新冠肺炎持續(xù)在全球范圍內(nèi)蔓延,在筆者寫下這篇文章(2020年7月20日)的時(shí)候,,全球已經(jīng)有1,430萬人感染新冠肺炎,,死亡人數(shù)超60萬。
目前來看,新冠肺炎蔓延的趨勢(shì)有增無減,因此全球各國(guó)都繼續(xù)“緊鎖大門”!結(jié)果導(dǎo)致制造行業(yè)需求下滑,,零部件、材料的供應(yīng)鏈中斷,,企業(yè)產(chǎn)生巨額的赤字,,越來越多的企業(yè)無法做出下一財(cái)政年度的業(yè)績(jī)預(yù)想。
然而,,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)卻絲毫沒有受到新冠肺炎的影響,,比方說,位于微縮加工技術(shù)頂端的臺(tái)灣TSMC已經(jīng)量產(chǎn)采用全球最尖端曝光設(shè)備EUV的5納米節(jié)點(diǎn)(以下省略“節(jié)點(diǎn)”)技術(shù),,此外,,TSMC還計(jì)劃自10月開始3納米的風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)(Risk Production),2021年開始量產(chǎn),。另外,,TSMC已經(jīng)正式開始研發(fā)2納米,且計(jì)劃在2021年下半年開始2納米的風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)(Risk Production),。
同時(shí),,韓國(guó)三星電子也一直緊隨在TSMC之后,也就是說,,盡管全球陷入了新冠肺炎的危機(jī)之中,,半導(dǎo)體的微縮技術(shù)不僅沒有停滯,反而在加速發(fā)展,。
那么,,半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額又是怎么樣呢?如下文所示,。
半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額
下圖1是1991年-2019年期間的半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額推移,、2020年為預(yù)測(cè)值。
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(cè))。(圖片出自:筆者根據(jù)WSTS,、SEMI的數(shù)據(jù)制作了此圖)
據(jù)WSTS(World Semiconductor Trade Statistic,,世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì))預(yù)測(cè),與存儲(chǔ)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(jì)增長(zhǎng)3.3%,,增至4,260億美元(約人民幣29,820億元),。雖然存儲(chǔ)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(Semiconductor Equipment and Materials International,國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì))預(yù)測(cè),,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(duì)2020年,,2021年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)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(zhǎng)速度放緩,2021年預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)歷史最高值(超過2018年存儲(chǔ)半導(dǎo)體泡沫時(shí)的實(shí)績(jī)),。
從上文可知,,新冠肺炎對(duì)半導(dǎo)體、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的影響甚微,,2021年二者都將回到正常的增長(zhǎng)軌道,。就原因而言,筆者推測(cè)如下:雖然新冠肺炎導(dǎo)致智能手機(jī),、數(shù)碼家電,、汽車等產(chǎn)品的需求嚴(yán)重下滑,然而,,由于全球范圍內(nèi)遠(yuǎn)程辦公的普及,,PC終端、數(shù)據(jù)中心(Data Center)等的需求急劇擴(kuò)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(diǎn)和不同點(diǎn)
很明顯,半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備絕不會(huì)被新冠肺炎打?。ㄖ辽俟P者是這么認(rèn)為的),!而且,下圖2半導(dǎo)體和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額推移表中既存在共同點(diǎn),、又有不同點(diǎn),。
下圖2是以2000年IT泡沫破裂時(shí)的數(shù)值為基準(zhǔn)計(jì)算出的半導(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(shí)達(dá)到頂峰,,“雷曼沖擊”后的2009年跌入低谷,,在2018年(存儲(chǔ)半導(dǎo)體泡沫)再次迎來頂峰。也就是說,,兩條線上下浮動(dòng)的趨勢(shì)是基本一致的,。
圖2:以2000年IT泡沫破裂時(shí)的數(shù)值為基準(zhǔn)計(jì)算的出貨金額的趨勢(shì),。(圖片出自:筆者根據(jù)WSTS、SEMI的數(shù)據(jù)制作了此圖,。)
不過二者也有不同點(diǎn),。半導(dǎo)體的出貨金額在IT泡沫破裂后,很快得以恢復(fù),,并且超過了2004年IT泡沫時(shí)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(shì),,在2018年,出貨金額達(dá)到IT泡沫時(shí)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(shí),但卻并沒有超過IT泡沫時(shí),,在三年前的2017年首次超過了IT泡沫時(shí)的出貨金額,。
也就是說,超過2000年時(shí)的峰值,,花費(fèi)了17年的時(shí)間,!為什么花費(fèi)了這么久的時(shí)間呢?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(zhǎng)呢,?
