半导体设备行业需要理解的三个问题-LCM模块生产-LCD行业-深圳华之晶
2020-04-14

半导体设备行业需要理解的三个问题

2.1 为何设备企业在客户集中度很高的情况下仍拥有定价权?

2018 年全球半导体设备销售额为 645 亿美元,仅四家晶圆厂(台积电,三星,海力士,美光)的采购额就


接近 450 亿美元,半导体设备的客户集中度极高。依照产业经济学的一般规律,下游客户集中度越高,行业的定价权越弱,然而半导体设备却打破了这个规律。近年来,半导体设备的增速往往快于整个半导体行业的增速,半导体设备在整个产业链中拥有越来越多的定价权。我们认为主要原因有三点:产业链复杂,技术进步快,转换成本高LCM模块生产

2.1.1 工艺复杂和分工细化提升设备厂商话语权

在通常的制造产业链中,如果客户集中度高,上游设备厂的议价能力往往会大幅减弱。电池产业链就是个很好的例子,虽然电池生产商集中程度和半导体类似,但电池设备生厂商的议价能力非常弱,有时电池厂商与设备生产商共同开发出一款设备,专利归属电池厂而非设备商。但半导体设备从未出现过类似的情况。


在制造业中,产业链步骤越多,上游材料设备的话语权越强。电池生产与半导体生产最大的区别在于其生产 步骤数量。电池生产只需要几十步流程,电池生产商在生产自己产品的同时,完全有余力去做上游的设备和材料。然而半导体的生产流程动辄需要几千步,晶圆厂将产品经过几千步的工艺过程制造出来,良率达到一定的标准,需要花费大量的精力,没有余力去做上游设备及材料的开发。因此,晶圆加工厂宁愿为设备厂商让渡更多利润,来获得设备厂最新的产品和持续的技术支持,设备厂商从而拥有更高的定价权。LCM模块生产

2.1.2 设备厂商承担了晶圆厂的前期研发任务

半导体生产步骤复杂是半导体设备利润率高的原因之一,但是半导体设备厂和下游晶圆制造厂相互配合的研发模式也是设备行业常年高利润的另一个原因。


半导体设备的供应对于晶圆加工厂来说不仅仅是产能的提升,更是制程精进的基础,设备企业对于晶圆加工厂来说更像是外置的研发中心。


如今的芯片加工以纳米为尺度,在微观世界中很多基础理论还尚未完善,设备精度的每一次提升都伴随着大 量的基础理论和应用技术的研究。在晶圆加工过程中动辄上千步的晶圆加工工艺开发已然令晶圆厂应接不暇, 将设备研发的任务和风险转交给设备厂商是晶圆厂更明智的选择。因此,晶圆厂不但不会试图压低设备厂商的利润,还会主动提供资金和资源支持新设备的研发。LCM模块生产

2.1.3 设备定制化带来极高客户粘性和转换成本

设备出厂到晶圆厂产线通常还需要一段时间的安装和调试。由于晶圆加工工艺各有不同,部分设备是高度定制化的,设备需要针对晶圆厂要求进行特殊的研发和设置。完整的工艺开发需要设备厂和晶圆厂合作完成, 已经成熟的工艺如果更换设备,会需要重新投入大量的人力和财力,并且承担未知的风险,因此晶圆厂对于设备通常具有较高粘性。

2.2 为何光刻一家独大,刻蚀寡头垄断?

一方面,半导体设备整体市场规模不大,各类设备市场规模多在几十亿美元,最高的光刻和刻蚀也只到百亿美元的规模;另一方面,半导体设备属于技术门槛极高的行业,需要较多的技术积累和持续的高研发投入。 因此,无论是整个行业还是某个子领域,市场均呈现高度集中。然而我们发现,同作为主设备,光刻与刻蚀的竞争格局却不太相同,在光刻领域呈近乎完全垄断的竞争格局,然而在刻蚀领域却呈现寡头竞争的竞争格局,我们认为导致这种竞争格局的根本原因在于这两个领域的技术变迁特点不同。LCM模块生产

2.2.1 光刻和刻蚀技术更替的差异带来市场格局不同

浸润式光刻是干法光刻的替代技术。光刻技术限制集成电路制程发展,晶圆厂为了获得更高分辨率的光刻机煞费苦心。80 年代,尼康在光刻领域占有垄断地位,此时光刻领域以干法光刻为主。2000 年,更高分辨率的浸润式光刻取代了干法光刻,因此阿斯麦也取代了尼康佳能在光刻领域的霸主地位。


