圖1:半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備出貨金額推移(2020年及以后為預(yù)測)(圖片來源:基于WSTS、SEMI的數(shù)據(jù)制作了此表)
據(jù)WSTS(World Semiconductor Trade Statistic,世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計協(xié)會)預(yù)測,與存儲半導(dǎo)體低迷的2019年相比,2020年全球半導(dǎo)體出貨金額預(yù)計增長3.3%,增至4,260億美元(約人民幣29,820億元)。雖然存儲半導(dǎo)體的恢復(fù)情況不佳,但新冠肺炎的影響幾乎微乎其微。
另一方面,據(jù)SEMI預(yù)測,2020年全球半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額與2019年相比,下滑4%,相對2020年,2021年預(yù)計增長24%,增至677億美元(約人民幣4,739億元)。因此,就生產(chǎn)設(shè)備而言,今年(2020年)雖然受到了新冠肺炎的輕微影響而增長速度放緩,2021年的出貨金額預(yù)計會成為歷史最高值(超過2018年存儲半導(dǎo)體泡沫時的實績)。
從上文可知,新冠肺炎對半導(dǎo)體、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的影響甚微,2021年及未來二者都將回到正常的增長軌道。原因如下:雖然新冠肺炎導(dǎo)致智能手機、數(shù)碼家電、汽車等產(chǎn)品的需求嚴重下滑,然而,由于全球范圍內(nèi)遠程辦公的普及,PC等終端、數(shù)據(jù)中心的需求急劇擴大。
二者(半導(dǎo)體、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備)出貨金額的共同點和不同點
很明顯,半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備絕不會被新冠肺炎打?。m然只是預(yù)測)!從下圖2可以看出半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額推移中既有共同點、又有不同點。
下圖2是以2000年IT泡沫時的數(shù)值為中心線列出的半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備出貨金額的推移表,二者都在IT泡沫時達到頂峰,在“雷曼沖擊”后的2009年跌入低谷,在2018年(存儲半導(dǎo)體泡沫)再次迎來頂峰。也就是說,兩條線上下浮動的趨勢是基本一致的。
圖2:以2000年IT泡沫時的數(shù)值為中心線列的出貨金額的趨勢(圖片來源:根據(jù)WSTS、SEMI的數(shù)據(jù)制作了此圖)
不過二者也有不同點。半導(dǎo)體的出貨金額在因IT泡沫跌入低估后,很快得以恢復(fù),并且很快超過了2004年IT泡沫時的出貨金額。后來,除去“雷曼沖擊”后的下跌,基本呈現(xiàn)上升趨勢,在2018年,出貨金額達到IT泡沫時的2.3倍。
另一方面,就半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額而言,在IT泡沫后出現(xiàn)大幅度下滑,然而并沒有像半導(dǎo)體一樣出現(xiàn)恢復(fù)。2007年和2011年的出貨金額基本接近IT泡沫時,但卻并沒有超過IT泡沫時,而在三年前的2017年首次超過了IT泡沫時的出貨金額。
也就是說,超過2000年時的峰值,花費了17年的時間!為什么花費了這么久的時間?還有,為什么半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額在步入2017年之后出現(xiàn)了迅速增長呢?
