中美“芯片之争”越来越激烈。美国泛化国家安全概念,滥用国家力量,以技术封锁、列实体清单打压中国企业、为投资设障等手段,封堵中国高新技术发展。


中国积极推进半导体的国产化来予以抗衡,但在国产化前进的路上,半导体制造设备已成为难以跨越的高墙。半导体设备企业正在被卷入激烈的“芯战”漩涡。

 

半导体设备一直以来被誉为产业链皇冠上的明珠。这还不够形象,因为明珠拆掉,皇冠还是皇冠,设备去掉,芯片就出不来了。
芯片制造和芯片封测过程非常复杂,加工工序达到上千道,必须要靠设备才能完成。可以说,没有设备,芯片就只能停留在设计图纸上。 半导体设备又可以分为测试设备和晶圆加工设备,在半导体设备市场中,晶圆加工设备是大头,市场价值占比为81%,测试设备市场价值仅占19%。半导体设备价格高昂,在新建晶圆厂支出中比例中就能达到65%,剩余的百分之35%中,厂房建设占20%,组装封装设备占5%,测试设备占7%,其他占3%。
以一条12寸晶圆生产线为例,月产5万片,至少要投资30-50亿美元,需要配套 50台光刻机,10台离子注入机,40台蚀刻机,30台薄膜沉积设备等,各类设备合计台数超过500个。 


全球最大半导体设备市场:中国
中国半导体设备市场占据全球半导体设备市场一半的份额。
据SEMI全球半导体设备市场统计报告,2020年全球半导体设备销售额达712亿美元,同比增长19%,中国大陆首次成为全球最大的半导体设备市场,销售额达187.2亿美元,同比大增39%,中国台湾排名第二,销售额为171.5亿美元。 单位:billion.


买得多不代表卖得多。中国虽是全球最大的设备市场,但中国大陆本土企业半导体设备销售额不高。 中国电子专业设备工业协会对中国大陆47家主要半导体设备制造商的统计结果显示,2019年半导体设备销售收入161.82亿元,预计2020年国产半导体设备销售收入将达到213亿元左右,市场占有率将达到20%左右,但由于统计数据中包括了100 元左右的太阳能电池片设备和20 亿元左右的LED 设备,剩下的90亿元才是集成电路设备的销售额。 而SEMI统计的数据项目则是集成电路和分立器件的制造和封装设备等。 也就是说,国产半导体设备在大陆市场的份额还不足10%,国内绝大部分的半导体设备靠进口。 


海外寡头垄断
半导体设备行业是一个费钱、技术要求高的行业。高资本高技术壁垒的行业属性使得半导体设备行业呈现出寡头垄断的局面。
据VLSI Reserch 机构2019年发布的数据,全球近80%的半导体设备市场份额被十大设备生产商瓜分。不得不提的是,这些设备制造厂商几乎都是来自日美欧韩等地区,无一家来自中国。 


在光刻机领域中,全球光刻机市场几乎被ASML、Canon和Nikon三家供应商包了。全球最先进的EUV光刻机由ASML公司生产,工艺制程达到了5nm甚至更低的工艺。 国内光刻机唯一实现量产的制造商上海微电子,目前与ASML差距巨大,所生产的光刻机,性能最好的工艺也才达到90nm的制程。但最近上海微电子在光刻机上取得了突破性的进步,据界面新闻报道,上海微电子将在2021-2022年交付第一台28nm工艺的沉浸式光刻机,一举从90nm工艺飞跃式跳到了28nm工艺。光刻机实现国产替代未来可期。

来源:前瞻产业研究

 

刻蚀设备领域常见的身影是海外三家巨头:泛林半导体、TEL、应用材料。这三家凭借着资本技术的实力,包揽了全球90%刻蚀设备市场份额,泛林半导体一家就占领了全球刻蚀设备50%的市场。 近年来,中国刻蚀设备生产商中微半导体和北方华创等,正在发力攻克更高阶制程的刻蚀工艺。国内刻蚀设备领先企业中微半导体在介质刻蚀设备已经实现了65-5nm的刻蚀工艺。

来源:前瞻产业研究

 

TEL和应用材料这两家设备巨头,在薄膜沉积设备领域实力也不容小觑。 薄膜沉积设备分为ALD、PVD和CVD三个细分领域。在ALD设备市场中,龙头企业TEL和ASM分别占据了31%和29%的全球市场份额;PVD厂商仅应用材料一家就占了85%的比重,称霸市场,处于绝对龙头位置。CVD三大厂商中,应用材料全球占比30%左右,泛林半导体占比大约是21%,TEL占比为19%,三家全球占比共计70%。 在国内,薄膜沉积设备龙头北方华创产线覆盖最全,包括ALE、PVD、CVD三类;而沈阳拓荆则集中精力攻克CVD和ALD。这两家企业目前储备技术达到了8/14nm节点。

来源:前瞻产业研究


清洗设备市场几乎被五家巨头Screen、TEL、Lam Research、SEMES和拉姆研究垄断,根据Gartner数据显示,2018年全球排名前四的企业合计占据约98%的市场份额。
相比之下,中国能制造生产清洗设备的企业市场份额少之又少,主要的厂商有盛美股份、北方华创、芯源微及至纯科技,其中盛美股份在国产清洗设备供应商中排名最靠前,在芯片和集成电路制造厂商长江存储、华虹无锡、上海华力二期项目累计采购的200多台清洗设备中,盛美股份以20.5%的中标份额超越了LAM、TEL以及北方华创的中标份额。不止是销售业绩好看,盛美股份清洗设备技术也走在国产清洗设备行业前列。

