(Continua dalla Parte I: Progettazione di circuiti integrati, Parte II: Produzione di circuiti integrati, Parte III: Packaging di base, test e packaging avanzato)

5. Attrezzature per la produzione di prodotti a semiconduttori

(1) Cenni sulle piccole e medie imprese delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori

Esistono molti tipi di apparecchiature per la lavorazione e la produzione di prodotti semiconduttori utilizzati dalle piccole e medie imprese in ciascun processo della linea di produzione di semiconduttori. Esistono apparecchiature specifiche per i semiconduttori (pre-elaborazione) per la produzione di wafer nudi (materiali), apparecchiature per la trasformazione di wafer nudi in wafer finali (post-elaborazione) e apparecchiature per la produzione di fotomaschere (produzione di maschere). I produttori di chip necessitano di una varietà di apparecchiature front-end sulle loro linee di produzione. Il costo delle complesse apparecchiature front-end per la fabbricazione di semiconduttori è una delle ragioni principali del costo elevato delle fabbriche di semiconduttori, compreso il costo di costruzione di fabbriche ultra-pulite.

Le apparecchiature front-end per la fabbricazione di semiconduttori includono apparecchiature per processi di fabbricazione di chip come fotolitografia, incisione, drogaggio o impianto ionico, deposizione, lucidatura o planarizzazione chimico-meccanica. Di particolare rilievo sono le apparecchiature per la deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (MOCVD), un tipo specifico di apparecchiatura di deposizione che deposita strati sottili di determinati metalli, utilizzati principalmente per produrre semiconduttori composti, compresi quelli basati su GaAs e GaN.

Le PMI di apparecchiature per la produzione di semiconduttori back-end comprendono ATP e apparecchiature di imballaggio avanzate.

(2) Situazione attuale

Il settore delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori è dominato da aziende negli Stati Uniti (41.7% di quota in termini di fatturato), Giappone (31.1%) e Paesi Bassi (18.8%). La Corea del Sud detiene una quota del 2.2%, mentre il restante 6.2% circa è suddiviso tra Cina, Germania, Taiwan, Israele, Canada e altri paesi del Sud-est asiatico e dell'Europa. La maggior parte dei produttori sudcoreani di apparecchiature per la produzione di semiconduttori è di proprietà di Samsung o SK Hynix; i principali clienti di queste aziende sudcoreane di apparecchiature per semiconduttori sono aziende sudcoreane di semiconduttori. Sebbene esista anche un'azienda cinese che produce diversi tipi di apparecchiature per la produzione di semiconduttori, le aziende cinesi non detengono una quota significativa in nessuna categoria di apparecchiature per la produzione di semiconduttori, ad eccezione dell'assemblaggio back-end, delle apparecchiature di confezionamento e del MOCVD.

Nel complesso, gli Stati Uniti rappresentano un’ampia quota della produzione globale della maggior parte delle apparecchiature front-end per la produzione di semiconduttori, ad eccezione della produzione di apparecchiature litografiche che è concentrata nei Paesi Bassi e in Giappone. Gli Stati Uniti rappresentano anche un’ampia quota della produzione globale di apparecchiature di test back-end. Al contrario, gli Stati Uniti hanno una quota di mercato relativamente piccola nella produzione globale di apparecchiature per la produzione di semiconduttori back-end (attrezzature per l’assemblaggio e l’imballaggio), mentre la Cina ha una quota considerevole. Sebbene attualmente la Cina dipenda fortemente da apparecchiature per la produzione di semiconduttori di origine non cinese (ad eccezione di imballaggi e MOCVD), sta investendo molto per concentrarsi sulla produzione di tali apparecchiature. Questi investimenti offrono alle aziende beneficiarie un vantaggio significativo nello sviluppo e nella produzione di apparecchiature per chip all'avanguardia rispetto ad altre aziende.

