半导体行业专题报告从海外龙头发展历程看国内半导体设备企业

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(报告出品方:东方证券)

1. 回顾海外半导体设备龙头厂商的发展之路

全球半导体设备市场高度集中,海外龙头企业处于垄断地位。美国的半导体厂商主要有应用材料、 泛林半导体和科磊,应用材料是全球最大的半导体设备制造厂商,产品覆盖除光刻以外的半导体 前道工艺,占全球半导体设备的 21%;泛林半导体是全球第三的半导体设备厂商,按照“先专后 全”的路线,先专注于刻蚀设备的研发制造,逐步发展薄膜沉积、清洗以及检测业务;科磊在半 导体检测设备领域长期占有 50%以上的市场份额,2021 年占全球半导体设备 8%。日本的半导体 厂商主要包括东京电子和迪恩士,东京电子的产品覆盖非常全面,在全球半导体设备市场占 15% 份额,迪恩士的清洗设备处于全球领先地位,在全球半导体设备厂商中排名第六;荷兰的半导体 厂商主要为阿斯麦,阿斯麦垄断了全球的高端光刻机市场,在半导体设备市场中占有 21%的份额。

 

ASML 是全球光刻机龙头,占据 75%份额;LAM(泛林半导体)是全球刻蚀领域龙头,占据 50% 份额;AMAT ( 应 用 材 料 ) 是 薄 膜 沉 积 、 离 子 注 入 、 CMP 多 领 域 龙 头 , 分 别 占 据 85%(PVD)/30%(CVD)、50%、50%市场份额;DNS(迪恩士)是全球清洗机龙头,占据 45%份 额;TEL 是全球涂胶显影机、原子层沉积(ALD)龙头,占据 87%、30%份额;KLA(科磊)是 全球检测量测设备龙头,占据 54%份额。

1.1 应用材料:平台型龙头,外延并购成就版图

应用材料成立于 1967 年,1992 年成为全球最大的半导体设备制造厂商,一直蝉联至今。1970 财 年 AMAT主营业务收入为 730 万美元,1972 年上市时为 630万美元,到 2021 财年(2020.10.26- 2021.10.31)主营业务收入已达 231 亿美元,比上市时增长 3660 倍。

AMAT 长期以来重视技术创新,保持高研发投入。公司历年研发投入占营业收入比重平均在 15% 左右。

 

AMAT 不断推出新品,引领行业发展步伐。AMAT1976 年推出第一台商用等离子化学气相沉积设 备,1987 年推出性的单晶圆多反应腔平台 Precision 5000,分别于 1989 年和 1997 年成为全 球第一家推出 200mm 和 300mm 晶圆制造设备的企业;2005年发布 Centura Advant Edge系统, 采用了最先进的硅片刻蚀技术;2006 年发布 Producer GT,是当时最高效、投入产出比最高的 CVD 平台。

外延扩张,打造“半导体设备超市”。半导体设备技术门槛高、研发投入大且周期长,此外客户 验证复杂,通过收购能够快速集成技术,发展客户,抢占市场。AMAT1997 年收购两家以色列公 司Opal Technologies(验证临界尺寸的高速计量系统)和Orbot Instruments(成品率提高系统), 开启了并购之路。以后相继通过并购扩展了公司的 CMP、晶圆检测、清洗、薄膜沉积、离子注入等业务。同时公司积极拓展泛半导体领域,2007 年收购 HCT,帮助太阳能领域客户降低制造光 伏电池的成本,扩展了光伏电源领域的业务。

紧抓半导体产业转移机遇,进行全球布局。早在 1971 年 AMAT 就开始全球化布局的尝试,在欧 洲设立了第一个海外办事机构。20 世纪 70 年代后期,半导体产业由美国向日本转移,80 年代向 韩国、中国转移。AMAT 紧抓产业转移的机遇,在全球各地设立办事处。进入 21 世纪之后, 随着半导体产业转移到中国,AMAT也在加强在的布局。1984 年 AMAT就在北京设立了 技术服务中心,成为第一家进入中国的外资半导体设备厂商。2001 年和 2007 年,分别在北京和 西安设立技术中心和全球开发中心。

1.2 ASML:光刻龙头,突破性技术变革助力崛起

ASML 是全球光刻机的领跑者,垄断 EUV 光刻技术。ASML 成立于 1984 年,由电子巨头飞利浦 和半导体设备制造商 ASMI 共同成立。如今 ASML 在全球光刻机领域处于绝对的霸主地位,占据 全球约 75%的光刻机市场,更是垄断了全球 7nm 及以下工艺的 EUV 光刻机技术。2021 财年 (2021.1.1-2021.12.31)ASML 出货 309 台光刻机,主营业务收入 186 亿美元,同比增长 33%。

 