ICP 刻蚀并不是 CCP 刻蚀的替代技术,而是各有所长,侧重了不同工艺步骤。ICP 技术是刻蚀底层器件的, CCP 技术是刻蚀上层线路的。集成电路结构中既有底层器件又有上层线路,ICP 在发明之初就与 CCP 技术共存。集成电路的底层器件只有一层,光刻技术在 20nm 以上可以在底层器件上做到绝对精确,所以只需要用一次 ICP 工艺,然而集成电路的上层线路却有几十层之数,需要用到几十次 CCP 刻蚀,所以 20nm 以前的刻蚀设备以 CCP 为主,擅长 CCP 刻蚀的应用材料一家独大。然而 20nm 以下,由于光刻的精度达到了极限,需要用多重刻蚀+薄膜的技术在集成电路的底层器件上实现要求的精度,ICP 在底层器件上的使用次数一下暴增,这就造成了近年擅长 ICP 刻蚀的泛林半导体超越了应用材料,成为刻蚀领域的龙头。然而 CCP 的需求一直还存在,并没有被 ICP 取代,所以应用材料仍旧保有一定的刻蚀领域的市场份额。LCM模块生产

2.2.2 光刻:新旧技术替代带来完全垄断

荷兰的阿斯麦是光刻机市场上的霸主,市占率超过 70%。虽然尼康和佳能还拥有一定市场份额,但在主流的逻辑芯片加工领域,尼康和佳能完全无力和阿斯麦竞争。


在 2000 年之前,光刻机市场还不是这样的局面。60 年代末,尼康和佳能开始制造光刻机,彼时的光刻机的复杂程度和相机差不多。1984 年阿斯麦成立时,光刻机还是尼康的天下,市场份额一度超过 50%,而阿斯麦的份额常年不超过 10%。


90 年代,光刻机开始了光源波长的竞争。光刻机将掩膜版上的图形刻画到晶圆上,利用的就是光走直线性质。但是微观世界下光的衍射作用会使光线不一定走直线,这直接影响光刻机的最高分辨率,若要提高分辨率就需要缩小光源的波长。到 90 年代末,193nm 波长的 DUV(深紫外光)光刻机也已经研制成功,但人们迟迟没能完成下一代的 157nm 波长产品的研发。就在此时,时任台积电研发副经理的林本坚提出了利用水的折射缩短光波长的方案,即后来的“浸没式光刻”。但是业界龙头尼康不愿意放弃前期在 157nm 波长研发上投入的巨额成本,拒绝了林本坚的方案,只有阿斯麦决定押注这个方向。2004 年,阿斯麦和台积电共同研发的浸没式光刻机诞生,由于是在成熟的 193nm 技术上改进的,设备稳定性和改造成本明显优于尼康同时推出的 157nm 干式刻蚀机。阿斯麦的市场份额随之大幅提升,从原来的不到 10%到 2009年达到了 70%,成为绝对的领先者。尼康在此关键节点上的决策错误使其在短短几年时间内失去了行业领先的地位。LCM模块生产


真正奠定阿斯麦霸主地位的是 13.5nm 波长 EUV(极紫外光)光刻机的研发。EUV 光刻机早在 90 年代就已经提出,由于其技术难度高,英特尔说服美国政府成立了 EUVLLC 这个合作研发组织。由于美国政府的阻挠,尼康被排除在外,而阿斯麦则在做出一些列承诺后加入组织。EUV 光刻机的研发可谓集中了欧洲和美国的最先进技术,英特尔、三星、台积电等也纷纷入股阿斯麦,独立研发的尼康也无力再参与竞争。2019 年,历时20 年研发的 EUV 光刻机终于应用于产线,它的诞生将大幅缩减 7nm 和 5nm 制程的工艺步骤。


如今,用于先进制程逻辑芯片的浸没式193nmDUV 和EUV光刻机基本被阿斯麦垄断。尼康和佳能只在193nm 以下的领域拥有一定份额,这些设备主要用于对制程需求不高的领域,如存储器、模拟芯片、功率半导体以及普通逻辑芯片等。



2.2.3 刻蚀:新旧技术共存形成寡头竞争

在全球的刻蚀设备寡头企业共有三家,分别是泛林半导体、应用材料和东京电子,而这三家也占据了薄膜沉积市场的主要份额。


这样的市场格局自然是经过多次技术变革和整合淘汰形成的。在 20 世纪 80 年代,全球至少有 20 家刻蚀设备制造商,彼时市占率最高的企业是应用材料,泛林半导体尚不足以与其抗衡。经过从 90 年代以后十几年的发展,泛林和东京电子的市场份额逐步赶超应用材料,2010 年以后泛林发展成为市场份额独占半数以上的刻蚀龙头。想要复盘这个过程,就不得不从刻蚀机的技术发展历程说起。LCM模块生产


