日前,一则有关中美两国将限制半导体设备的流言在行业内流传,在现在两国贸易战角力的敏感时刻,任何的风吹草动,都刺激了双方的神经。但抛开这个流言的真假不说,这样的内容,勾起了笔者对国内外半导体设备现状了解的兴趣。
 
从品类上看,半导体设备可分为晶圆处理设备、封装设备、测试设备和其他设备,其他设备包括硅片制造设备、洁静设备、光罩等。这些设备分别对应集成电路制造、封装、测试和硅片制造等工序,分别用在集成电路生产工艺的不同工序里。
 
资料显示,在整个半导体设备市场中,晶圆制造设备大约占整体的 80%,封装及组装设备大约占 7%,测试设备大约占 9%,其他设备大约占 4%。而在晶圆制造设备中,光刻机,刻蚀机,薄膜沉积设备为核心设备,分别占晶圆制造环节设备成本的 30%,25%,25%。
 
半导体设备处于该产业链的上游,虽然市场总量与下游的 IC 设计、制造、封测比相对较小,但其处于产业链上游,技术高度密集、尖端这一特点,决定半导体设备在整个行业中起着举足轻重的作用,为下游的设计、制造、封测源源不断地提供着“粮食”,没有它,下游的这些兄弟都会饿死。
 
全球市场格局
SEMI(国际半导体产业协会)的数据显示,2017 年全球半导体设备市场规模达 566.2 亿美元,较 2016 年大幅增长 37.3%,创历史新高,增速为近 7 年来的最高水平。目前,全球半导体设备市场主要被美国、欧洲(以荷兰为最)和日本的厂商所掌控,市场占有率极高。而中国相关企业的技术能力和市占率则相当有限。
 
据 Gartner 统计,全球规模以上晶圆制造设备商共计 58 家,其中日本的企业最多,达到 21 家,占 36%,其次是欧洲 13 家、北美 10 家、韩国 7 家,而中国大陆仅 4 家,分别是上海盛美、上海中微、Mattson(亦庄国投收购)和北方华创,占比不到 7%。
 
从半导体设备需求端来看,近几年销售额前三大地区分别是韩国、中国台湾和大陆。从半导体设备销售额情况看,从 2014 年开始,北美半导体设备投资逐年减少,日本基本维持稳定,整个半导体制造的产能转移到了韩国、中国台湾和大陆三地。另外,从这三个地区市场份额占比来看,中国大陆买家买下了全球 15%的半导体设备,市场份额提升了近一倍,且一直处于稳步上升的状态。
 
图:2017 全球半导体设备市场规模(单位:十亿美元),来源:SEMI
 
从供给侧来看,半导体设备是一个高度垄断的市场。根据各细分设备市场占有率统计数据,在光刻机、PVD、刻蚀机、氧化 / 扩散设备上,前三家设备商的总市占率都达 90%以上,而且行业龙头都能占据一半左右的市场,所以,要想在半导体装备市场中分一杯羹,就必须在细分领域能够做到全球前三。
 
美国处于领先地位
来自 SEMI 的最新数据显示,北美半导体设备制造商 3 月出货金额为 24.2 亿美元,比 2 月微增 0.4%,年增 16.7%,创 17 年来新高。这主要得益于近两年内存及晶圆代工投资持续带动。
 
美国半导体设备的发展起源于二战后期,由于军用计算机的带动,造就了最初的半导体产业,在之后的二三十年中,美国半导体产业稳步发展,奠定了其半导体设备行业的坚实基础。
 
来自北美的设备商主要包括:应用材料,泰瑞达、Axcelis Technologies,KLA-Tencor,Lam Research,Kulicke & Soffa、Nanometrics,Rave,Rudolph Technologies,Ultratech,Ushio 等。
 
虽然在所有半导体设备厂商和市场中,美国跟随在日本和欧洲之后,处于第三的位置。但就晶圆处理设备而言,其实力非常强劲,在全球晶圆处理设备供应商前 5 名中,美国就占据了 3 席,分别是排名第一的应用材料(AMAT),市占率 19%左右;第二的 Lam Research,市占率 13%左右;以及排名第 5 的 KLA-Tencor,市占率 6%左右。
 
