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        解讀半導體設備市場趨勢

        解讀半導體設備市場趨勢

        • 分類:行業新聞
        • 作者:
        • 來源:
        • 發布時間:2020-07-31
        • 訪問量:0

        【概要描述】新冠肺炎持續在全球范圍內蔓延,在筆者寫下這篇文章(2020年7月20日)的時候,全球已經有1,430萬人感染新冠肺炎,死亡人數超60萬。目前來看,新冠肺炎蔓延的趨勢有增無減,因此全球各國都繼續“緊鎖大門”!結果導致制造行業需求下滑,零部件、材料的供應鏈中斷,企業產生巨額的赤字,越來越多的企業無法做出下一財政年度的業績預想。

        解讀半導體設備市場趨勢

        【概要描述】新冠肺炎持續在全球范圍內蔓延,在筆者寫下這篇文章(2020年7月20日)的時候,全球已經有1,430萬人感染新冠肺炎,死亡人數超60萬。目前來看,新冠肺炎蔓延的趨勢有增無減,因此全球各國都繼續“緊鎖大門”!結果導致制造行業需求下滑,零部件、材料的供應鏈中斷,企業產生巨額的赤字,越來越多的企業無法做出下一財政年度的業績預想。

        • 分類:行業新聞
        • 作者:
        • 來源:
        • 發布時間:2020-07-31
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        詳情

          新冠肺炎持續在全球范圍內蔓延,在筆者寫下這篇文章(2020年7月20日)的時候,全球已經有1,430萬人感染新冠肺炎,死亡人數超60萬。目前來看,新冠肺炎蔓延的趨勢有增無減,因此全球各國都繼續“緊鎖大門”!結果導致制造行業需求下滑,零部件、材料的供應鏈中斷,企業產生巨額的赤字,越來越多的企業無法做出下一財政年度的業績預想。

          然而,半導體產業卻絲毫沒有受到新冠肺炎的影響,比方說,位于微縮加工技術頂端的臺灣TSMC已經量產采用全球最尖端曝光設備EUV的5納米節點(以下省略“節點”)技術,此外,TSMC還計劃自10月開始3納米的風險生產(Risk Production),2021年開始量產。另外,TSMC已經正式開始研發2納米,且計劃在2021年下半年開始2納米的風險生產(Risk Production)。同時,韓國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之中,半導體的微縮技術不僅沒有停滯,反而在加速發展。

          那么,半導體和半導體生產設備的出貨金額又是怎么樣呢?如下文所示。

          半導體和半導體生產設備的出貨金額

          下圖1是1991年-2019年期間的半導體和半導體生產設備的出貨金額推移、2020年為預測值。

          

        解讀半導體設備市場趨勢

         

          圖1:半導體和半導體生產設備出貨金額推移。(2020年及以后為預測)。(圖片出自:筆者根據WSTS、SEMI的數據制作了此圖)

          據WSTS(World Semiconductor Trade Statistic,世界半導體貿易統計協會)預測,與存儲半導體低迷的2019年相比,2020年全球半導體出貨金額預計增長3.3%,增至4,260億美元(約人民幣29,820億元)。雖然存儲半導體的恢復情況不佳,但新冠肺炎的影響幾乎微乎其微。另一方面,據SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International,國際半導體產業協會)預測,2020年全球半導體生產設備的出貨金額與2019年相比,下滑4%,相對2020年,2021年預計增長24%,增至677億美元(約人民幣4,739億元)。因此,就生產設備而言,今年(2020年)雖然受到了新冠肺炎的輕微影響而增長速度放緩,2021年預計會出現歷史最高值(超過2018年存儲半導體泡沫時的實績)。

          上文可知,新冠肺炎對半導體、半導體生產設備的影響甚微,2021年二者都將回到正常的增長軌道。就原因而言,筆者推測如下:雖然新冠肺炎導致智能手機、數碼家電、汽車等產品的需求嚴重下滑,然而,由于全球范圍內遠程辦公的普及,PC終端、數據中心(Data Center)等的需求急劇擴大。

          二者(半導體、半導體生產設備)出貨金額的共同點和不同點

          很明顯,半導體和半導體生產設備絕不會被新冠肺炎打敗(至少筆者是這么認為的)!而且,下圖2半導體和半導體生產設備的出貨金額推移表中既存在共同點、又有不同點。

          下圖2是以2000年IT泡沫破裂時的數值為基準計算出的半導體和半導體生產設備出貨金額的推移表,二者都在IT泡沫時達到頂峰,“雷曼沖擊”后的2009年跌入低谷,在2018年(存儲半導體泡沫)再次迎來頂峰。也就是說,兩條線上下浮動的趨勢是基本一致的。

          

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          圖2:以2000年IT泡沫破裂時的數值為基準計算的出貨金額的趨勢。(圖片出自:筆者根據WSTS、SEMI的數據制作了此圖。)

