2015年全球半导体设备市场规模达336亿美元,其中晶圆制造环节的设备规模约288亿美元。然而由于半导体设备技术壁垒高,目前这百亿美元级别的市场份额基本被欧洲、美国和日本的半导体设备厂商占据——前十大设备厂商的市场份额已接近80%。
对比2009年的市场格局,全球半导体设备行业集中度提升得非常明显,竞争格局在并购潮兴起以及技术创新的驱动下也发生了较大的变化。相信未来在产业转移及中国政府的政策带动下,国内企业有望打破垄断,造就新的行业格局。
AMAT, Lam Research和ASML是国际半导体三大龙头厂商,合计市占率达到47.5%。除了ASML专攻光刻机外,AMAT与Lam Research都是半导体设备综合厂商。
Applied Materials —综合领先的半导体设备商龙头Applied Materials(以下称为应用材料公司)成立于1967年,目前已经连续十多年稳居全球半导体设备供应商龙头位置,其产品包括:化学气相沉积(CVD)设备,半导体薄片装配,蚀刻及离子植入设备等。尽管应用材料在半导体设备的诸多领域都有布局,但各生产线的产品均有强劲的市场竞争力。根据Gartner的数据显示,应用材料公司在薄膜沉积设备(CVD、PVD)、刻蚀设备、离子注入机、高温炉四个领域占据40%-70%的份额,其中公司子公司AKT是全球等离子体化学气相沉积设备的领头羊。全球知名的半导体企业均采用应用材料的设备和服务生产集成电路产品,目前公司最大的客户为三星和台积电。
2013-2015年,公司营收稳健增长,毛利率保持在40%以上。2016年中报公司营收为47.07亿美元,毛利率为40.79 %,保持稳定。得益于公司在半导体设备的诸多领域具有扎实的技术积累,产品契合市场需求,竞争力强劲,所以公司预计2016年营收为101.2亿美元,净利润可达15.15亿美元,在营收与净利润方面都有望出现稳健增长。
在薄膜沉积领域,应用材料的OLYMPIA™ ALD 系统已经开始为3D NAND 芯片厂商提供最为先进的原子层沉积技术。
在刻蚀领域,应用材料也推出业内首款极致选择性蚀刻工具Applied Producer® Selectra™系统,通过引入全新的材料工程能力,助力3D逻辑芯片和存储芯片的尺寸持续缩小。
此外,其PROVision™系统是唯一能精确到1纳米分辨率的电子束检测工具,对于小于等于10纳米的多次图型光刻、鳍式场效应晶体管(FinFET)制造、DRAM以及3D NAND器件的研发、进入量产和生产工艺控制尤为关键。综上所述,应用材料在多领域都掌握着前沿的技术,是全方位领先的龙头企业。
ASML是荷兰一家专注于光刻机研发和制造的设备商,目前公司旗下有TWINSCAN NXE/NXT/XT系列、YieldStar系列、PAS5500系列的光刻机产品。
其中,TWINSCAN系列是目前世界上精度最高、生产效率最高、应用最为广泛的高端光刻机型,全球绝大多数半导体生产厂商如英特尔,三星,海力士,台积电,联电,格罗方德等都向ASML采购该机型。TWINSCAN系列中的NXT 1980Di机型已能在300mm晶圆上实现10nm级别的光刻;NXE则是行业内第一个极紫外线(EUV)光刻机系列。未来ASML还将朝着更先进制程的技术路线发展。
2015年全球前道光刻机市场销售额达61亿美元,其中ASML一枝独秀,占据了70%的市场份额,将竞争对手Nikon,Canon等远远甩在身后。在最高端的浸润式光刻机细分市场上,ASML更是占据近90 %的市场份额。ASML毋庸置疑是全球光刻机行业的龙头企业。