性技术突破成就 ASML 的霸主地位。ASML 一直重视研发创新,2021 年研发投入 25 亿美元, 占主营的 14%。ASML 成立以来,四项技术突破帮助其成为光刻龙头企业。1991 年,推出突破性 平台 PAS5500,凭借其领先的生产力和分辨率,奠定了客户基础。2001 年,推出 TWINSCAN 系 统及其双平台技术,最大限度地提高了系统地生产力和准确性。紧接着,ASML 于 2003 年推出第 一台浸润式机器,这一技术成为此后 65、45 和 32nm 制程的主流,推动摩尔定律往前跃进了三 代。2010 年,ASML 运送了第一台 EUV 光刻原型机,成为全球唯一使用极紫外光的光刻机制造 商,开启了光刻机的新时代。

ASML 重要转折之一:开发浸没式光刻技术。ASML 最大的弯道超车,发生在 193nm 制程到 157nm 制程的升级过程,当时业内大部分企业选择在原有技术路径上改进,比如尼康、佳能都选 择研发 157nm 波长的光源。这时,台积电科学家林本坚提出,利用水的折射,使进入光阻的波长 缩小到 134nm,由于浸没式光刻技术研发难度大,且需要推翻原有设计重新开始研发,只有 ASML 愿意选择浸没式光刻技术,2003 年,ASML 和台积电合作研发出首台浸没式光刻设备, 2004 年尼康才终于宣布 157nm 的干式光刻机产品样机出炉,此后,ASML 快速占领光刻机市场 份额。

ASML 重要转折之二:率先研发出 EUV 光刻机。1997 年,英特尔和美国能源部牵头组建 EUV LLC 前沿技术组织,论证 EUV 技术的可行性,成员主要包括英特尔、摩托罗拉、AMD 以及美国 能源部 (DOE) 的劳伦斯·利弗莫尔、桑迪亚和伯克利国家实验室。ASML 以出资在美国建工厂和 研发中心,并保证 55%的原材料都从美国采购的条件,挤进 EUV LLC,而尼康、佳能却被排除在 外。EUV LLC 的研究成果大大加快了 ASML 的 EUV 研发速度,成为目前唯一掌握 EUV 光刻机技 术的厂商。

战略并购和开放式创新平台助力 ASML 技术创新。ASML 通过战略并购快速占领技术优势,收购 MicroUnity 的 Mask Tool 部门(光学临近矫正技术)、Brion Technologies(计算光刻技术)、 HMI(电子束检测)、Mapper(电子束光刻)和 SVG(微激光系统)。此外,ASML 还于上下游 厂商、研究机构、同业合作伙伴搭建了开放式创新平台,相互推动创新,并提供对各种技术的大 型前沿知识库的访问。

 

推出整体光刻系统,集成工艺,共同优化性能。半导体行业受到缩小制造成本和提高设备性能的 推动。然而,随着半导体特征尺寸的缩小,工艺窗口(生产可行芯片所需的精度公差)也在缩小, 对套刻精度和临界尺寸均匀性 (CDU) 等参数提出了严格的要求。2009 年 ASML 推出整体光刻系 统,集成了计算光刻技术、晶圆光刻技术和工艺控制,可以实现优化生产精度公差、提高良率、 降低客户时间成本。

ASML 通过收购布局上游,提出客户联合投资计划携手下游,打造上下游利益共同体。ASML 通 过收购 Cymer、berliner glas、Wijdeven Motion 以及蔡司半导体 24.9%的股份,布局上游零部件, 包括紫外光源、光学组件、电机和光学镜头组。2012 年,ASML 提出“客户联合投资计划”,与 客户建立密切关系,共同承担研发费用,为入股客户提供优先供货权,从而构成了庞大的利益共 同体。

1.3 泛林半导体:深耕刻蚀,合并诺发助力平台化

LAM 立足刻蚀设备,逐渐向工艺前端和后端扩展业务。泛林集团成立于 1980 年,是全球领先的 综合性半导体设备龙头企业。泛林半导体成立第二年便推出了第一款刻蚀设备 AutoEtch。LAM 在刻蚀设备领域市场份额最大,占据 47%的市场份额,公司立足刻蚀设备领域,逐步向前端薄膜沉 积和后端清洗设备延伸,通过并购不断提升竞争能力,构建技术壁垒和扩充产品线。泛林半导体 2021 财年(2020.6.29-2021.6.27)的主营业务收入达到 146 亿美元,同比增长 46%。

LAM 专注于刻蚀设备,不断进行技术升级。1981-1982 年,LAM 推出了支持 1.5μm 制程的刻蚀 设备 AutoEtch,1989 年开发了支持 0.8 微米制程的刻蚀设备。1992 年推出业内首款 ICP 刻蚀设 备,开始引领行业发展。LAM 首创 ALE 技术,在 2014 年推出 ALE 刻蚀设备 FLEX 系列和 KIYO 系列。ALE 技术凭借其在原子层级别的可变控制性和能实现业内最高生产率和选择比而有望成为 新一代刻蚀设备的产业趋势。