刻蚀机发展到干法刻蚀阶段以后,最重要的技术就是等离子体刻蚀。按照等离子体的生成方式,可以分为容性耦合等离子体(CCP/Capacitively Coupled Plasma )、感性耦合等离子体(ICP/Inductively Coupled Plasma)。由于等离子体产生的方式不同,刻蚀机的结构、性能和特点也存在较大的差异。其中 CCP 属于中密度等离子体,ICP 则属于高密度等离子体。CCP 技术的发明早于 ICP,但由于其特点的不同,两类技术并非相互取代,而是相互补充的关系。CCP 的等离子密度虽然较低,但能量较高,适合刻蚀氧化物、氮氧化物等较硬的介质材料;ICP 的等离子密度高,能量低,可以独立控制离子密度和能量,有更灵活的调控手段, 适合刻蚀单晶硅、多晶硅等硬度不高或较薄的材料。




等离子体刻蚀大规模应用起始于 20 世纪 80 年代,此时的产品主要是 CCP 设备。应用材料 1981 年正式推出 CCP 干法刻蚀产品,很快取得市占率第一的地位,彼时泛林半导体刚刚成立。到 1988 年,应用材料在刻蚀市场占据 37%的市场份额,泛林半导体占据 12%,获得泛林部分技术授权的东京电子则拥有 8%的份额。到了 90 年代,ICP 的概念开始引入,由于感性耦合的等离子体具有更高的密度和更低的能量,可控性明显强于 CCP,随着集成电路对精细加工需求的增长,ICP 迎来巨大的需求市场,泛林的 ICP 产品性能和操作便捷性优于应用材料。在随后的几年里,泛林凭借 ICP 产品的成功市场份额逐年提升,1993 年达到 30%,首次超过应用材料,就此奠定了刻蚀产品龙头的地位。90 年代后的十几年,应用材料的 CCP 市场份额在波动中保持稳定,泛林半导体一跃成为市占率第一的龙头。LCM模块生产



2.3 为何近些年来刻蚀设备的价值占比不断上升?

2017 年,刻蚀设备在产线中的价值占比达到 24%左右,取代光刻机成为晶圆加工厂投资额最高的设备,2018年刻蚀机销售额超过 100 亿美元。自 2012 年以来,刻蚀机在晶圆厂设备中的价值占比逐步提升,与之对应的是光刻机的价值占比下滑,这其中的主要原因来自于光刻机技术瓶颈和芯片结构变化带来的晶圆加工工序的调整。



2.3.1 光刻机的技术瓶颈推动刻蚀机市场发展

193nm 波长 DUV 深紫外光产品 2000 年左右就已经诞生,其理论上的最高精度为 65nm,即便后来采用浸没式光刻使得光线经过液体折射后等效波长缩小至 134nm,其理论上的最高精度也仅提升到 28nm。那么在光刻机技术停滞不前的十几年中,芯片的工艺制程又是如何提升的呢?


想要继续提提升制程大体有两个思路,即双重光刻+刻蚀,或多重薄膜+刻蚀。具体采用哪种思路则根据工艺需求来决定,但无论用哪种思路都离不开刻蚀步骤的增加。从 65nm 制程开始,每一次制程的精进都需要大幅增加刻蚀的步骤,7nm 制程中刻蚀步骤比 28nm 增加了 3 倍。因此,近些年来刻蚀设备是半导体设备中增长最快的领域.LCM模块生产



2.3.2 芯片设计的变化带来刻蚀设备需求的提升

存储器是半导体销售额中占比最大的一类芯片,DRAM 和 NAND 占据超过 90%的存储器份额。存储器虽然不需要最先进的制程制造,但也都达到了 1X nm 级别(即十几纳米),刻蚀设备使用量明显增加。并且,2016 年以后,各大原厂均进入了 3D NAND 量产的时代。3D NAND 采用将存储单元堆叠的布局,需要更多的通孔和导线等的刻蚀,相比于 2D NAND 的制造,3D NAND 中刻蚀设备的支持占比由约 15%提升到约 50%。以泛林半导体的财报披露数据来看,来自存储器厂商的营收贡献量从 2012 年的 40%左右提升至 2019 年的70%左右,主要来自刻蚀设备出货量的变化。因此 3D NAND 的量产再次提升了刻蚀设备的需求。


此外,随着 TSV 封装技术的应用,刻蚀设备也应用于芯片封装产线。3D 封装被认为是在摩尔定律失效的情况下提升芯片性能的有效方式,随着 3D 封装的推广,刻蚀设备可能得到更多的应用。


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