2013-2015年,公司营收稳健增长,毛利率保持在40%以上。2016年第一、二季度,公司营收净额分别为13.3亿、17.4亿欧元,毛利率均为42.6 %,保持稳定。第二季度的订单更是创下最高纪录,主要贡献来自于逻辑晶片客户的订单,为其10nm量产做准备;同时记忆体客户需求稳健增长,持续投资DRAM生产和3D NAND产能扩张。公司预计第三季度营收净额为17亿欧元,毛利率为47%,同时预估2016年营收将再创新高。
Lam Research—四大业务板块成型,积极并购打造更广平台Lam Research(以下简称Lam)成立于1980年,主要从事半导体生产设备开发和制造。公司业务持续多元化拓展,目前形成了薄膜沉积、等离子刻蚀、光阻去除、晶片清洗四大市场领先业务。
在过去三年,Lam成为全球半导体设备制造行业中增长最快的公司,每年的增长率为20%。2015年,Lam在半导体设备市场上市占率为第二(达14.3%),其主要客户包括三星、台积电等。此外,公司总裁兼首席执行官Martin Anstice非常重视中国市场,认为“中国制造2025”等战略规划,对半导体产业未来的发展非常有吸引力,并表示Lam未来的发展重心将在中国。
积极通过并购加速技术创新并打造更广的业务平台
“合作”一直是Lam的核心文化之一。公司先后收购了半导体设备行业的两家知名企业Novellus Systems和KLA Tencor。业界认为Lam的收购符合未来半导体从业者必须采用多重图案、3D制程、系统级封装以及新一代记忆体等技术的趋势。
薄膜沉积已形成多个产品家族,并转型原子沉积技术
在沉积技术上,Lam为金属掩膜、硬掩模、介质掩膜等不同掩膜需求提供多种技术方案,形成了多个产品家族。
目前Lam的沉积技术正在向原子级技术转型,其在2014年推出VECTOR ALD Oxide薄膜沉积系统,该系统能在低温条件下利用原子层沉积(ALD)形成高保形介电薄膜,这种薄膜被用来在一系列多次曝光中确定关键图案尺寸。该系统还在硬件上支持气体快速开关,与竞争系统相比具备生产率优势。
历经三十余载发展,刻蚀技术积累深厚
公司从1981年首次推出自动刻蚀机到如今推出多种刻蚀机解决方案,技术已有三十多年的积累,公司主要的技术更迭如下图所示。
目前公司在等离子刻蚀技术与市场份额上处于领先地位。根据不同的功能类型,公司创新性的刻蚀技术和解决方案涵盖了晶体管、连接导线、成像、先进存储器和先进封装工艺,能为先进芯片生产提供了广泛的晶圆制程能力。
通过对半导体龙头厂商发展历史的分析,我们发现创新驱动与并购是两种半导体设备厂商的主要发展模式。创新驱动需要长期的技术积累与研发资金支持,而并购有效降低了研发成本及风险,加速了新技术集成、应用的速度,但并购存在整合风险,需要政府与客户的协同。
2015年,应用材料的研发费用高达14.5亿美元,专利多达1341项,是半导体设备行业中以创新驱动发展的典型龙头企业。作为全球销售额最高的半导体设备商龙头,应用材料虽然没有涉足光刻机业务,但在其他关键设备,如薄膜沉积设备、刻蚀机等领域均投入了大量的研发力量,相继突破了诸多技术难题,推出了一系列出类拔萃的产品。
早期的应用材料曾因产品线过于宽泛而濒临破产,但在时任CEO摩根进行业务精简并将核心业务转移至半导体设备后,应用材料便乘着80年代半导体产业蓬勃发展的东风,一跃成为业界龙头。在半导体工艺制程还停留在500nm的90年代,应用材料的金属刻蚀设备便在市场站稳了脚跟。此后,应用材料的刻蚀设备便与工艺技术同步成长。半导体制程从500nm发展到350nm的过程中,应用材料公司的金属刻蚀设备也经历了PE8330、P5000-Mark Ⅱ/MXP 到Centura DPS的三代更迭。
通过扎实的技术根基与持续的研发投入,应用材料的薄膜沉积设备已经可以实现接近原子级的精度和控制并形成、沉积、塑形和度量薄膜。