阻礙半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備出貨金額增長(zhǎng)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(shí)的峰值,筆者認(rèn)為主要有兩個(gè)原因,。其一,、尖端半導(dǎo)體廠家的減少,其二,、各種生產(chǎn)設(shè)備的吞吐量(Through Put,,一小時(shí)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(jìn)入2000年,也不斷有臺(tái)灣企業(yè)放棄DRAM的生產(chǎn),。另外,,2006年從德國(guó)Infineon Technologies獨(dú)立出來的Qimonda也在2009年倒閉,僅存的一家日本企業(yè)---爾必達(dá)存儲(chǔ)半導(dǎo)體也在2012年倒閉,、且被美國(guó)的Micron Technology收購(gòu),。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(guó)GLOBALFOUNDRIES宣布,放棄10納米以后的研發(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(dòng)一直不順利,,7納米及后續(xù)的微縮化發(fā)展其實(shí)主要集中在Samsung,、TSMC兩家公司。
隨著越來越多的半導(dǎo)體廠家被淘汰,,能夠進(jìn)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)備的出貨金額難以得到增長(zhǎng),。
各種半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備吞吐量(Through Put,,一小時(shí)的晶圓處理數(shù)量)的提高--“作繭自縛”
第二個(gè)主要原因?yàn)楦骷野雽?dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備廠家竭力提高晶圓的吞吐量(這個(gè)原因真具有諷刺意味)。
比方說,,在2007年前后,,液浸ArF曝光設(shè)備出現(xiàn)的時(shí)候,吞吐量為130個(gè)/小時(shí),,但是,,今天的吞吐量可以超過250個(gè)/小時(shí)。也就是說,在2007年的時(shí)候,,需要兩臺(tái)液浸ArF曝光設(shè)備,,而今天僅需要一臺(tái)。
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(gè)晶圓的“批量式”和一個(gè)個(gè)處理的“單片式”。當(dāng)然,,“批量式”的吞吐量比“單片式”要大得多,,但是,“批量式”存在一個(gè)缺點(diǎn),,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(diǎn),吞吐量卻不高,。
然而,,就“單片式”設(shè)備而言,一臺(tái)設(shè)備的平臺(tái)(Platform)上可搭載的清洗槽逐步增加為4→8→16→24,,因此,,“單片式”的吞吐量并不亞于“批量式”,甚至達(dá)到了800個(gè)/小時(shí),。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。(圖片出自:筆者根據(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(shì)在于較高的吞吐量,,解決了污跡殘留問題的“單片式”如果可以獲得同等數(shù)量的吞吐量的話,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(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)是由于3D NAND閃存(以下簡(jiǎn)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(zhǎng),。
令人感覺不可思議的是,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)備的吞吐量,,而設(shè)備本身的價(jià)格卻并沒有成比例的提升,,也就是說,生產(chǎn)設(shè)備廠家“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(huì)超過2000年IT泡沫時(shí)、且獲得迅速增長(zhǎng)呢,?