阻礙半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備出貨金額增長的主要原因
為什么半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額難以超越IT泡沫時的峰值,主要有兩方面原因。其一、尖端半導(dǎo)體廠家的減少,其二、各種生產(chǎn)設(shè)備的吐出量(Through Put,每小時的晶圓處理數(shù)量)的提高。下文詳述。
其一,尖端半導(dǎo)體廠家的減少。比方說,就DRAM而言,2000年以后,不斷有日本企業(yè)放棄DRAM的生產(chǎn)。此外,進入2000年,也不斷有中國臺灣企業(yè)放棄生產(chǎn)DRAM。另外,于2006年從德國Infineon Technologies獨立出來的Qimonda也在2009年倒閉,僅存的一家日本企業(yè)---爾必達存儲半導(dǎo)體也在2012年倒閉、且被美國的Micron Technology收購。最終,留下來的僅有Samsung、SK hynix、Micron三家DRAM廠家。
此外,就邏輯半導(dǎo)體而言,越來越多的廠家放棄研發(fā)尖端微縮化,比方說,2018年8月,美國GLOBALFOUNDRIES宣布,放棄10納米及后續(xù)的研發(fā),于是尖端微縮化技術(shù)集中在了Intel、Samsung、TSMC三家公司。此外,2016年以來,英特爾的10納米啟動一直不順利,7納米及后續(xù)的微縮化發(fā)展其實主要集中在Samsung、TSMC兩家公司。
隨著越來越多的尖端半導(dǎo)體廠家被淘汰,能夠?qū)π略O(shè)備進行巨額設(shè)備投資的企業(yè)也越來越少,因此,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額增長困難。
各種半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備吐出量(Through Put,一小時的晶圓處理數(shù)量)的提高-—設(shè)備廠家的“作繭自縛”
第二個主要原因為各家半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備廠家竭力提高晶圓的吐出量(這個原因
比方說,在2007年前后,液浸ArF曝光設(shè)備出現(xiàn)的時候,標(biāo)準(zhǔn)吐出量為130個/小時,但是,今天的吐出量可以超過250個/小時。也就是說,在2007年的時候,需要兩臺液浸ArF曝光設(shè)備,而今天僅需要一臺。
更不可思議的例子是清洗設(shè)備。眾所周知,半導(dǎo)體清洗設(shè)備有一次性處理50個晶圓的“批量式”和一個個處理的“單片式”。當(dāng)然,“批量式”的吐出量比“單片式”要大得多,但是,“批量式”存在一個缺點,即清洗后的污跡容易殘留在晶圓上;“單片式”雖然沒有殘留污跡的缺點,吐出量卻不高。
然而,就“單片式”設(shè)備而言,一臺設(shè)備的平臺(Platform)上搭載的清洗槽按照4→8→16→24腔逐步增多,因此,“單片式”的吐出量并不亞于“批量式”,甚至達到了800個/小時。結(jié)果,以2008年為分水嶺,清洗設(shè)備的“主角光環(huán)”從“批量式”轉(zhuǎn)移到了“單片式”。如下圖3。
圖3:半導(dǎo)體清洗設(shè)備出貨金額的推移(圖片來源:根據(jù)野村證券的數(shù)字制作了此圖)
曾經(jīng) “批量式”的唯一優(yōu)勢在于較高的吐出量,解決了污跡殘留問題的“單片式”如果可以獲得樣的吐出量,就沒有理由繼續(xù)使用“批量式”設(shè)備了。也就是說,自2014年以來,“批量式”設(shè)備的出貨金額之所以會出現(xiàn)增長是反映了3D NAND閃存(以下簡稱為:“NAND”)生產(chǎn)中需要使用批量式的晶圓蝕刻設(shè)備、且需求在不斷增長。
話雖如此,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備廠家雖然通過自身的努力大幅度提高設(shè)備的吐出量,而設(shè)備本身的價格卻并沒有成比例的提高,也就是說,生產(chǎn)設(shè)備廠家在“作繭自縛”。
那么,為什么在2017年以后,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額會超過2000年IT泡沫時、且獲得迅速增長呢?
3D NAND的效果
下圖4是各種半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額推移表。2015年之前曝光設(shè)備的出貨金額一直位居首位,2015年之后,干蝕刻(Dry Etching)設(shè)備開始位居首位。此外,CVD設(shè)備的出貨金額也迅速增長,2017年CVD設(shè)備的出貨金額幾乎接近曝光設(shè)備和檢查設(shè)備。
圖4:各種半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備出貨金額的趨勢(圖片來源:根據(jù)野村證券的數(shù)字制作了此圖)
主要原因在于大數(shù)據(jù)時代正式到來、數(shù)據(jù)中心需求猛增、服務(wù)器方向的存儲半導(dǎo)體需求迅速增長。尤其是存儲半導(dǎo)體中的NAND的3D化,起到了重要作用。
存儲密度每年以1.5倍的速度增長,因此,3D NAND的層數(shù)也不斷增長:24層→32層→48層→64層→96層→128層。比方說,從64層增至96層,理論上就需要1.5倍數(shù)量的CVD設(shè)備。
此外,所需要的干蝕設(shè)備的數(shù)量不止增加1.5倍,也就是說,64層的3D NAND的存儲孔(Memory Hole)的開口需要花費約一個小時。但是,開孔越深,蝕刻速度也相應(yīng)地成指數(shù)地變慢,因此96層的存儲孔的開口需要花費多個小時。
