領域，是產業(yè)升級、數字化轉型、智能化應用和網絡信息基礎設施的基石，是大國必爭的戰(zhàn)略制高點。我國半導體產業(yè)已成為全球一支不可忽視的力量，遭到美西方前所未有的全方位遏制，成為中美博弈的焦點戰(zhàn)場。作為半導體產業(yè)的基礎支撐，半導體裝備是實現半導體技術突破和產業(yè)升級的關鍵。面向“十五五”要求，面對新的國際形勢，我國半導體裝備需要既在現有賽道攻堅克難，也要主動開展路徑創(chuàng)新，支撐起具有中國特色的全球半導體新生態(tài)。
“十五五”期間我國半導體裝備需求
半導體制造分為前道制造和后道封裝測試兩個環(huán)節(jié)。前道制造裝備主要包括光刻、干法刻蝕、摻雜、薄膜、平坦化、熱處理、濕法、量測檢測、工廠輔助設備等九大類，細分品種總共約190種。不同的制造工藝需要配置不同的制造裝備。一般而言，每代工藝演進升級需要升級現有裝備，并增加10%—20%的新品種裝備。例如，28 nm邏輯芯片生產線共有約120種裝備，14 nm生產線則需要增加到約140種裝備。半導體存儲制造與邏輯制造主要在摻雜和擴散等工藝方面對裝備要求有較大差異，還需要約30%不同品種的裝備。后道封裝測試設備包括減薄設備、劃切設備、測試機、分選機等設備。隨著芯片集成度的不斷提高、制造工藝的不斷精進，半導體制造工藝也對裝備提出了更高的要求。
面向“十五五”，半導體裝備的機遇和需求主要體現在以下3個方面。
支撐我國半導體產業(yè)從自主可控走向自立自強
從2016年開始，美國奧巴馬、特朗普、拜登3屆政府，不顧國際關系準則和貿易規(guī)則，連續(xù)不斷地出臺政策手段，以半導體為武器對我國高科技產業(yè)進行全方位的限制和打壓。2018年以來，美國更是聚焦半導體產業(yè)鏈，連續(xù)推出限制措施，步步緊逼，層層遞進，企圖打斷我國半導體領域的創(chuàng)新發(fā)展進程，減緩我國發(fā)展速度，限制我國半導體產業(yè)向高端發(fā)展。
2022年10月7日，美國再次推出新的限制措施，進一步針對高端芯片所涉及的技術體系、產業(yè)鏈體系和人才體系中的環(huán)節(jié)進行打擊，妄圖對我國實現“高端鎖死”。2023年10月17日，美國進一步發(fā)布對華半導體出口管制升級規(guī)則。2024年12月2日，美國發(fā)布一份臨時最終規(guī)則，再度加碼對我國半導體制造相關物項出口管制限制，重點針對半導體設備企業(yè)。目前，主要的半導體設備企業(yè)均已經被列入美國實體清單等。
從2008年至今，在國家科技重大專項、國家集成電路產業(yè)基金、科技攻關計劃等十幾年的持續(xù)支持下，結合科創(chuàng)板等一系列政策扶持措施，我國半導體裝備及零部件已經建立基本的保障能力，在成熟制程上初步實現了自主可控。但在先進制程裝備及其配套零部件上的弱項需要全面系統、長期持續(xù)的攻關，以支撐我國半導體產業(yè)走向自立自強。
支撐我國半導體建立中國特色創(chuàng)新生態(tài)
全球半導體技術的發(fā)展路線正經歷著其建立70多年來前所未有的大變局。隨著器件特征尺寸微縮逐漸逼近物理極限，晶體管尺寸的進一步縮小變得愈發(fā)困難且成本高昂，傳統的通過縮小晶體管尺寸來提升性能的方式已愈發(fā)困難。為滿足半導體性能演進的要求，需要下大力氣突破半導體制造工藝及裝備技術，尤其是半導體前道工藝設備將繼續(xù)推動摩爾定律進一步發(fā)展。
表1 集成電路邏輯器件技術路線圖
與此同時，半導體行業(yè)正積極探索新的技術路徑，例如，三維結構、光子芯片、量子計算等新興領域，以期突破物理限制，實現性能飛躍。同時，先進封裝技術如2.5D/3D堆疊集成電路（IC）、嵌入式芯片封裝等，也成為提升集成度、增強算力的重要手段，被業(yè)界視為“新摩爾定律”。這些技術革新不僅改變了半導體產品的設計和制造方式，還深刻影響著整個電子信息產業(yè)的格局。此外，全耗盡型絕緣體上硅（FDSOI）相比現有主流鰭式場效應晶體管（FinFET）具有工藝簡單、制造成本低、高速低功耗等優(yōu)點，對先進光刻機要求低1—2代，制造裝備種類少20%，國產裝備和材料已具有相對完整的支撐能力，能夠為國內高端芯片制造提供新的先進制程。