具体而言,晶圆处理设备中,几个主要工序的设备也都基本处于行业龙头的高度垄断之中。其中,在 PVD 领域,应用材料公司占据了近 85%的市场份额,CVD 占 30%;刻蚀设备方面,Lam Research 最多,市占率达 53%,而 KLA-Tencor 在半导体光学检测领域,全球市占居冠。在各个领域中,前三大巨头的市场份额相加均超过 70%,整个市场呈现强者恒强、高度垄断的状态。
 
应用材料可以说是全球最大的半导体设备公司了,产品横跨 CVD、 PVD、刻蚀、CMP、RTP 等除光刻机外的几乎所有半导体设备。应用材料 2017 财年营收为 145.3 亿美元,其中,半导体设备收入 95.2 亿美元。
 
半导体设备行业技术壁垒非常高,随着制程越来越先进,对半导体设备的性能和稳定性提出了越来越高的要求,需要投入大量的研发资金。应用材料公司一直保持着在研发上的高投入,其 30%的员工为专业研发人员,拥有近 12000 项专利,平均每天申请 4 个以上的新专利。正是这种持续的高研发投入,促成了应用材料的内部创新,构成了较高的技术壁垒,使其自 1992 年以来一直保持着世界最大半导体设备公司的地位。
 
中国市场现状
据 Semi 预测,2018 年中国的设备销售增长率将创新高,为 49.3%,达到 113 亿美元,中国大陆将紧随韩国,成为世界第二大半导体设备需求市场。
 
图:中国大陆半导体设备市场规模(单位:十亿美元),来源:SEMI
 
2017~2020 年,中国大陆将有 26 座新晶圆厂投产,成为全球新建晶圆厂最积极的地区,整个投资计划占全球新建晶圆厂高达 42%,成为全球新建投资最大的地区。目前,中国 12 英寸晶圆厂共有 22 座,其中在建 11 座,规划中 1 座;8 英寸晶圆厂 18 座,其中在建 5 座。
 
在这样大兴土木的行业背景下,对半导体设备的需求和投资必然巨大。粗略计算,已经公布的半导体产线投资金额将超过 1000 亿美元。按照行业规律,在总投资中 80%用于设备投资,从而可计算出设备投资额为 800 亿美元。
 
在晶圆厂设备构成中,光刻机占比最大,占 39%,其次是沉积设备,占比为 24%,刻蚀设备第三,占比为 14%,材料制备占比 8%,表面处理设备和安装设备分别占比 2%,其他设备占比 11%。
 
据此,可以计算出,2017-2019 年国内集成电路光刻设备市场空间为 312 亿美元,沉积设备市场空间为 192 亿美元,刻蚀设备市场空间为 112 亿美元,材料制备设备市场空间为 64 亿美元。

 

自给率低
因此,未来几年,我国对半导体设备的需求量巨大。然而,供给侧如何呢?中国半导体设备企业虽然在近年内呈现出了高增长态势,但是毕竟发展时间有限,与美、日等国家比起来还是存在明显差距。
 
2008 年之前我国半导体设备基本全靠进口,因此国家设立了国家科技重大专项——极大规模集成电路制造装备及成套工艺科技项目(简称 02 专项)研发国产化设备。但是,由于设备制造对技术和资金需求要求比较高,只有北方华创、中微半导体、上海微电子等少数重点企业能够承担 02 专项研发工作,整个行业集中度相对较高。
 
虽然在 02 专项的支持下,我国半导体设备实现了从无到有,但相比国内庞大的市场规模而言,自给率不足 15%。
 
即使在发展水平相对较高的 IC 封装测试领域,我国与先进国际水平相比仍然存在较大差距。尤其是单晶炉、氧化炉、 CVD 设备、磁控溅射镀膜设备、 CMP 设备、光刻机、涂布 / 显影设备、 ICP 等离子体刻蚀系统、探针台等设备市场几乎被国外企业所占据。
 
