花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性

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　　导读
　　除了光刻设备生产集中在荷兰和日本之外，美国在大多数前端半导体生产设备的全球生产中占有很大份额。
　　（上接第一部分：集成电路设计《花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之一：集成电路设计企业） | 王志华》；第二部分：《花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之二：集成电路制造） | 王志华》；第三部分：《花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之三：组装、测试和封装以及先进封装） | 王志华》）
　　五、半导体产品制造设备
　　（一）半导体制造设备SME概述
　　半导体产品加工制造设备SME有很多种类，分别用于半导体生产线的不同工序。包含有专门用于制造裸晶圆（材料）、将裸晶圆加工为成品晶圆的半导体（前端）设备、封装（后端）设备，以及用于制造光掩模的设备（掩模制造）的设备等类型。芯片制造商在其生产线中需要全部类别的前端设备。复杂的前端半导体制造设备的成本是半导体晶圆厂成本高的主要原因（还包含超净厂房建设成本）。
　　前端半导体制造设备包括用于芯片制造诸工序的设备，例如光刻、蚀刻、掺杂或离子注入、沉积、抛光或化学机械平面化。特别值得注意的是金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 设备，这是一种特定类型的沉积设备，可沉积某些金属的薄层，主要用于生产化合物半导体，包括基于 GaAs 和 GaN 的那些。
　　后端半导体制造设备SME包括ATP和高级封装设备。
　　（二）现状
　　半导体制造设备由美国（按销售收入计 41.7% 的份额）、日本（31.1%）和荷兰（18.8%）的公司主导。韩国拥有 2.2% 的份额，其余大致6.2%的份额由中国、德国、台湾、以色列、加拿大以及东南亚和欧洲的其他国家/地区分享。韩国的半导体制造设备厂商多为三星或 SK 海力士所有，这些韩国半导体设备公司的主要客户韩国的半导体企业。尽管也有一家中国公司生产不同类型的半导体制造设备，但除了后端组装、封装设备和 MOCVD 外，中国公司在任何半导体制造设备类别中都没有显着的份额。
　　总而言之，除了光刻设备生产集中在荷兰和日本之外，美国在大多数前端半导体生产设备的全球生产中占有很大份额。美国在后端测试设备的全球生产中也占有很大份额。相比之下，美国在全球后端半导体生产设备制造（装配及封装装设备）市场份额相对较小，而中国则占有相当大的份额。虽然中国目前高度依赖非中国来源的半导体生产设备（封装和 MOCVD 除外），但它正在提供大量投资，专注于生产此类设备。相对于其他公司，这些投资为受益公司在研发生产前沿芯片设备方面提供了显着优势。
　　如下图所示，虽然美国在大多数前端SME的生产中占有相当大的市场份额，但值得注意的例外是光刻扫描/步进设备，几乎全部由荷兰公司 ASML 和日本公司尼康和佳能制造。对于光刻机，ASML（荷兰）是 EUV 步进器/扫描器的唯一生产商，这对于生产线宽为 5 nm 或更小的集成电路至关重要。然而，目前只有台积电和三星两家半导体制造商在生产中使用 EUV 机器，单台设备的成本超过 1 亿美元。ASML 和尼康都生产深紫外 (DUV) 光刻机，通过光掩模投射光束，并在晶片上创建光掩模图案的缩小图像。在荷兰和日本之外，美国和其他国家在光刻设备方面的份额主要是用于特定小批量芯片或制造光掩模的光刻设备。
　　一台套半导体制造设备可以有多达100多个零件，半导体制造设备零件和配件是该行业最大的贸易类别。根据制造商普查调查，美国半导体制造设备销售收入的一半用于零部件和其他材料。有130多家美国公司为外国公司销售的设备提供关键零部件。值得注意的是，Cymer（美国）为 ASML 的 EUV 步进/扫描仪光刻机制造激光器。ASML 于 2013 年收购了Cymer，但 Cymer 仍然是 ASML 位于美国的独立运营部门。
　　由于市场和客户有限，销售具有周期性，大多数大型设备公司生产不止一种类型的设备，以便为客户提供全套设备和维护选项。由于设备的独特技术，ASML 等光刻步进/扫描仪设备公司是这一规则的例外。Lam Research 、Tokyo Electron (TEL) 专注于沉积和蚀刻，而 KLA 专注于计量和检测。