我國應抓住這一歷史性的機遇，在半導體領域開展變革性創(chuàng)新，擺脫路徑依賴，探索新的創(chuàng)新發(fā)展路徑，重塑半導體芯片工業(yè)體系，打造新的生態(tài)，走出中國特色自主創(chuàng)新之路。在此過程中，半導體裝備將在“中國特色摩爾定律”的發(fā)展中發(fā)揮至關重要的支撐和引領作用。
滿足半導體對于網絡化、數字化、智能化的需求
作為信息技術發(fā)展的基礎，半導體技術在促進信息技術發(fā)展的同時，信息技術也在促進半導體技術發(fā)展。近年來，信息技術發(fā)展加速推動半導體領域向智能制造發(fā)展。智能制造本質上將人工智能（AI）、數字化、網絡技術等信息技術與傳統制造技術深度融合，通過感知、分析、推理、決策與控制，貫穿于產品設計、生產、管理和服務的各個環(huán)節(jié)，實現產品需求的動態(tài)響應。當前，半導體制造設備的智能化水平持續(xù)升級，正逐漸向半導體制造全流程全環(huán)節(jié)智能化的演進。行業(yè)研究機構國際器件與系統路線圖（IRDS）的分析顯示，未來半導體設備將遵循表2所示規(guī)劃的技術演進路徑，分階段實現更完善的智能化能力。
表2 半導體設備智能化技術路線圖
半導體裝備發(fā)展現狀
全球現狀
全球半導體設備市場呈現產品分工高度全球化、單一產品高度壟斷的競爭局勢，80%以上的市場份額由美國、日本和歐洲（荷蘭）廠商占有，其中，光刻機主要由荷蘭和日本廠商提供，干法刻蝕、摻雜、薄膜、平坦化、熱處理、濕法、量測檢測、工廠輔助設備等主要由美國和日本廠商提供。CINNO IC Research最新發(fā)布的全球半導體設備行業(yè)研究報告顯示，2024年全球半導體設備商半導體營收業(yè)務前10位營收合計超1100億美元，同比增長約10%。
2024年全球半導體設備廠商市場規(guī)模前10位中，荷蘭阿斯麥公司（ASML）2024年營收超300億美元，排名首位；美國應用材料公司（AMAT）2024年營收約250億美元，排名第2位；美國泛林（LAM）公司、日本Tokyo Electron公司（TEL）、美國科磊公司（KLA）分別排名第3、第4和第5位。北方華創(chuàng)科技集團股份有限公司作為前10位中唯一的中國半導體設備廠商，2023年首次進入全球前10位，2024年排名由第8位上升至第6位。
圖1 2024年全球半導體設備廠商市場規(guī)模排名前10位
數據來源：CINNO ? IC Research
我國現狀
2008年之前，我國12寸半導體關鍵設備幾乎空白，只有少量8寸設備樣機，因此國內建造芯片生產線，50%的工藝設備和檢測設備需從美國進口，20%的設備（主要是光刻機）需從歐洲進口，30%的設備從日本等其他國家進口。過去十多年，國家科技重大專項、關鍵核心技術攻關工程等重大科技計劃和國家半導體產業(yè)基金、科創(chuàng)板等產業(yè)政策手段合力，形成了“科技引領、產業(yè)跟進、金融支撐”的有效發(fā)展模式，開創(chuàng)了產業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、金融鏈“三鏈融合”推動中國半導體高速發(fā)展的局面，建立了較為完整的技術創(chuàng)新體系與產業(yè)布局，半導體產品設計、制造、封測、裝備和材料等五大板塊齊整，初步具備了體系化的半導體設備自主供給和創(chuàng)新能力。
在產品設計方面，國內技術能力大幅提高，處理器（CPU）、現場可編程門陣列（FPGA）、通信系統級芯片（SOC）等取得突破。從制造工藝上看，技術取得長足進展。從封裝集成上看，從中低端進入高端，傳統封裝規(guī)模居世界第1位，先進封裝達到國際先進水平。特別是國家科技重大專項培育了200余家集成電路制造、封測、裝備、材料和零部件領域的重點骨干企業(yè)，其中上市企業(yè)近60家，構成了支撐全產業(yè)發(fā)展的“四梁八柱”。全行業(yè)50余萬從業(yè)人才，其中核心創(chuàng)新隊伍近10萬人?？傮w來看，我國半導體領域形成了技術體系，建立了產業(yè)鏈，產業(yè)競爭力大幅提升，差距大大縮小。