          不過二者也有不同點。半導體的出貨金額在IT泡沫破裂后,很快得以恢復,并且超過了2004年IT泡沫時的出貨金額。后來,除去“雷曼沖擊”后的下跌,基本呈現上升趨勢,在2018年,出貨金額達到IT泡沫時的2.3倍。另一方面,就半導體生產設備的出貨金額而言,在IT泡沫后出現大幅度下滑,然而并沒有像半導體一樣出現恢復。2007年和2011年的出貨金額基本接近IT泡沫時,但卻并沒有超過IT泡沫時,在三年前的2017年首次超過了IT泡沫時的出貨金額。

          也是說,超過2000年時的峰值,花費了17年的時間!為什么花費了這么久的時間呢?還有,為什么半導體生產設備的出貨金額在步入2017年之后出現了迅速增長呢?

          阻礙半導體生產設備出貨金額增長的主要原因

          為什么半導體生產設備的出貨金額難以超越IT泡沫時的峰值,筆者認為主要有兩個原因。其一、尖端半導體廠家的減少,其二、各種生產設備的吞吐量(Through Put,一小時的晶圓處理數量)的提高。下文詳述。

          其一,尖端半導體廠家的減少。比方說,就DRAM而言,2000年以后,不斷有日本企業放棄DRAM的生產。此外,進入2000年,也不斷有臺灣企業放棄DRAM的生產。另外,2006年從德國Infineon Technologies獨立出來的Qimonda也在2009年倒閉,僅存的一家日本企業---爾必達存儲半導體也在2012年倒閉、且被美國的Micron Technology收購。最終,留下來的僅有Samsung、SK hynix、Micron三家DRAM廠家。

          此外,就邏輯半導體而言,越來越多的廠家放棄研發尖端微縮化,比方說,2018年8月,美國GLOBALFOUNDRIES宣布,放棄10納米以后的研發,于是尖端微縮化技術集中在了Intel、Samsung、TSMC三家公司。此外,2016年以來,英特爾的10納米啟動一直不順利,7納米及后續的微縮化發展其實主要集中在Samsung、TSMC兩家公司。

          隨著越來越多的半導體廠家被淘汰,能夠進行巨額設備投資的企業也越來越少,因此,半導體生產設備的出貨金額難以得到增長。

          第二個主要原因為各家半導體生產設備商家竭力提高晶圓的吞吐量,比方說,在2007年前后,液浸ArF曝光設備出現的時候,吞吐量為130個/小時,但是,今天的吞吐量可以超過250個/小時。也就是說,在2007年的時候,需要兩臺液浸ArF曝光設備,而今天僅需要一臺。

          更不可思議的例子是清洗設備。眾所周知,半導體清洗設備有一次性處理50個晶圓的“批量式”和一個個處理的“單片式”。當然,“批量式”的吞吐量比“單片式”要大得多,但是,“批量式”存在一個缺點,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,吞吐量卻不高。然而,就“單片式”設備而言,一臺設備的平臺(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”,甚至達到了800個/小時。結果,以2008年為分水嶺,清洗設備的“主角光環”從“批量式”轉移到了“單片式”。如下圖3。

          

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          圖3:半導體清洗設備出貨金額的推移。(圖片出自:筆者根據野村證券的數字制作了此圖。)

          曾經 “批量式”的唯一優勢在于較高的吞吐量,解決了污跡殘留問題的“單片式”如果可以獲得同等數量的吞吐量的話,就沒有理由繼續使用“批量式”設備了。也就是說,自2014年以來,“批量式”設備的出貨金額之所以會出現增長是由于3D NAND閃存(以下簡稱為:“NAND”)生產中需要使用批量式的晶圓蝕刻設備,且需求在不斷增長。

          令人感覺不可思議的是,半導體生產設備廠家雖然通過自身的努力大幅度提高設備的吞吐量,而設備本身的價格卻并沒有成比例的提升,也就是說,生產設備廠家“作繭自縛”。那么,為什么在2017年以后,半導體生產設備的出貨金額會超過2000年IT泡沫時、且獲得迅速增長呢?

          3D NAND

          下圖4是各種生產設備的出貨金額的推移表。2015年之前曝光設備的出貨金額一直位居首位,2015年之后,干蝕刻(Dry Etching)設備開始位居首位。此外,CVD設備的出貨金額也迅速增長,2017年CVD設備的出貨金額幾乎接近曝光設備和檢查設備。

          

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          圖4:各種半導體生產設備出貨金額的趨勢。(圖片出自:筆者根據野村證券的數字制作了此圖。)

          筆者認為,主要原因在于以下:大數據時代正式到來、數據中心需求猛增、服務器方向的存儲半導體需求迅速增長。尤其是存儲半導體中的NAND的3D化,起到了重要作用。存儲密度每年以1.5倍的速度增長,因此,3D NAND的層數也不斷增長: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倍數量的CVD設備。