Come mostra il grafico seguente, mentre gli Stati Uniti hanno una quota di mercato considerevole nella produzione della maggior parte delle PMI front-end, l’eccezione degna di nota è rappresentata dalle apparecchiature per scansione/stepper di litografia, che sono quasi interamente prodotte dalla società olandese ASML e dalle società giapponesi Nikon e Canon. Per le macchine litografiche, ASML (Paesi Bassi) è l'unico produttore di stepper/scanner EUV, fondamentali per la produzione di circuiti integrati con larghezze di linea pari o inferiori a 5 nm. Tuttavia, solo due produttori di semiconduttori, TSMC e Samsung, attualmente utilizzano macchine EUV nella produzione, con un singolo dispositivo che costa più di 100 milioni di dollari. ASML e Nikon producono entrambe macchine per litografia ultravioletta profonda (DUV) che proiettano un raggio di luce attraverso una fotomaschera e creano un'immagine in scala ridotta del modello della fotomaschera sul wafer. Al di fuori dei Paesi Bassi e del Giappone, la quota di attrezzature litografiche degli Stati Uniti e di altri paesi è principalmente destinata a chip specifici a basso volume o alla realizzazione di fotomaschere.

Un set di apparecchiature per la produzione di semiconduttori può contenere fino a 100+ parti e le parti e gli accessori delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori rappresentano la categoria commerciale più ampia del settore. Secondo l’indagine Manufacturers Census, la metà dei ricavi delle vendite di apparecchiature per la produzione di semiconduttori negli Stati Uniti va a componenti e altri materiali. Più di 130 aziende statunitensi forniscono componenti critici per apparecchiature vendute da società straniere. In particolare, Cymer (USA) produce laser per le macchine litografiche stepper/scanner EUV di ASML. ASML ha acquisito Cymer nel 2013, ma Cymer rimane un'unità operativa indipendente di ASML con sede negli Stati Uniti.

A causa della natura ciclica delle vendite dovuta alla limitatezza dei mercati e dei clienti, la maggior parte delle grandi aziende produttrici di apparecchiature produce più di un tipo di apparecchiature per fornire ai clienti una gamma completa di apparecchiature e opzioni di manutenzione. Le aziende produttrici di apparecchiature per stepper/scanner per litografia come ASML rappresentano eccezioni a questa regola a causa della tecnologia unica dell'apparecchiatura. Lam Research e Tokyo Electron (TEL) si concentrano sulla deposizione e sull'attacco, mentre KLA si concentra sulla metrologia e sull'ispezione.

Un'eccezione al primato in Giappone e nei Paesi Bassi è rappresentata dalle apparecchiature MOCVD, utilizzate per produrre semiconduttori realizzati con materiali diversi dal silicio, come GaN e GaAs, inclusi LED, diodi laser e altri chip fotonici, dispositivi di potenza/RF e celle solari. Come accennato in precedenza, i chip GaN hanno implicazioni difensive strategiche. Le apparecchiature MOCVD sono prodotte da Veeco (USA), Aixtron (Germania) e AMEC (Cina). La Cina sta cercando di acquisire quote di mercato nel mercato MOCVD attraverso acquisizioni. Nel 2016, l'entità cinese Fujian Grand Chip Investment Fund, una società costituita appositamente per l'operazione, che comprende istituzioni statali e regionali, ha tentato di acquisire Aixtron, ma l'operazione è stata bloccata dal Presidente Obama dopo un'analisi da parte del Comitato per gli Investimenti Esteri negli Stati Uniti (CFIUS), che avrebbe potuto escludere l'acquirente dall'offerta pubblica di acquisto.

Le tre principali aziende per le apparecchiature di incisione sono Lam Research (Stati Uniti), Tokyo Electron (Giappone) e Applied Materials (Stati Uniti). Le aziende cinesi, inclusa AMEC, hanno una certa esperienza nell'incisione e possono fornire apparecchiature per applicazioni di fascia bassa, tuttavia, la loro quota di mercato è solo dell'1% circa.