下面看一下我国的主要厂商及其产品都有哪些,国内排名前 6 的半导体设备厂商为:中电科,主要产品为离子注入机、CMP、键合机、封装设备;晶盛机电,产品有多晶铸锭炉、单晶炉等晶体生长设备;捷佳伟创,主要生产制绒设备、扩散设备和清洗设备;北方华创,产品有刻蚀机、镀膜设备、 CVD 设备、 氧化扩散设备、清洗机、辅助设备;中微半导体,主要生产 MOCVD、刻蚀和封装设备;上海微电子,主要生产光刻机,且已经能够提供 90nm 工艺设备。
 
以上只列出了排名靠前的几家企业,其实,我国本土半导体设备企业不算少,但总体不强,销售额占比在国内市场还不足 15%,在国际市场几乎为 0。究其原因,还是技术上的落后。
 
目前,国产半导体设备处于局部有所突破,但整体较为落后的状态。尤其与国际半导体设备巨头应用材料、 ASML、LAM Research、KLA-Tencor 等相比,国产半导体设备公司的实力仍然偏弱,绝大部分企业无法达到国际上已经实现量产的 10nm 工艺,部分企业突破到 28nm 或 14nm 工艺,但在使用的稳定性上与国际巨头差距较大,较难大批量进入量产线,也较难进入国际代工巨头的生产线。
 
研发支出差距大
半导体设备是一个高度专业化、高壁垒的市场, 高壁垒在于研发的难度和强度都十分巨大,从研发支出指标看来,其比例基本处于 15%左右,远远高出其他装备类制造企业。从研发支出绝对值来看,全球龙头应用材料(AMAT)每年的研发支出超过 15 亿美元,其他巨头,如泛林集团(LAM)每年的研发支出也超过 10 亿美元。
 
相对而言,国内半导体龙头北方华创的年研发支出仅 8432 万美元,差距明显。
 
本土设备需要发展空间和机会
对国内晶圆代工厂来说,采用国外的设备是最省时间和精力的。因此,优先采购的,还是国外先进设备公司的成熟产品。
 
由于半导体设备研发周期长、投入大。国产设备公司虽然目前在工艺制程上的研发已经有所突破,但是与稳定量产之间还有一定的距离,其中非常关键的是要有试错的机会。试错的周期通常长达一年甚至数年。
 
但是,现在中国大陆大力发展集成电路制造,首要任务是实现制造工艺的更新,而不是要求提升国产化率,所以没有太多的时间给国产设备公司提供试错的机会。量产中,制造设备一旦出问题,那整条产线上的晶圆都有可能报废,而且需要停工检查维修,对晶圆厂来说,代价非常大。所以,目前国产设备处于产品研发出来,但得不到大批量使用的境地,缺少试错机会。
 
取得的成绩
目前,在封测领域,特别是在测试、清洗、CMP、晶圆检测、切割等方面,国产设备在市场占有率上取得了突破。目前,国内测试设备竞争较为激烈,国际厂商,如泰瑞达、爱德万、科利登;国内厂商,如华峰,长川等形成了竞争格局。华峰和长川科技已经在技术上取得了一定的突破,利用成本优势,从分立元件测试、模拟测试、分选机等低端测试领域开始,和国际厂商展开竞争,并取得了一定的市场份额。
 
结语
从现阶段看,中国要全力发展半导体产业,还是得靠国外输出这些关键设备,才能如期顺利量产。在现在愈演愈烈的贸易战阶段,特朗普的任何决定,都会让中国如芒在背。
 
近年来,为了提升自身实力和话语权,中国企业或基金对国外半导体领域的公司展开了一系列收购,但多以失败告终,即使收购成功,也多为金额较小的案例。特别是在中美贸易战影响下,美国计划限制中国投资其高科技领域,未来中国企业收购国外半导体行业公司难度很大。
 
在这样的背景下,对国内半导体设备公司而言,通过收购国外公司,来发展自己的路已经走不通,因此,国内半导体设备公司将无法通过并购实现快速壮大。
 
唯有自主创新之路可行!当然,鉴于半导体设备行业的特点,通过自主创新来发展壮大,将是一个较为漫长的过程,因此,国产半导体设备公司的崛起,尚需时日。