          此外,所需要的干蝕設備的數量不僅僅增加1.5倍,也就是說,64層的3D NAND的存儲孔(Memory Hole)的開口需要花費約一個小時。但是,開孔越深,蝕刻速度越慢,因此96層的存儲孔的開口需要花費多個小時。然而,目前正在加工96層(準確來說是92層)的存儲孔的僅有三星電子,鎧俠等其他公司的96層采用的是堆疊兩個48層的形式。由于進行兩次48層的HARC蝕刻,因此需要兩倍的干蝕設備。

          如此一來,由于NAND 3D化、層數的增加,各種設備的需求量也越來越多。直接結果就是半導體生產設備的出貨金額在2017年超過了IT泡沫的頂峰時刻。存儲半導體市場在2018年達到頂峰,2019年存儲半導體跌入低谷,據預測2020年以后,存儲半導體將會再次出現增長,且半導體生產設備的出貨金額也會再次增長。

          EUV的效果

          如圖4所示,由于2019年存儲半導體的低迷,很多半導體設備的出貨金額都出現了下跌。然而,曝光設備的出貨金額卻一直在增長。結果,2019年曝光設備的出貨金額再次獲得TOP1的首位。這主要是由于價格為160億日元(約人民幣9.6億元)/臺的最尖端曝光設備EUV的正式普及帶來的結果。在2020年6月召開的“VLSI座談會”上,ASML宣布,2019年第四季度累計出貨53臺EUV設備(3400系列),如下圖5資料顯示,2020年第一季度的銷售數量增加了4臺,因此,2020年第一季度時間點累計銷售了57臺EUV設備。

          

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          圖5:ASML的EUV曝光設備的累計出貨數量。(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報道稱,2019年第四季度時間點,ASML的EUV的開口訂單(Open PO)數量為49臺,據推測,TSMC為20臺,三星為20臺,英特爾為4臺-5臺,其他Micron、SK hynix為少量。據熟悉光刻技術(Lithography)的業內人士透露,2020年以后,TSMC每年會導入20多臺EUV設備。據說,三星電子也計劃自2020年起每年導入20臺EUV曝光設備。照此計算,在2025年兩家公司合計啟動100多臺EUV曝光設備。受EUV作用的影響,未來曝光設備的出貨金額也會大幅度增長。此外,就EUV的周邊設備而言,光掩膜(Mask)繪制設備、光掩膜(Mask)檢查設備、涂覆顯影設備(Coater Developper)等的出貨金額也會出現增長。

          各家半導體生產設備廠家的市場占比、未來展望

          最后,我們來看下2019年各家半導體生產設備企業的市場占比(如下圖6),韓國SEMES、中國的NAURA也在某些領域獲得了一定的市場占比,但是,就整體的設備而言,基本被日本、美國、歐洲企業瓜分。

          

        解讀半導體設備市場趨勢

         

          圖6:各家半導體生產設備廠家的市場占比(2019年)。(圖片出自:筆者根據野村制作所的數據制作了此圖。)

          曝光設備、涂覆顯影設備(Coater Developper)、濺射設備(Spatter)、批量式清洗設備、異物檢查設備、缺陷檢查設備幾乎為“一超多強”的模式,此外,光掩膜檢查設備、CVD設備、熱處理設備、CMP設備、單片式清洗設備為“二超多強”的模式。另外,干蝕設備幾乎為“三超一強”的模式。

          總之,就所有的半導體生產設備而言,日本、歐洲、美國的某些企業創造了“1超-3超+其他”的模式,也就是說,這些企業匯集了半導體生產設備的技術要領,新型企業很難打入。中國雖然在力推半導體生產設備的國產化,但尖端生產設備的研發是需要相當長的時間的。

          那么,半導體生產設備未來的出貨金額趨勢如何呢?從過去的經驗來看,半導體生產設備出貨金額比半導體本身的浮動要更明顯,未來應該還會出現“某某泡沫”、“某某沖擊”這種現象,屆時半導體生產設備的出貨金額還會出現大幅度的變化。但是,邏輯半導體的微縮化一直沒有停步,此外,DRAM的微縮化也會繼續進步,同時,3D NAND的積層數量應該也會繼續增加。

          因此,筆者堅信雖然半導體生產設備的出貨金額可能會出現較大的浮動,但整體是呈現增長趨勢,至少不受新冠肺炎的影響、且繼續增長。

          筆者簡介:

          湯之上隆 細微加工研究所所長

          生于1961年,出生于日本靜岡縣。畢業于京都大學研究生院(碩士課程為原子核工學專業),后就職于日立制作所。此后16年中,先后在中央研究所、半導體事業部、設備研發中心、爾必達(因工作調動)、半導體前沿技術公司研發協會(即Selete,因工作調動)從事精密加工技術研發工作。2000年,被京都大學授予工學博士學位。目前,擔任半導體產業和電力機械產業顧問及撰稿人,細微加工研究所所長。著有《日本“半導體”的戰敗》《“電器、半導體”產業大崩潰的教訓》、《日本型制造業的敗北,零戰·半導體·電視機》。

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