在半導體設備方面：前道制造設備中的刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積、化學機械拋光、離子注入、氧化及退火、濕法（清洗/涂膠）、測試等12寸高端設備已完成研發(fā)并批量進入市場，等離子刻蝕機、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）等多種產品還在國際一線客戶先進工藝中得到應用。表3展示了我國半導體裝備的主要企業(yè)。從市場成長上看，2024年國產半導體設備企業(yè)銷售總額約為853億元，較2008年17億元規(guī)模增長50.1倍，極大改善了國內產線對國外設備的依賴現狀。
表3 我國半導體裝備主要企業(yè)
同時也要看到，中國市場半導體設備競爭格局仍主要被美國、日本和歐洲（荷蘭）的廠商占據，特別是高端領域。其中，美國應用材料公司在中國設備市場占比27.4%、泛林公司占比14.8%、科磊公司占比6.8%，日本的東京電子公司占比16.2%，荷蘭阿斯麥公司占比10.1%，合計市占率超過70%。
半導體裝備面臨的挑戰(zhàn)
擺脫路徑依賴，開展路徑創(chuàng)新，掌握發(fā)展主動權
半導體是全球化產業(yè)鏈分工合作模式最成功的實踐。過去20年間，我國半導體產業(yè)積極融入國際大循環(huán)，以“追趕”和“替代”為主要策略，在全球化生態(tài)中安營扎寨，逐步壯大實力，努力開疆拓土，積累起今天的基礎和實力，但客觀上也使我們的發(fā)展形成了對外路徑依賴，這是當前我國處于戰(zhàn)略被動地位的主要原因。
必須承認，這是一種對國際化體系高度依賴的發(fā)展模式，本質上是“拿別人的方案蓋樓，用別人的建材架梁，按別人的方法施工”，在帶來“省心省力”之利的同時，不可避免地陷入了競爭受制、發(fā)展受限的被動格局。在美西方對我國強行脫鉤的逆全球化形勢下，我國從國外獲取先進技術、高端人才、資金等資源越來越困難，繼續(xù)沿用過去發(fā)展策略的基礎已逐漸喪失，必須建立新的發(fā)展模式，實現“用自己的圖紙蓋樓，用放心的建材架梁，按拿手的方法施工”，掌握發(fā)展的主動權和主導權。
破解技術演進對半導體設備提出的更高要求
在沿著摩爾定律和新摩爾定律演進過程中，半導體裝備在前道制造和后道制造兩方面面臨挑戰(zhàn)：
在前道制造中，隨著工藝節(jié)點持續(xù)微縮，半導體制造中引入了GAA等類型晶體管，這對制造設備提出了更高的挑戰(zhàn)。
1. 離子注入工藝需要從傳統摻雜轉向共形摻雜技術，以實現三維納米結構中的均勻摻雜分布；
2. 薄膜沉積和刻蝕工藝需實現原子級精度控制，其涉及原子層沉積（ALD）和原子層刻蝕（ALE）等先進工藝技術；
3. 其他關鍵工藝設備包括化學機械拋光（CMP）、電化學沉積（ECD）和濕法設備等都需要進行技術升級，以應對更高精度加工、非銅互連材料應用、新型高介電常數金屬柵極（HKMG）（高k金屬柵）材料應用等方面的集成需求。
在后道制造中，為持續(xù)提升封裝效率并優(yōu)化生產成本，晶圓級封裝技術正在經歷從傳統封裝向先進封裝發(fā)展。例如：矩形板級封裝技術要求對現有基于圓形基板設計的工藝裝備需適應性改造，以適應矩形基板的幾何特性；玻璃基板技術具備低熱膨脹系數、良好的介電和光學性能等優(yōu)勢，適合于大算力封裝，但也需要研發(fā)對應的專用設備；在硅通孔技術（TSV）工藝技術方面，需要在設備層面解決高密度、高深寬比刻蝕等問題；在超薄晶圓處理環(huán)節(jié)，需要解決晶圓翹曲和脆性斷裂等問題。
解決上游半導體零部件等供應鏈問題
