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从半个百分点起步的中国芯片装备

作者:林雪萍2023.07.17阅读 2003

  全球半导体设备谁最强?唯垄断二字担当。
  人人都为芯片狂。但芯片是巨人打架的地方。半导体市场大约6000亿美元的规模,其中有1000亿美元是半导体设备,到处都是巨头的身影。一个晶圆厂目前投资动辄上百亿美元以上,没有几家企业能够负担得起。现在全球的芯片工厂建设,都在等着国家补贴,连英特尔都跑到德国去投资。
  这其中30%用于建设洁净加耗电巨大的厂房,而70%的投资则用于设备。一个晶圆厂往往有设备3000台控制工程网版权所有,涉及十大类设备,170多种细分设备。而前道设备投资量占总设备投资总量约80%。
  实际上,半导体设备最激烈的竞争市场在前道设备。这里充满了无情的寡头形象。半导体设备种类很多,但四种前道设备占到了70%以上。
  从日本半导体制造设备协会的数据来看,前道设备中的干法刻蚀设备202亿美元,这是第一个单类型出货量超过200亿美元的设备。其次是检测设备,出货额为178亿美元控制工程网版权所有,成为第二大出货量。这其中,仅仅视觉检查设备价值就达到135亿美元。传感器加上仪器仪表技术,在这里大有可为。国人最关注的光刻机设备,排名第三为167亿美元。而化学气相沉积CVD设备以112亿美元排名第四。
  如果去看前处理设备的市场占有率就非常奇葩了。前端工艺设备呈现了垄断的局面,基本就是一家独大的独头蒜、双雄争霸的双峰骆驼和三国演义的三叶草形态。在此之外,几乎寸草不生。
  先看一家独大的独头蒜。光刻机设备ASML占比92%,镀膜机则主要来自东京电子TEL占比89%,而溅射设备则以美国应材最多,占比85%。在目视检查和缺陷检测领域,则是美国科磊KLA的天下,分别是57%和73.4%。
  再看两熊相争的双驼峰。热处理设备是日本TEL(59%)和日立国际电气(35%),两者基本瓜分掉93%;研磨抛光CMP设备由美国应材AMAT(70.4%)和日本荏原Ebara(24%)所垄断。这方面控制工程网版权所有,国产的中华海清科已经开始有所突破。
  批量清洗设备则主要是日本迪恩士SCREEN(51%)和东京电子TEL(29%);掩模检测设备则是美国科磊KLA(54.5%)和日本公司lasertech(36%);而关键尺寸扫描电镜CD-SEM则主要是来自日立高新(65.5%)和AMAT(34.5%),二者完全瓜分。
  最后看三国演义的三叶草,三家企业控制了市场。在干法刻蚀领域被美国泛林(49%)、东京电子TEL (22%)和应材AMAT (16%)基本吃光;而在干式蚀刻设备领域被应材AMAT (38%)、美国泛林Lam (33%)、ASMI (14%)三家拿下;化学气相沉积设备CVD领域也一样:日本迪恩士SCREEN (37%) 、东京电子TEL (28%)、Lam (17%)。
  数下来,基本就没有别的企业什么事了。全球Top10的设备厂家,占据全球75%的份额。半导体设备行业,真是吃独食的行业。
  如果按照国家看,荷兰偏科,最为知名的ASML在光刻设备方面拥有92%的垄断地位。
  然而,美国则是最强大半导体设备制造国。以美国应材AMAT、泛林Lam、科磊KLA三家公司为主,基本包圆。它们控制了干蚀刻设备(65%)、CVD设备(66%)、溅射设备(88%)、CMP设备(70%)、目视检查设备(70%)、缺陷检测设备(90%)、掩模检测设备(60%),三家公司构建了美国半导体设备的霸主地位。科磊是量测设备的领头羊,很多产品的市场份额往往是竞争对手的四倍以上。国内半导体设备检测的龙头中科飞测年收入为5亿元人民币CONTROL ENGINEERING China版权所有,而科磊2022年收入92亿美元,净利润12亿美元。
  如果考虑全球三大EDA软件公司都是在美国,而芯片设计公司如高通、英伟达、英特尔、苹果等也都是在美国。显然,美国是全球最强大的芯片王国,无论是设计公司、软件公司还是设备公司。唯一的纰漏就是芯片制造。其实台积电也几乎垄断了全球最先进的制程,也是独此一家。美国没有也很正常。而在非先进制程方面,美国也有英特尔公司的制造。同时,类似德州仪器TI等模拟芯片的巨头,在美国都有工厂。