 

LAM 通过并购扩充产品线。早在 1997 年,泛林就通过收购 CMP 清洗领域的市场领导者 On Trak Systems,弥补在清洁领域产品链的不足。2012 年,LAM 兼并收购了诺发,其刻蚀和单晶圆清洗设备方面的领先地位与诺发的薄膜沉积技术互补,合并后 LAM 不仅能够拥有更广泛的市场,而且 有助于公司技术团队加强相邻工艺之间的的集成,未来有望开发“集簇”设备,以提高工艺效率、 降低成本,提升设备竞争力。

技术变革驱动泛林业绩增长。随着芯片制程不断缩小、芯片结构 3D 化发展,相关设备的加工步 骤增多,刻蚀和薄膜沉积设备成为占比最高的设备。LAM 2012 年起主营业务收入呈现快速增长 的态势,除收购诺发的因素之外,另一个关键驱动力是 2014 年 3D NAND 的量产和多重曝光技术 的应用,3D NAND 层数的增加将持续增加对刻蚀技术的依赖,多重曝光技术则是增加了刻蚀工艺 密度,因此对刻蚀设备的需求大幅增长,拉动刻蚀设备龙头 LAM 营收增长。

1.4 东京电子:紧抓产业转移机遇,受益政府扶持

东京电子是日本第一的半导体设备厂商。东京电子成立于 1963 年,是日本最大的半导体设备制 造商,也是全球第四大半导体供应商。东京电子成立之初主要从事汽车收音机的出口和半导体设 备的进口业务,1975 年开始专注于半导体设备制造,1989 年成为全球营收额第一的半导体设备制造商,并且连续三年蝉联。之后东京电子开始向全球扩展业务,并加强研发,一直至今,东京 电子仍然是第一梯队的半导体设备制造商。2022 财年(2021.4.1-2022.3.31),东京电子营收 178 亿美元,同比增长 35%。

 

东京电子积极响应日本经济转型以及全球半导体产业转移,领跑日本半导体设备产业。东京电子 成立之初是一家技术贸易公司,主要从事汽车收音机的出口和半导体设备的进口业务,1963 年在 日本产业构造调查会议上,日本政府着手制定旨在将本国高新技术发展由“摄取型发展”转变为 “自主创新型发展”的长期规划,倡导由技术引进向自主创新的转型,东京电子便于 1968年成为 了日本第一家半导体设备制造厂商。1973 年,受石油危机影响,日本政府提出要重点扶持研究开发密集产业,恰逢尼克松冲击导致日元升值,出口业务受到冲击,东京电子于1975年果断退出消 费电子出口,专注半导体设备制造。随后日本半导体产业兴起,东京电子从美国引进技术,一跃 成为全球第一的半导体设备制造商。随着日本半导体业务的下滑,东京电子开始将业务向全球扩 展,并拓展到 FPD 领域。近年,随着大数据、新能源车的驱动半导体产业的快速发展,东京电子 加大创新研发,迎来新发展。

东京电子为什么能成为全球领先的半导体设备厂商?

(1)东京电子发展于日本半导体行业的黄金时期。19 世纪 70 年代末,美日几乎同时推出 64K DRAM,迅速向全球市场渗透,1984-1985 年,日本企业展开价格围剿,进一步占领市场。半导 体设备市场依赖于半导体制造厂商对设备的投资,此外,日本半导体产业在政府的有意引导下, 以 DRAM 作为商业契机,推动本土半导体生产设备与生产材料快速发展,与半导体产业同步,日 本半导体设备市场规模扩大,发展迅速。

(2)引进先进技术。东京电子通过合资公司的形式从美国引进先进的技术,并与自身的制造技 术融为一体,1982 年成立 TEL-Varian Ltd.在日本开始生产离子注入机,1983 年与 LAM 成立合资 公司,在日本生产刻蚀设备。(3)立足国内市场,开拓海外市场。尽管东京电子 1986 年便开始出口业务,但是起初出口业务 份额并不大,专注于国内市场。20 世纪 90 年代是东京电子布局海外的关键时期,1993 年是东京 电子迈向海外的重要一步,东京电子开始布局在韩国的业务,1994 年开始在欧美构建销售与服务 网络,在 1994 年之前,东京电子面向国内产品的销售占比超过 80%,但在 1998 年,东京电子海 外销售首次超过国内销售,2000 年海外销售突破 70%。

 