来源:前瞻产业研究
国外龙头企业垄断,封装设备也不例外,国产化程度尚不高。从企业竞争格局来看,目前全球半导体测试设备产业主要呈现美商Teradyne、日商Advantest、TEL等国际企业垄断的局面。
根据VLSI数据,半导体设备中封装设备约占7%,从SEMI全球半导体设备市场统计数据来计算,估计2020年全球半导体封装设备销售额达50亿美元左右,而中国大陆半导体封测设备规模约为13.1亿元。
落后的根源
大者恒大,半导体设备全球市场基本被国外龙头垄断,国产设备商正在奋起追赶,但是,能不能追赶得上,什么时候追赶得上,这些又成为了国人最关心的问题。想要得到答案,窥得其中的未来,就要知己知彼,才能百战不殆。 一、资金投入有限,人才短缺
前面说到半导体设备产业是资本技术密集型。没有雄厚的研发资金投入,没有大量的高技术人才,就难以实现产品的迭代更新。
近年来,国内设备企业虽取得了很大的进步,实现了从0到1的突破,但从整个设备行业来看,研发投入的资金还相对较低,研发投入难以实现规模效应。随着摩尔定律的演进,设备研发投入的资金也要跟上,国外龙头企业资本雄厚,优势尽占。
另外,在技术人才上,也存在各种问题。《中国集成电路产业人才白皮书(2019—2020年版)》指出,我国集成电路产业存在的问题:
1、我国领军和高端人才紧缺,对人才吸引力不足;2、我国人才培养师资和实训条件支撑不足,产教融合有待增强;3、我国集成电路企业间挖角现象普遍,导致人才流动频繁;4、我国对智力资本的重视程度不足,科研人员活力有待激发。 二、产业链配套不完善
在半导体设备行业中,企业制造地分散,出货量上不足形成规模效应,对零部件的拉动力度小时间短,整体的产业配套能力薄弱,设备生产效率难以提高,导致制造成本偏高,难达到厂商预期。高成本低收益又进一步阻碍了产业的良性发展,形成了闭合的恶性循环回路。 三、国外技术封锁,限制出口
以美国为首的欧美日韩联盟,为保持其在半导体领先的地位,限制中国在半导体领域的崛起,正在设法阻止中国半导体的发展,在半导体设备、材料、高端设计和先进工艺等领域设限。
以中芯国际为例,去年美国就将其列入实体清单,限制其购买美国厂商的设备和技术,由于芯片缺货潮的影响,美国给中芯国际的限制开了一个口,但对用于10nm及以下技术节点(包括EUV极紫外光刻技术)的产品或技术仍然是严格限制。
技术设备材料等限制,严重“卡脖子”了。从目前中美形势来看,这种限制将继续存在,对中国半导体发展影响深远。 四、上下游产业链的紧密度难破
产业链上下游的合作关系紧密,表现在晶圆制造厂不轻易更换设备厂商。一方面是因为购买的设备很贵,对于崭露头角的新技术设备不经过认证不会轻易使用,这造成的良率下降和工艺失效带来的损失远高于换设备省下来的钱。另一方面是,晶圆厂不仅要承担晶圆原材料损失的成本,还要面临着后续交期耽误所带来的高额赔偿等损失。
因此,国产替代新设备就难以大面积推开,龙头企业地位反而得到进一步巩固。
如何跨越高墙?
半导体设备产业链的问题突出,新晋企业想要打破龙头企业的垄断格局,有行业人士提出,要满足三个基本条件:
1. 首先要实现高难度的技术突破;2. 实现突破的情况下尽力节省研发支出;3. 最重要的是获得晶圆厂客户的大胆使用和客户验证。 但这三个条件还不够具体。技术的突破也就是人才的突破,2020年以来,中国正加鞭快马在筹备和建设集成电路相关学院,为半导体产业源源不断输送人才。
例如2020年10月,南京江北新区联合企业、高校等共同成立了南京集成电路大学,这是国内首个“芯片大学”以面向产业人才为定位,解决当前集成电路人才培养难点,促进地方产业发展。
今年4月22日,清华大学宣布成立集成电路学院,瞄准集成电路“卡”脖子难题,培养国家急需人才。
两家学院相继成立,表明了国家对集成电路行业的重视和解决半导体中“卡脖子”难题的决心。 笔者认为,研发开支的节省难以为半导体设备行业注入活力。
技术的研发本身就要大笔大笔的资金投入,想着怎么省钱,不如想着怎么来钱。这里说的来钱是指企业通过引进投资等方式补足产业的研发和规模的扩大,规模扩大实现高利润收入,进而推动企业高比例的研发投入。
但是,资本市场是自由和逐利的,在投资高、风险大、收益冒险的半导体设备市场中,要获得足够的研发资金也不容易。
因此,国家大基金的重要程度不言而喻,不仅给企业一颗定心丸,不会随便撤资或资本不持续,也能集中资本力量办大事,按照规划来解决“卡脖子”领域。 最后,就是客户能否大胆使用和客户验证的问题了。部分国内龙头设备厂商已有稳定的客户群体,基本上能实现客户验证这个步骤,但一些缺乏忠实用户的小企业来说,恐怕是难以获得客户的试用,生存空间极小,因此在这条荆棘布满的路上,上中下游的互相支持显得格外重要,进一步来说,这对企业都是双赢的选择。