不只有光刻机,这五大半导体设备巨头掌控了全球芯片制造的"咽喉要道"

2021-03-25 14:08:56 27


在芯片的生产过程中,有一类企业虽然没有直接参与,但却对整个行业技术的发展起着关键性作用,它们就是半导体设备制造商。芯片的制造流程极其复杂,大致可以分为制备硅片、外延工艺、热氧化、扩散掺杂、离子注入、薄膜制备、光刻、刻蚀、工艺集成等。最广为人知的荷兰阿斯麦(ASML)就是主要生产光刻工艺的核心设备——光刻机。除此之外,刻蚀机、薄膜设备、扩散\离子注入设备、湿法设备、过程检测设备也是必不可少。正是通过这些设备制造商不断研发生产先进的设备,才使得芯片制造的效率效能大幅提高。


目前,全球半导体设备制造商基本由美日荷三国主导,结合美国半导体产业调查公司VLSI Research和Gartner的数据来看,美国应用材料(Applied Materials)、荷兰阿斯麦(ASML)、日本东京电子(TEL)、美国泛林集团(LamResearch)和美国科磊(KLA)多年来一直是该市场的领导者。


多元发展的半导体设备巨头——应用材料


美国应用材料公司(Applied Materials)成立于1967年,总部位于美国硅谷。创始人名叫Michael McNeilly,毕业于冈萨加大学化学系,曾在被誉为“硅晶体管先驱”金·赫尔尼(Jean Hoerni)创办的Union Carbide Electronics公司有机硅部门工作。后来自立门户成立了化学品公司Apogee Chemicals。1967年,由于与合伙人发生冲突McNeilly离开Apogee,并从岳父那借来7500美元作为启动资金成立了应用材料公司,生产半导体制造设备。值得一提的是,1967年美国半导体产业开始迅速发展,许多高管和人才开始从仙童半导体中跳出来创业,硅谷遍布着各种新成立的半导体器件制造商。而这类新兴半导体公司与传统巨头不同,它们没有内部生产能力,应用材料借此机会获得发展,在创立前几年应用材料的收入每年增长速度均超过40%。



在业务上,应用材料涉及薄膜设备、离子注入机、清洗设备、热处理以及前端检测设备。在技术上,应用材料通过收购集成新技术,保持市场领先。例如,1980年收购英国Lintott Engineering进入离子注入市场;2000年收购掩膜板制造供应商Etec Systems切入光罩图案生成解决方案等。2013年应用材料试图收购东京电子,但未获批准。应用材料也早早开始全球化布局。1979年,在日本成立分公司,正式进入亚洲市场。1984年,在北京设立中国客服中心,成为第一家进入中国的外资半导体生产设备供应商。2001年,将中国地区总部设立在上海。2020年,应用材料看好中国经济在疫情后的复苏前景,商讨在上海市临港区建设合资工厂。
 
应用材料在官网上介绍公司“已从一家小型初创企业转变为世界上最受尊敬的公司之一”,截至2021财年一季度,应用材料营收增长24%至51.6亿美元,创下新纪录,它已经成为全球半导体设备和服务供应巨头。
 
风头正盛的明星企业——阿斯麦
 


阿斯麦(ASML)主要为半导体生产商提供光刻机及相关服务。光刻机,又名掩模对准曝光机,是光刻工艺的核心设备。在芯片的制造流程中光刻工艺可谓是最关键的一步,通过光刻可以确定芯片的关键尺寸,这一步骤也占据芯片整体制造成本的35%。随着英特尔、台积电、三星等企业进入以7nm等先进工艺为主打的量产时代,每个芯片生产商都希望尽可能多的购买光刻机来提升产能,这使得阿斯麦的风头正盛,营收等多项业绩指标连创新高。


而早在近40年前,阿斯麦还只是飞利浦旗下的一家合资公司,当时光刻机的尖端技术掌握在美国GCA医疗技术公司和日本尼康手中。1984年,飞利浦和芯片机制造商Advanced Semiconductor Materials International(ASMI)成立了一家新公司,用以开发光刻系统。成立之初,阿斯麦的几十个员工就在荷兰埃因霍温飞利浦办公总部附近的一个棚子里工作,也是在如此简陋的条件下,阿斯麦推出了第一个光刻系统PAS 2000,获得市场的初步认可。1995年,阿斯麦在阿姆斯特丹和纽约证券交易所上市,飞利浦回购全部股份,阿斯麦成为一家完全独立的上市公司。