3D NAND
下圖4是各種生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額的推移表,。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(zhǎng),,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(shì),。(圖片出自:筆者根據(jù)野村證券的數(shù)字制作了此圖,。)
筆者認(rèn)為,主要原因在于以下:大數(shù)據(jù)時(shí)代正式到來,、數(shù)據(jù)中心需求猛增,、服務(wù)器方向的存儲(chǔ)半導(dǎo)體需求迅速增長(zhǎng)。尤其是存儲(chǔ)半導(dǎo)體中的NAND的3D化,,起到了重要作用,。
存儲(chǔ)密度每年以1.5倍的速度增長(zhǎng),因此,,3D NAND的層數(shù)也不斷增長(zhǎng):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)量不僅僅增加1.5倍,,也就是說,,64層的3D NAND的存儲(chǔ)孔(Memory Hole)的開口需要花費(fèi)約一個(gè)小時(shí)。但是,,開孔越深,,蝕刻速度越慢,因此96層的存儲(chǔ)孔的開口需要花費(fèi)多個(gè)小時(shí),。
然而,,目前正在加工96層(準(zhǔn)確來說是92層)的存儲(chǔ)孔的僅有三星電子,鎧俠等其他公司的96層采用的是堆疊兩個(gè)48層的形式,。由于進(jìn)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(shí)刻,。
存儲(chǔ)半導(dǎo)體市場(chǎng)在2018年達(dá)到頂峰,,2019年存儲(chǔ)半導(dǎo)體跌入低谷,據(jù)預(yù)測(cè)2020年以后,,存儲(chǔ)半導(dǎo)體將會(huì)再次出現(xiàn)增長(zhǎng),,且半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額也會(huì)再次增長(zhǎng)。
EUV的效果
如圖4所示,,由于2019年存儲(chǔ)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(zhǎng),。結(jié)果,2019年曝光設(shè)備的出貨金額再次獲得TOP1的首位,。這主要是由于價(jià)格為160億日元(約人民幣9.6億元)/臺(tái)的最尖端曝光設(shè)備EUV的正式普及帶來的結(jié)果,。
在2020年6月召開的“VLSI座談會(huì)”上,ASML宣布,,2019年第四季度累計(jì)出貨53臺(tái)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(tái),,因此,,2020年第一季度時(shí)間點(diǎn)累計(jì)銷售了57臺(tái)EUV設(shè)備。
圖5:ASML的EUV曝光設(shè)備的累計(jì)出貨數(shù)量,。(圖片出自: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(bào)道稱,,2019年第四季度時(shí)間點(diǎn),ASML的EUV的開口訂單(Open PO)數(shù)量為49臺(tái),,據(jù)推測(cè),,TSMC為20臺(tái),三星為20臺(tái),,英特爾為4臺(tái)-5臺(tái),,其他Micron、SK hynix為少量,。
據(jù)熟悉光刻技術(shù)(Lithography)的業(yè)內(nèi)人士透露,,2020年以后,TSMC每年會(huì)導(dǎo)入20多臺(tái)EUV設(shè)備,。此外,,據(jù)說,,三星電子也計(jì)劃自2020年起每年導(dǎo)入20臺(tái)EUV曝光設(shè)備。照此計(jì)算,,在2025年兩家公司合計(jì)啟動(dòng)100多臺(tái)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(huì)大幅度增長(zhǎng),。
此外,,就EUV的周邊設(shè)備而言,光掩膜(Mask)繪制設(shè)備,、光掩膜(Mask)檢查設(shè)備,、涂覆顯影設(shè)備(Coater Developper)等的出貨金額也會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。
各家半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備廠家的市場(chǎng)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(chǎng)占比(如下圖6),韓國(guó)SEMES,、中國(guó)的NAURA也在某些領(lǐng)域獲得了一定的市場(chǎng)占比,但是,,就整體的設(shè)備而言,,基本被日本、美國(guó),、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(chǎng)占比(2019年)。(圖片出自:筆者根據(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(Coater Developper)、濺射設(shè)備(Spatter),、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(qiáng)”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(qiáng)”的模式,。另外,,干蝕設(shè)備幾乎為“三超一強(qiáng)”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(guó)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(guó)雖然在力推半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,,但尖端生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)是需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間的。
那么,,半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備未來的出貨金額趨勢(shì)如何呢,?從過去的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)要更明顯,,未來應(yīng)該還會(huì)出現(xiàn)“某某泡沫”,、“某某沖擊”這種現(xiàn)象,屆時(shí)半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額還會(huì)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(huì)繼續(xù)進(jìn)步,,同時(shí),3D NAND的積層數(shù)量應(yīng)該也會(huì)繼續(xù)增加,。因此,,筆者堅(jiān)信雖然半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的出貨金額可能會(huì)出現(xiàn)較大的浮動(dòng),但整體是呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),,至少不受新冠肺炎的影響,、且繼續(xù)增長(zhǎng)。