半導體設備作為由數以萬計精密零部件構成的復雜系統，其核心零部件的性能參數、質量水平和加工精度直接決定了整機設備的可靠性與穩(wěn)定性。半導體零部件主要包括機械類、電氣類、機電一體類、氣體傳輸系統、氣動液壓系統、真空系統、儀器儀表、光學類等類型，產品包括射頻電源、流量計、質量計、真空泵、靜電吸盤、密封圈等。國內半導體零部件行業(yè)起步比較晚，雖然近年來國內半導體零部件市場規(guī)模持續(xù)擴大，但當前整體技術水平與國際先進存在明顯差距，本土企業(yè)在核心技術能力、制造工藝水平、產品精度控制及可靠性驗證等方面目前仍難以滿足設備和晶圓制造廠商的嚴苛要求。在全球宏觀政治經濟日益復雜，美國不斷打壓遏制我國半導體產業(yè)發(fā)展的背景下，亟須解決零部件這一半導體裝備被“卡脖子”的問題。
解決低水平重復帶來的內卷問題
目前，我國在半導體產業(yè)鏈的幾乎所有環(huán)節(jié)都呈現出不同程度的內卷。主要表現為“國產替代”演變?yōu)椤疤娲鷩a”，中低端產品和產能快速擴張并競爭嚴重，新主體不斷涌入半導體領域且抗風險能力差。以裝備業(yè)為例，幾乎每個已經實現國產化的領域，國內企業(yè)數量都超過5家以上。
分析原因，從外部因素看，美國限制我國半導體向14 nm以下先進工藝發(fā)展，企業(yè)轉向橫向擴張；從內部因素看，上市紅利和地方政府支持吸引大量資本和大量新企業(yè)進入半導體設備領域，高薪挖角、同質競爭等亂象不斷顯現。某些企業(yè)依靠產業(yè)鏈優(yōu)勢，搶占資源，大量重復國內已經成熟的產品，嚴重浪費了創(chuàng)新資源。
低端內卷造成無序、低水平的、惡性的競爭，導致供給端結構性失衡和資源錯配，基礎創(chuàng)新“動力不足”，阻礙了技術和產業(yè)向中高端邁進，形成低端重復、中高端難以突破的局面，破壞了半導體創(chuàng)新生態(tài)。
下一步建議
半導體具有技術密集、人才密集、資金密集的特點，技術迭代升級極為迅速，創(chuàng)新研發(fā)具有為產業(yè)發(fā)展引領方向的先導作用，是典型的技術引領型產業(yè)。堅持科技創(chuàng)新引領產業(yè)發(fā)展，是實現半導體全局性、長遠性、可持續(xù)發(fā)展的核心關鍵。
面向“十五五”，我國需改變以“追趕”和“替代”為主基調的發(fā)展模式，堅定開展路徑創(chuàng)新，多路并進開辟新賽道，上下游協同培育新生態(tài)，形成產品定義、特色制造和供應鏈可支撐的全產業(yè)鏈創(chuàng)新方案。推動新路徑與傳統路徑的競爭與融合，形成新的主賽道，構建技術制高點，建立非對稱技術優(yōu)勢和戰(zhàn)略制衡能力，贏得發(fā)展主動權。以再全球化對抗逆全球化，建立內循環(huán)，引導雙循環(huán)，重塑半導體國際循環(huán)體系。利用好國際資源，著力推行中國標準、中國技術、中國產品、中國應用，鼓勵國際產業(yè)資源參與內循環(huán)生態(tài)建設，在國際大循環(huán)里形成內循環(huán)，促進國內國際雙循環(huán)，重塑全球產業(yè)鏈。
面向“十五五”，必須堅定布局成體系的半導體裝備科技攻關，系統組織產業(yè)鏈上下游協同推進供應鏈關鍵產品的驗證應用和快速迭代升級，構建完備的半導體裝備供應鏈體系。瞄準先進工藝節(jié)點，進一步提升供應鏈技術水平，形成快速迭代能力，支撐我國半導體產業(yè)自主可控良性發(fā)展。結合我國超大規(guī)模市場優(yōu)勢，打造具有支撐我國獨特優(yōu)勢的半導體裝備供應鏈生態(tài)。國家相關科技計劃要超前部署、梯次布局、聚焦重點、系統攻關，為工藝研發(fā)、產業(yè)布局和產能建設開路排雷。繼續(xù)堅持“科技引領、產業(yè)跟進、金融支撐”的高效發(fā)展模式，建立科技計劃與相關產業(yè)投資計劃緊密互動、高效協同、相互促進的有效機制。在此過程中，破解行業(yè)“內卷”，始終將創(chuàng)新放在第1位，有效發(fā)揮財政資金的引導作用，避免將有限的資金用于低水平技術的數量擴張；引導地方政府進行半導體產業(yè)差異化布局；引導產業(yè)鏈上下游遵守商業(yè)規(guī)則，行業(yè)合作伙伴之間建立好的利益分享機制；完善健全符合半導體產業(yè)特點的并購機制。