此后阿斯麦在两个“伯乐”的帮助下获得两次飞跃。20世纪初,阿斯麦与台积电合作研发一种被称作“浸润式光刻”的技术方案,并于2004年生产出第一台浸润式光刻机样机,这使其第一次在技术上赶超竞争对手尼康。2007年阿斯麦拿到光刻机市场60%的份额,首次在营收上超过尼康。早在1997年,英特尔就联合政府、企业建立了芯片业最为顶级的EUV LLC前沿技术组织,研究、推动EUV技术发展。EUV光刻使用较短波长的光来制造更小的芯片。阿斯麦是该组织的成员,并由此获得美国最领先的半导体技术优先使用资格,这一步让阿斯麦将尼康等对手远远甩在身后。2010年,阿斯麦交付首个原型极紫外(EUV)光刻工具,2015年阿斯麦EUV光刻工艺可量产。阿斯麦的EUV光刻机产量一直不高,单价更是高达1.15亿欧元,目前主要提供给台积电、英特尔、三星电子等企业。
 
靠代理贸易起家的日本NO.1——东京电子


日本企业在半导体制造设备领域仍显示出巨大的存在感,东京电子(Tokyo ElectronLimited)就是其中的佼佼者。东京电子诞生于1963年,当时企业名称是"东京电子实验室株式会社",隶属于东京广播系统有限公司。最初东京电子的注册资本只有500万日元,加上创始人一共才有6名员工,直到1965年与美国仙童半导体签订IC测试仪的代理合同,才使其开始发展。但东京电子绝不满足于只做代理。1968年,它与美国Thermco成立合资公司Tel Thermco生产销售扩散炉,这也是日本第一家半导体设备制造厂商。1976年,东京电子开发出世界上第一台高压氧化炉;1986年,生产的第一台立式扩散炉发货。到1989年,东京电子的半导体制造设备营收突破6亿美元,位居全球第一,并连续三年蝉联全球冠军。


东京电子的产品几乎覆盖了半导体制造流程中的所有工序,在晶圆上涂布光刻胶(感光材料)、呈现电子电路的"涂布显影设备"领域东京电子掌握全球9成份额,在利用气体去除电路以外的多余部分的"蚀刻"等领域也具有优势。为了满足全球半导体的增长需求,东京电子计划推进研发等投资。东京电子社长河合利树表示,该公司计划在始于2019财年(截至2020年3月)的3年里,投入4000亿日元(约合人民币250亿元)的研发资金。东京电子的目标是能成为全球第一大半导体设备供应商。
 
引领刻蚀设备市场——泛林集团


半导体设备龙头企业泛林集团(Lam Research)由出生在中国的David K. Lam创立。David K. Lam曾在施乐、惠普和德州仪器工作过。1980年,他获得英特尔创始人鲍勃·诺伊斯(Bob Noyce)的资金支持,成立了泛林集团。泛林集团专注于蚀刻,沉积和清洁市场。1981年推出首款等离子刻蚀机产品 AutoEtch;1992年开发了第一台ICP干法刻蚀设备,打开了ICP刻蚀设备的大门;2014年进入原子层刻蚀领域;2020年更是发布了革新性的等离子刻蚀技术及系统解决方案,将刻蚀输出精度提升50%以上。泛林集团在刻蚀机市场占据半壁江山。


泛林集团的业务也遍布全球,从20世纪80年代中期开始泛林集团在全球扩张,先后在欧洲、韩国、新加坡、日本、中国,印度开设办事处,建立业务。通过泛林的财报可以了解到,亚太地区对其营收贡献最大,占总体营收的八成。去年中芯国际斥资6亿美元购买了泛林蚀刻工具组成的资本设备,用于生产晶圆产品。
 
半导体检测设备领域的王者——科磊半导体
 
美国科磊半导体(KLA)是1997年由KLA和Tencor两家公司合并而成的,前者成立于1975年,专注于缺陷检测解决方案;后者成立于1977年,专注于量测解决方案。合并后称为KLA-Tencor Corporation,2019年改名为KLA Corporation。虽然从营收水平上看科磊与前四家制造商差距较大,但据SEMI统计,2018年科磊在前道的检测和测量市场中占比过半,居行业第一。


科磊半导体的壮大也是通过一系列的并购。仅2019年,科磊半导体就进行了28次并购,如以约32亿美元收购以色列公司Orbotech。科磊半导体还一直看好中国市场,从1999年便在中国设立了第一个分公司, 目前已在北京、上海、南京、西安、武汉、天津、深圳、大连、厦门、无锡设立了10 处办公室。2019年科磊来自中国的收入占比超过一半。


2020年虽然全球遭遇新冠疫情,很多行业都面临极大的挑战,但半导体设备制造商似乎没有遭受损失,上述五家半导体设备巨头的业绩和股价在去年几乎都实现了可观的增长。不久前,在SEMICON China开幕式上,国际半导体产业协会(SEMI)全球副总裁、中国区总裁居龙透露,2020年全球半导体设备市场大幅增长18.9%,中国大陆增长率达39%,首次成为全球最大设备市场。这5家设备厂商2020年在中国大陆市场的营收总和达到727亿元人民币。他们的首席执行官均表示,中国对他们的业务至关重要,并承诺与中国公司进一步密切合作。在科技行业遭遇前所未有的芯片供应危机时,相信只有全球开放合作,共同努力才是企业正确的前进方向。


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