然而,目前僅有三星電子在實施一次性加工96層(準(zhǔn)確來說是92層)的存儲孔,鎧俠等其他公司的96層采用的是堆疊兩個48層的形式。由于進行兩次48層的HARC蝕刻,因此需要兩倍的干蝕設(shè)備。
如此一來,由于NAND 3D化、層數(shù)的增加,各種設(shè)備的需求量也越來越多。直接結(jié)果就是半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額在2017年超過了IT泡沫的頂峰時刻。
存儲半導(dǎo)體市場在2018年達到頂峰,2019年存儲半導(dǎo)體跌入低谷,據(jù)預(yù)測2020年以后,存儲半導(dǎo)體將會再次出現(xiàn)增長,且半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額也會再次增長。
EUV的效果
如圖4所示,由于2019年存儲半導(dǎo)體的低迷,很多半導(dǎo)體設(shè)備的出貨金額都出現(xiàn)了下跌。然而,曝光設(shè)備的出貨金額卻一直在增長。2019年曝光設(shè)備的出貨金額再次獲得TOP1的首位。這主要是價格為160億日元(約人民幣9.6億元)/臺的最尖端EUV曝光設(shè)備普及帶來的結(jié)果。
在2020年6月召開的“VLSI座談會”上,ASML宣布,2019年第四季度累計出貨53臺EUV設(shè)備(3400系列),如下圖5資料顯示,2020年第一季度的銷售數(shù)量增加了4臺,因此,2020年第一季度累計銷售了57臺EUV設(shè)備。
圖5:ASML的EUV曝光設(shè)備的累計出貨數(shù)量(圖片來源:Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5)
然而,令人吃驚的是,2020年1月22日WikiChip Fuse報道稱,2019年第四季度,ASML的EUV的開口訂單(Open PO)數(shù)量為49臺,據(jù)推測,TSMC為20臺,三星為20臺,英特爾為4臺-5臺,其他Micron、SK hynix為少量。
據(jù)熟悉光刻技術(shù)的業(yè)內(nèi)人士透露,2020年以后,TSMC每年會導(dǎo)入20多臺EUV設(shè)備。據(jù)說,三星電子也計劃自2020年起每年導(dǎo)入20臺EUV曝光設(shè)備。照此計算,在2025年兩家公司合計啟動100多臺EUV曝光設(shè)備。受EUV作用的影響,未來曝光設(shè)備的出貨金額也會大幅度增長。
此外,就EUV的周邊設(shè)備而言,光掩膜繪制設(shè)備、光掩膜檢查設(shè)備、涂覆顯影設(shè)備等的出貨金額也有望出現(xiàn)增長。
各家半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備廠家的市場占比、未來展望
最后,我們來看下2019年各家半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備企業(yè)的市場占比(如下圖6),韓國SEMES、中國的NAURA也在某些領(lǐng)域獲得了少量的市場占比,但是,就整體的設(shè)備而言,基本被日本、美國、歐洲企業(yè)瓜分。
圖6:各家半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備廠家的市場占比(2019年)(圖片來源:根據(jù)野村制作所的數(shù)據(jù)制作了此圖)
曝光設(shè)備、涂覆顯影設(shè)備、濺射設(shè)備、批量式清洗設(shè)備、異物檢查設(shè)備、缺陷檢查設(shè)備幾乎為“一超多強”的模式,此外,光掩膜檢查設(shè)備、CVD設(shè)備、熱處理設(shè)備、CMP設(shè)備、單片式清洗設(shè)備為“二超多強”的模式。另外,干蝕設(shè)備幾乎為“三超一強”的模式。
總之,就所有的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備而言,日本、歐洲、美國的某些企業(yè)創(chuàng)造了“1超-3超+其他”的模式,也就是說,這些企業(yè)匯集了半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)要領(lǐng),新型企業(yè)很難打入。中國雖然在力推半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的國產(chǎn)化,但尖端生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)是需要相當(dāng)長的時間的。
那么,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備未來的出貨金額趨勢如何呢?從過去的經(jīng)驗來看,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備出貨金額比半導(dǎo)體本身的浮動要更明顯,未來應(yīng)該還會出現(xiàn)“某某泡沫”、“某某沖擊”這種現(xiàn)象,屆時半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額還會出現(xiàn)大幅度的變化。
但是,邏輯半導(dǎo)體的微縮化一直沒有停步,此外,DRAM的微縮化也會繼續(xù)進步,同時,3D NAND的積層數(shù)量應(yīng)該也會繼續(xù)增加。因此,雖然半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額可能會出現(xiàn)較大的浮動,但整體是呈現(xiàn)增長趨勢,至少不受新冠肺炎的影響、且繼續(xù)增長。