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花旗國如何看待其半導體產品供應鏈的安全性（之四：半導體生產設備）
2022-06-02
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（上接第一部分：集成電路設計；第二部分：集成電路制造；第三部分：基本封裝、測試與先進封裝）
五、半導體產品制造設備
（一）半導體制造設備SME概述
半導體產品加工制造設備SME有很多種類，分別用于半導體生產線的不同工序。包含有專門用于制造裸晶圓（材料）、將裸晶圓加工為成品晶圓的半導體（前端）設備、封裝（后端）設備，以及用于制造光掩模的設備（掩模制造）的設備等類型。芯片制造商在其生產線中需要全部類別的前端設備。復雜的前端半導體制造設備的成本是半導體晶圓廠成本高的主要原因（還包含超凈廠房建設成本）。
前端半導體制造設備包括用于芯片制造諸工序的設備，例如光刻、蝕刻、摻雜或離子注入、沉積、拋光或化學機械平面化。特別值得注意的是金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 設備，這是一種特定類型的沉積設備，可沉積某些金屬的薄層，主要用于生產化合物半導體，包括基于 GaAs 和 GaN 的那些。
后端半導體制造設備SME包括ATP和高級封裝設備。
（二）現狀
半導體制造設備由美國（按銷售收入計 41.7% 的份額）、日本（31.1%）和荷蘭（18.8%）的公司主導。韓國擁有 2.2% 的份額，其余大致6.2%的份額由中國、德國、臺灣、以色列、加拿大以及東南亞和歐洲的其他國家/地區分享。韓國的半導體制造設備廠商多為三星或 SK 海力士所有，這些韓國半導體設備公司的主要客戶韓國的半導體企業。盡管也有一家中國公司生產不同類型的半導體制造設備，但除了后端組裝、封裝設備和 MOCVD 外，中國公司在任何半導體制造設備類別中都沒有顯著的份額。
總而言之，除了光刻設備生產集中在荷蘭和日本之外，美國在大多數前端半導體生產設備的全球生產中占有很大份額。美國在后端測試設備的全球生產中也占有很大份額。相比之下，美國在全球后端半導體生產設備制造（裝配及封裝裝設備）市場份額相對較小，而中國則占有相當大的份額。雖然中國目前高度依賴非中國來源的半導體生產設備（封裝和 MOCVD 除外），但它正在提供大量投資，專注于生產此類設備。相對于其他公司，這些投資為受益公司在研發生產前沿芯片設備方面提供了顯著優勢。
如下圖所示，雖然美國在大多數前端SME的生產中占有相當大的市場份額，但值得注意的例外是光刻掃描/步進設備，幾乎全部由荷蘭公司 ASML 和日本公司尼康和佳能制造。對于光刻機，ASML（荷蘭）是 EUV 步進器/掃描器的唯一生產商，這對于生產線寬為 5 nm 或更小的集成電路至關重要。然而，目前只有臺積電和三星兩家半導體制造商在生產中使用 EUV 機器，單臺設備的成本超過 1 億美元。ASML 和尼康都生產深紫外 (DUV) 光刻機，通過光掩模投射光束，并在晶片上創建光掩模圖案的縮小圖像。在荷蘭和日本之外，美國和其他國家在光刻設備方面的份額主要是用于特定小批量芯片或制造光掩模的光刻設備。
一臺套半導體制造設備可以有多達100多個零件，半導體制造設備零件和配件是該行業最大的貿易類別。根據制造商普查調查，美國半導體制造設備銷售收入的一半用于零部件和其他材料。有130多家美國公司為外國公司銷售的設備提供關鍵零部件。值得注意的是，Cymer（美國）為 ASML 的 EUV 步進/掃描儀光刻機制造激光器。ASML 于 2013 年收購了Cymer，但 Cymer 仍然是 ASML 位于美國的獨立運營部門。
由于市場和客戶有限，銷售具有周期性，大多數大型設備公司生產不止一種類型的設備，以便為客戶提供全套設備和維護選項。由于設備的獨特技術，ASML 等光刻步進/掃描儀設備公司是這一規則的例外。Lam Research 、Tokyo Electron (TEL) 專注于沉積和蝕刻，而 KLA 專注于計量和檢測。