　　日本和荷兰领先的一个例外是 MOCVD 设备，该设备用于生产由硅以外的材料（如 GaN 和 GaAs）制成的半导体，包括 LED、激光二极管和其他光子芯片、功率/射频设备和太阳能细胞。如上所述，GaN 芯片具有战略防御意义。MOCVD 设备由 Veeco（美国）、Aixtron（德国）和 AMEC（中国）制造。中国试图通过收购获得 MOCVD 市场的市场份额。2016 年，中国实体福建宏芯投资基金（一家为该交易成立的公司，包括国有和地区所有机构）试图收购Aixtron，但该交易由美国外国投资委员会 (CFIUS) 进行审查后被奥巴马总统阻止，潜在的收购方放弃了收购要约。
　　蚀刻设备排名前三的公司是 Lam Research（美国）、Tokyo Electron（日本）和 Applied Materials（美国）。 包括AMEC 在内的中国公司在蚀刻方面拥有一定的专业知识，可以在低端应用提供设备，然而，他们的市场份额只有 1%左右。
　　与前端半导体制造设备相比，美国在后端封装SME的市场份额相对较小（4.9%）。日本拥有最大的封装设备份额（35.7%），其次是中国（22.9%）和荷兰（11.1%）。然而，总部位于美国的 Kulicke and Soffa 是一家领先的半导体封装设备公司。美国和日本在后端测试设备（ATP）方面处于领先地位，分别拥有 33.5% 和 48.6% 的市场份额。
　　（三）半导体制造设备，美国的风险
　　对国外（非美国）销售的依赖：
　　虽然美国在半导体生产设备市场中占有很大份额，但美国生产商高度依赖国外销售。作为最大的半导体制造商，台湾、中国大陆和韩国是半导体生产设备的最大市场。尽管台湾有望在 2021 年和 2022 年重新成为半导体生产设备的最大市场，但由于芯片生产厂需要有的大量支出，美国应用材料公司和 Lam Research 报告称，其 2020 年总收入的约 90% 来自非美国销售。Lam Research 从中国获得的收入从2018年的16% 增长到2020 年的 31%。因此，美国半导体生产设备生产商面临着受到美中贸易限制或亚洲意外需求变化的重大影响的风险。由此产生的影响可能远远超出当前收入下降的范围，因为半导体制造商会遇到一定程度的设备锁定，不断变化设备供应商需要代价高昂的重新设计。例如，Lam Research 在其 2020 年年度报告中指出，＂一旦半导体制造商承诺购买竞争对手的半导体制造设备，制造商通常会继续购买该竞争对手的设备，这使以后我们更难向该客户出售我们的设备。＂此外，半导体生产设备的销售仅限于拥有晶圆厂的大学和半导体制造公司。半导体生产设备公司无法增加这些类别以外的客户群，因为这种设备是半导体行业独有的。
　　中国对半导体生产设备生产的补贴扭曲了市场：
　　此外，中国计划提供大量补贴来资助该国的半导体生产设备生产。中国国家集成电路产业投资基金的第二阶段专注于蚀刻机、淀积设备、测试和晶圆清洁设备，资金从 28.9 美元到 470 亿美元不等。补贴使中国公司继续经营，尽管大多数公司似乎没有盈利。例如，根据经济合作与发展组织 (OECD) 的说法，＂政府注资对中国半导体生产商的财务业绩产生了明显的影响＂，其中公司资产的增加与盈利能力的增长不相匹配。这些补贴为中国公司提供了资金投资于下一代半导体制造的研发，相对于未获得此类补贴的非中国公司，这些公司具有显着优势。鉴于制造半导体生产设备的大量研发和资本支出以及前沿芯片生产时间和地点的不确定性，与过去不同，今天，半导体生产设备制造商不愿意投资于下一代晶圆尺寸的研发。
　　（待续）
　　2021年6月16日于北京
　　扩展阅读：
　　花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之一：集成电路设计企业） | 王志华
　　花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之二：集成电路制造） | 王志华
　　花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之三：组装、测试和封装以及先进封装） | 王志华
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　　背景简介：   本文作者王志华，清华大学微电子学研究所教授。  文章2021年6月17日发表于微信公众 号   王老先生的酒肆絮语   （花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之四：半导体生产设备）），风云之声获授权转载。