1.5 科磊:检测设备先行者,保持技术代际优势

科磊为半导体检测设备的引领者,先发优势明显。科磊成立于 1975 年,芯片行业的起步阶段, 当时所制造的半导体良率只有不到 50%,随着芯片层数的增加,良率甚至不到 10%,缺陷检测问 题也随之升级,KLA 第一个产品掩膜检测设备,将光掩膜检测所需时间从 8 小时减少到 15分钟, 并且可以做到更全面的检测,迅速被半导体行业接受,随后投入大量资金研发,不断推出新产品。KLA-Tencor 合并后开始大举收购,扩展产品组合,市场份额迅速进一步扩大, 2021 财年 (2020.7.1-2021.6.30)KLA 主营业务收入 69 亿美元,同比增长 19%。

KLA1975 年推出开创性的掩模检测工具迎来了半导体工艺控制的曙光,如今运用宽带等离子技术 检测缺陷,KLA 一直保持技术的先发优势,推出一系列最先进入市场的设备。从产品迭代来看, KLA 每年以竞争对手两倍的速度向市场新推出的新产品,且产品领先市场两代,在其服务的10个 下游领域中,8 个领域的市占率第一。主要是由于 KLA 重视研发:

(1)高研发投入:研发投入占比基本维持在 15%以上,高于行业其他企业。

(2)不断提高下一代产品的研发投入:2021 年 KLA 用于下一代技术的研发占总研发投入的 82%。

 

(3)与客户合作研发:KLA 作为检测设备领域的龙头企业,拥有强大的客户基础,通过与客户 合作研发,提高产品竞争力。

外延并购吸收先进技术。1997 年,KLA 和 Tencor 合并,KLA 提供高端自动化光学晶圆检测、光 罩检测等设备,而 Tencor 更专注于薄膜量测,此次合并为半导体制造商提供了完整的良率管理产 品和服务系列。此后,KLA-Tencor 开始了大举收购,通过战略收购的方式获得先进技术,拓展公 司的产品系列。2019 年,KLA 收购 Orbotech,切入 PCB 检测、面板检测和特殊半导体检测,与 过程控制形成四大业务板块。

KLA 拥有丰富的产品系列。一方面由于 KLA 在研发上的高投入,另一方面 KLA 通过外延并购不 断吸收先进技术,拓宽产品线,KLA 产品可以运用到多种半导体元件的制造及封装,并且覆盖半 导体制造的全产业链。

KLA 近十年内在过程控制领域的市场份额保持在 50%左右,是第二名的 4 倍,检测/量测设备市场 为什么难以切入?(1)检测/量测设备开发难度大、技术壁垒高。首先检测设备的技术跨越电子束、X 射线衍射、 激光照明以及高性能计算等领域;其次半导体检测设备需要运用光学、电学原理进行纳米级精密 程度以及 3D 维度上的检测及量测。

 

(2)检测设备定制化及差异化程度高。半导体检测设备的检测对象为定制化芯片,不同制程的 芯片对参数的要求往往是不同的。芯片制造中不同工艺过程中需要运用的检测设备也有所不同, 比如电子束检测可以运用在抛光、刻蚀等工艺,而掩模版检测则适用于曝光工艺。除此之外,晶 圆制造过程当中还需要对不同的参数如电阻、膜厚、膜应力等进行量测,晶圆加工之后还需要检 查芯片性能是否符合要求。

(3)设备使用寿命长。一方面,半导体设备的长使用寿命强化先发优势,加强与客户的长期绑 定关系;另一方面,服务类收入受益于长使用寿命将不断增加,且受行业周期波动影响小。KLA 超过 50%设备使用寿命达 18 年,平均使用寿命为 12 年,服务收入呈指数级增长,为全行业纯服 务收入占比最高的企业。

1.6 迪恩士:清洗设备龙头,面临竞争压力

迪恩士是全球清洗设备龙头厂商。迪恩士成立于 1943 年,于 1975 年导入半导体设备制造,受益 于日本 1980s 半导体产业的腾飞,在半导体清洗设备领域迅速发展,并于 1983 年成功开发了世 界上第一台旋转晶片清洗系统。迪恩士清洗设备产品覆盖全面,引领着先进的清洗设备技术,连 续多年在单片清洗设备、批量清洗设备以及旋转清洗设备领域占据世界第一。迪恩士主营业务收 入呈波动向上的趋势,主要系全球经济形势的影响。2022财年(2021.4.1-2022.3.31) DNS主营 业务收入 4119 亿日元,同比增长 29%。

迪恩士在单片清洗设备领域的市场份额逐渐降低,国产设备有望切入市场。迪恩士是一家聚焦于 清洗设备的企业,清洗设备占其半导体设备业务的 95%以上,单片清洗机占 70%,聚焦单一领域 给公司带来了绝对的市场占有率,2009 年迪恩士在全球单片清洗设备的市场份额高达 70%,但 2021 年单片清洗设备竞争力呈现下降的趋势,占比 38%,主要由于:(1)清洗设备参与到芯片制造的各个环。

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