在刻蚀领域,应用材料的创新步伐也从未间断。公司最新推出的极致选择性蚀刻工具Applied Producer® Selectra™系统可以在一个多层结构芯片中有选择性地清除某一特定材料而不破坏其他材料,有效突破了刻蚀工艺的关键技术壁垒。
可以看出,应用材料在半导体设备领域发力较早,其刻蚀设备、沉积设备基本都经历了工艺技术的整个发展周期,因此无论在技术积累和经验认识上,应用材料都具有竞争对手不可比拟的优势。而巨额的研发支出也在不断巩固应用材料的领先地位。2015财年14.5亿美元的研发费用,按照设备收入占比大致推算半导体设备研发费用为9.64亿美元(14.5亿美元*66.5%),已经超过了绝大多数半导体设备公司的全年设备业务销售额。这种创新驱动发展模式,不仅需要持续的资金投入和漫长的技术积累,也需要产业早期蓬勃发展所带来的机遇。对于新入者而言,想要依照创新模式取得成功,难度相当大。
2015年,ASML在全球光刻机市场中占有率达70%,是光刻机设备商中当之无愧的巨人。但早在2001年时,全球的光刻机市场还是三足鼎立格局。彼时日本的Nikon和Canon曾分别占据41.6 %和34.8 %的市场份额,ASML仅占22.4 %。但到2011年,ASML的市场份额已上升至57.1 %,Nikon和Canon则分别下滑至27.8 %和15.2 %。此后几年,ASML一鼓作气,将对手越甩越远。目前Canon已基本放弃光刻机市场,Nikon的光刻机能做到20nm左右,而ASML的EVU光刻机量产型号已经做到10nm水平。我们认为,ASML的强势崛起值得深入分析及思考,对国内设备厂商的发展也有借鉴意义。
ASML在初创之时采用了模块化分工外包协同的组织模式,除核心部件自制外,其余部件采取模块化公开采购。这一模式降低了产业周期性起伏风险,帮助其顺利渡过了1986年和1992年的两次世界半导体市场大危机。
1995年, ASML在阿姆斯特丹和NASDQ上市后获得了充裕的资金,除增强自身的研发能力外,也具备产业并购能力。1999年,ASML并购MaskTools,增强了在先进技术节点方面提供解决方案的能力,改善了ASML机器扫描和成像能力,显著增加了聚焦深度,扩大了光刻窗口,提高了芯片产量。2001年,ASML全股并购竞争对手 Silicon Valley Group,该公司的投影掩罩瞄准技术、扫描技术对ASML生产的光刻机具有重要作用。2012年,ASML花 4.437 亿欧元全资收购美国Cymer,该公司的扫描仪极紫外光源技术在ASML量产极紫外光刻机时,起决定性作用。2016年,ASML宣布收购台湾最大半导体设备厂商汉微科以强化其全方位微影技术解决方案,包括微影曝光系统、运算微影及量测,并进一步介入10nm以下制程和3D整合制程。
为了进一步提高研发实力并构建稳定的核心利益群体,ASML还于2012年提出客户联合投资专案。目前,三大客户英特尔、台积电、三星均已通过参股及注资等方式,支持ASML的研发计划,并合作研发新技术。此外ASML的研发还引入了政府的支持。早在上世纪80年代,ASML就通过主持或参与数个合作研发项目,掌握了当时的突破性产品PAS 5000的核心技术。2010-2012年,ASML的研发项目从欧盟、荷兰、美国政府机构获得的资助金额分别为2950万欧元、2510万欧元和1790万欧元。
现在,ASML正在强者愈强的道路上越走越远。回顾其成长史,我们发现ASML的并购发展模式有效降低了其研发成本及风险,加速了新技术集成、应用的速度;而客户投资计划则将ASML与客户、政府等群体紧密联系在一起。可以说,并购发展和客户支持成为了ASML成为行业巨人的重要推动力。