  美国政客其实是利用了“最先进制程不在美国”这一点点的分工瑕疵,来作为情绪杠杆,成功地撬动了美国上下的芯片热狂潮。
  这种情绪,很快扩散到日本和德国。二者都在寻求芯片晶圆厂的落地。作为机械制造的全球强国,德国在半导体设备产业毫无存在感,这真是令人吃惊。尽管德国通快提供了全球最强的二氧化碳激光器,蔡司提供了最好的镜头,博世拥有全球最强的汽车芯片设计,但这些都无法遮掩德国半导体设备的苍白。
  曾经在存储芯片领域呼风唤雨的日本则不同,半导体设备也是同步跟随发展起来。根据日本半导体制造设备协会报告,2023年度日本生产的半导体设备销售额将比上年度下滑23%,约为1500亿元人民币,占据全球市场的20%左右。
  但跟欧美策略有所不同,日本采用了利基市场战略,在小市场占据大份额。在市场规模较高的市场规模都并不是很大。日本独辟蹊径在涂布机/显影机(92%)、热处理设备(95%)、单片清洗设备(65%)、批量清洗设备(80%)、电镜CD-SEM(66%)等方面拥有世界第一的市场份额。像laertech虽然是一家日本小公司,但却是唯一一家能够为阿斯麦极紫光刻机进行光罩检测的公司。独家秘诀,吃的就是独家饭。日本很多企业,就是吃独头蒜。
  比较意外的是,虽然荷兰阿斯麦在光刻机销售上占据92%,但在出货量上却只有60%。这是因为日本另外两家成熟制程的光刻设备厂家:尼康和佳能表现突出。虽然无法实现EUV极紫光刻机的突破,但佳能还是在DUV深紫光刻机找到了爆破点。它在干燥式光刻机的i-line和KrF光刻机上,一直深钻,因此也依然是偏科生胜出。
  相对而言,阿斯麦可能在这类型的光刻机上心不在焉无力耕耘;而尼康则似乎不在状态。
  从光刻机的分布而言,也可以看出日本与欧美的差异。大块肉都被欧美吃掉了。在超过100亿美元的市场规模中有四类,其中三类都是美国独步武林。最大的市场是202亿美元的干蚀刻设备,被美国泛林和应材吃掉,占65%;在135亿美元的视觉检测设备,美国科磊KLA和应材AMAT占70%;在112亿美元的化学沉积CVD设备,仍然是美国应材和泛林吃掉67%;只有在167亿美元的光刻机设备,荷兰阿斯麦占据了92%。
  对比而言,在半导体前处理设备,中国几乎刚刚迈出了步。2022年,美国收入占据全球市场49%,日本为24%,荷兰为21%。在半导体设备的舞台上,只有三个国家在牌桌上摆局,而其他国家地区基本没有存在感。
  尽管有着强大的半导体制造能力和消费电子的支持,韩国半导体设备也仍然只有2.4%的市场份额。这很大程度依靠三星公司的支撑。三星子公司细美事SEMES在清洗设备上占有一点点空间。在半导体行业领域,韩国也是一个跛脚生。
  而中国半导体前道设备,目前全球占有率只有0.4%,连一个百分点都不到。2022年中国大陆连续第三年成为全球最大的半导体设备市场,将近300亿美元。但半导体设备进口依赖很严重:从2021年中国晶圆厂设备采购额看,国内自给率仅为11%,这其中国产前道设备的自给率更是惨淡。
  起跑线是从小数点开始,这正是中国半导体前道设备所面临的现状。而且,技术差距只是一个方面CONTROL ENGINEERING China版权所有,半导体行业已经孕育了供应商和用户厂商紧密绑定在一起的共生关系。这些设备跟使用者早已形成了紧密的利益集团,他们双向锁定。在应材的美国研发基地,有专门为台积电设立的生产线。而台积电也会向应材、科磊等企业开放宝贵的机器参数。复杂设备的成长,一定要靠用户大奶妈的知识反哺。单纯只是从设备制造商一头去技术攻关,那样的前程黯淡无光。
  在半导体设备超级垄断的局面下,追赶者几乎处于绝境之地。如果没有很好的大工程组织,没有新的协同模式,单纯只靠企业的孤军奋战,很难改变半导体设备特有的“二三夫当关,万千夫莫开”的局面。这不是砸钱就能解决的问题。

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