Gli Stati Uniti hanno una quota di mercato relativamente piccola (4.9%) nelle PMI del packaging back-end rispetto alle apparecchiature di produzione front-end di semiconduttori. Il Giappone detiene la quota maggiore di attrezzature per l'imballaggio (35.7%), seguito da Cina (22.9%) e Paesi Bassi (11.1%). Tuttavia, Kulicke e Soffa, con sede negli Stati Uniti, è un'azienda leader nel settore delle apparecchiature per l'imballaggio di semiconduttori. Gli Stati Uniti e il Giappone sono in testa alle apparecchiature per test back-end (ATP) con una quota di mercato rispettivamente del 33.5% e del 48.6%.

(3) Attrezzature per la produzione di semiconduttori, il rischio degli Stati Uniti

Dipendenza dalle vendite estere (non statunitensi):

Sebbene gli Stati Uniti detengano un'ampia quota del mercato delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori, i produttori statunitensi dipendono fortemente dalle vendite all'estero. Taiwan, Cina e Corea del Sud, in quanto maggiori produttori di semiconduttori, rappresentano i mercati più grandi per le apparecchiature per la produzione di semiconduttori. Sebbene si preveda che Taiwan riconquisti la sua posizione di principale mercato per le apparecchiature per la produzione di semiconduttori nel 2021 e nel 2022, a causa degli ingenti investimenti richiesti dalle fabbriche di chip, Applied Materials e Lam Research riportano che circa il 90% del fatturato totale del 2020 deriverà da vendite al di fuori degli Stati Uniti. Il fatturato di Lam Research dalla Cina è aumentato dal 16% nel 2018 al 31% nel 2020. Di conseguenza, i produttori statunitensi di apparecchiature per la produzione di semiconduttori rischiano di essere significativamente colpiti dalle restrizioni commerciali tra Stati Uniti e Cina o da inaspettate variazioni della domanda in Asia. L'impatto che ne deriverebbe potrebbe andare ben oltre l'attuale calo del fatturato, poiché i produttori di semiconduttori subiscono un certo grado di dipendenza dai dispositivi e il cambio di fornitore richiede costose riprogettazioni. Ad esempio, Lam Research ha osservato nel suo rapporto annuale del 2020: "Una volta che un produttore di semiconduttori si impegna ad acquistare le attrezzature di produzione di semiconduttori di un concorrente, il produttore in genere continua ad acquistare le attrezzature di quel concorrente, rendendo più difficile per noi vendere a quel cliente in futuro". Inoltre, le vendite di attrezzature per la produzione di semiconduttori sono limitate alle università e alle aziende produttrici di semiconduttori che possiedono fabbriche. Le aziende produttrici di attrezzature per la produzione di semiconduttori non possono ampliare la propria base clienti al di fuori di queste categorie, poiché tali attrezzature sono esclusive del settore dei semiconduttori.

I sussidi cinesi per la produzione di apparecchiature per la produzione di semiconduttori distorcono il mercato:

Inoltre, la Cina prevede di fornire sostanziali sussidi per finanziare la produzione di apparecchiature per la produzione di semiconduttori nel paese. La seconda fase del Fondo nazionale cinese per gli investimenti nel settore dei circuiti integrati si concentra su macchine per incisione, apparecchiature per la deposizione, apparecchiature per test e pulizia dei wafer, con finanziamenti che vanno da 28.9 a 47 miliardi di dollari. I sussidi mantengono le aziende cinesi in attività, anche se la maggior parte sembra non redditizia. Ad esempio, secondo l’Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE), “le iniezioni di capitale statale hanno avuto un chiaro impatto sulla performance finanziaria dei produttori cinesi di semiconduttori”, dove gli aumenti delle attività aziendali non sono stati accompagnati da una crescita della redditività. . Questi sussidi forniscono alle aziende cinesi fondi per investire in ricerca e sviluppo nella produzione di semiconduttori di prossima generazione, offrendo loro un vantaggio significativo rispetto alle aziende non cinesi che non ricevono tali sussidi. A differenza del passato, oggi i produttori di apparecchiature per la produzione di semiconduttori sono riluttanti a investire in ricerca e sviluppo per le dimensioni dei wafer di prossima generazione, date le ingenti spese in ricerca e sviluppo e in conto capitale per produrre apparecchiature per la produzione di semiconduttori e l’incertezza su quando e dove verrà effettuata la produzione di chip all’avanguardia. .