日本和荷蘭領先的一個例外是 MOCVD 設備，該設備用于生產由硅以外的材料（如 GaN 和 GaAs）制成的半導體，包括 LED、激光二極管和其他光子芯片、功率/射頻設備和太陽能細胞。如上所述，GaN 芯片具有戰略防御意義。MOCVD 設備由 Veeco（美國）、Aixtron（德國）和 AMEC（中國）制造。中國試圖通過收購獲得 MOCVD 市場的市場份額。2016 年，中國實體福建宏芯投資基金（一家為該交易成立的公司，包括國有和地區所有機構）試圖收購Aixtron，但該交易由美國外國投資委員會 (CFIUS) 進行審查后被奧巴馬總統阻止，潛在的收購方放棄了收購要約。
蝕刻設備排名前三的公司是 Lam Research（美國）、Tokyo Electron（日本）和 Applied Materials（美國）。 包括AMEC 在內的中國公司在蝕刻方面擁有一定的專業知識，可以在低端應用提供設備，然而，他們的市場份額只有 1%左右。
與前端半導體制造設備相比，美國在后端封裝SME的市場份額相對較小（4.9%）。日本擁有最大的封裝設備份額（35.7%），其次是中國（22.9%）和荷蘭（11.1%）。然而，總部位于美國的 Kulicke and Soffa 是一家領先的半導體封裝設備公司。美國和日本在后端測試設備（ATP）方面處于領先地位，分別擁有 33.5% 和 48.6% 的市場份額。
（三）半導體制造設備，美國的風險
對國外（非美國）銷售的依賴：
雖然美國在半導體生產設備市場中占有很大份額，但美國生產商高度依賴國外銷售。作為最大的半導體制造商，臺灣、中國大陸和韓國是半導體生產設備的最大市場。盡管臺灣有望在 2021 年和 2022 年重新成為半導體生產設備的最大市場，但由于芯片生產廠需要有的大量支出，美國應用材料公司和 Lam Research 報告稱，其 2020 年總收入的約 90% 來自非美國銷售。Lam Research 從中國獲得的收入從2018年的16% 增長到2020 年的 31%。因此，美國半導體生產設備生產商面臨著受到美中貿易限制或亞洲意外需求變化的重大影響的風險。由此產生的影響可能遠遠超出當前收入下降的范圍，因為半導體制造商會遇到一定程度的設備鎖定，不斷變化設備供應商需要代價高昂的重新設計。例如，Lam Research 在其 2020 年年度報告中指出，“一旦半導體制造商承諾購買競爭對手的半導體制造設備，制造商通常會繼續購買該競爭對手的設備，這使以后我們更難向該客戶出售我們的設備。”此外，半導體生產設備的銷售僅限于擁有晶圓廠的大學和半導體制造公司。半導體生產設備公司無法增加這些類別以外的客戶群，因為這種設備是半導體行業獨有的。
中國對半導體生產設備生產的補貼扭曲了市場：
此外，中國計劃提供大量補貼來資助該國的半導體生產設備生產。中國國家集成電路產業投資基金的第二階段專注于蝕刻機、淀積設備、測試和晶圓清潔設備，資金從 28.9 美元到 470 億美元不等。補貼使中國公司繼續經營，盡管大多數公司似乎沒有盈利。例如，根據經濟合作與發展組織 (OECD) 的說法，“政府注資對中國半導體生產商的財務業績產生了明顯的影響”，其中公司資產的增加與盈利能力的增長不相匹配。這些補貼為中國公司提供了資金投資于下一代半導體制造的研發，相對于未獲得此類補貼的非中國公司，這些公司具有顯著優勢。鑒于制造半導體生產設備的大量研發和資本支出以及前沿芯片生產時間和地點的不確定性，與過去不同，今天，半導體生產設備制造商不愿意投資于下一代晶圓尺寸的研發。
（待續）
2021年6月16日于北京
免責聲明：本文原創作者清華大學王志華教授，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。
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