(Vervolg van deel I: Ontwerp van geïntegreerde schakelingen, Deel II: Productie van geïntegreerde schakelingen, Deel III: Basisverpakking, test en geavanceerde verpakking)

5. Apparatuur voor de productie van halfgeleiderproducten

(1) Overzicht van kleine en middelgrote ondernemingen voor de productie van halfgeleiderapparatuur

Er zijn veel soorten apparatuur voor de verwerking en productie van halfgeleiderproducten die door kleine en middelgrote ondernemingen worden gebruikt in elk proces van de halfgeleiderproductielijn. Er zijn halfgeleiderspecifieke apparatuur (voorbewerking) voor het vervaardigen van kale wafers (materialen), apparatuur voor het verwerken van kale wafers tot definitieve wafers (nabewerking) en apparatuur voor het vervaardigen van fotomaskers (maskerproductie). Chipmakers hebben een verscheidenheid aan front-endapparatuur nodig voor hun productielijnen. De kosten van complexe front-end halfgeleiderfabricageapparatuur zijn een belangrijke reden voor de hoge kosten van halfgeleiderfabrieken, inclusief de kosten voor het bouwen van ultraschone fabrieken.

Front-end apparatuur voor de fabricage van halfgeleiders omvat apparatuur voor chipfabricageprocessen zoals fotolithografie, etsen, doping of ionenimplantatie, afzetting, polijsten of chemisch-mechanische planarisatie. Van bijzonder belang zijn apparatuur voor metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD), een specifiek type depositieapparatuur die dunne lagen van bepaalde metalen afzet, voornamelijk gebruikt om samengestelde halfgeleiders te produceren, waaronder die op basis van GaAs en GaN.

Back-end halfgeleiderproductieapparatuur voor het MKB omvat ATP en geavanceerde verpakkingsapparatuur.

(2) Huidige situatie

Apparatuur voor de productie van halfgeleiders wordt gedomineerd door bedrijven in de VS (41.7% aandeel in termen van omzet), Japan (31.1%) en Nederland (18.8%). Zuid-Korea heeft een aandeel van 2.2%, terwijl de resterende ongeveer 6.2% wordt gedeeld door China, Duitsland, Taiwan, Israël, Canada en andere landen in Zuidoost-Azië en Europa. De meeste Zuid-Koreaanse fabrikanten van halfgeleiderapparatuur zijn eigendom van Samsung of SK Hynix. De belangrijkste klanten van deze Zuid-Koreaanse bedrijven voor halfgeleiderapparatuur zijn Zuid-Koreaanse halfgeleiderbedrijven. Hoewel er ook een Chinees bedrijf is dat verschillende soorten apparatuur voor de productie van halfgeleiders vervaardigt, hebben Chinese bedrijven geen significant aandeel in welke categorie apparatuur dan ook voor de productie van halfgeleiders, met uitzondering van back-end-assemblage, verpakkingsapparatuur en MOCVD.

Al met al zijn de VS verantwoordelijk voor een groot deel van de mondiale productie van de meeste front-end halfgeleiderproductieapparatuur, met uitzondering van de productie van lithografieapparatuur die geconcentreerd is in Nederland en Japan. De VS zijn ook verantwoordelijk voor een groot deel van de mondiale productie van back-end testapparatuur. Daarentegen hebben de Verenigde Staten een relatief klein marktaandeel in de mondiale productie van back-end halfgeleiderproductieapparatuur (assemblage- en verpakkingsapparatuur), terwijl China een aanzienlijk aandeel heeft. Hoewel China momenteel sterk afhankelijk is van niet-Chinese productieapparatuur voor halfgeleiders (behalve voor verpakkingen en MOCVD), investeert het land zwaar om zich te concentreren op de productie van dergelijke apparatuur. Deze investeringen geven de begunstigde bedrijven een aanzienlijk voordeel in de ontwikkeling en productie van geavanceerde chipapparatuur ten opzichte van andere bedrijven.

Zoals uit onderstaande grafiek blijkt, vormen de Verenigde Staten weliswaar een aanzienlijk marktaandeel in de productie van de meeste front-end MKB-bedrijven, maar vormt de opmerkelijke uitzondering de lithografische scan-/stepperapparatuur, die bijna volledig wordt gemaakt door het Nederlandse bedrijf ASML en de Japanse bedrijven Nikon en Canon. Voor lithografiemachines is ASML (Nederland) de enige producent van EUV-steppers/scanners, die cruciaal zijn voor de productie van geïntegreerde schakelingen met lijnbreedtes van 5 nm of minder. Slechts twee halfgeleiderfabrikanten, TSMC en Samsung, gebruiken momenteel echter EUV-machines in de productie, waarbij één enkel apparaat meer dan $ 100 miljoen kost. ASML en Nikon vervaardigen beide diep-ultraviolette (DUV) lithografiemachines die een lichtstraal door een fotomasker projecteren en een verkleind beeld van het fotomaskerpatroon op de wafer creëren. Buiten Nederland en Japan is het aandeel van de lithografieapparatuur in de VS en andere landen vooral bestemd voor specifieke chips in kleine volumes of voor het maken van fotomaskers.

Een reeks halfgeleiderproductieapparatuur kan maar liefst meer dan 100 onderdelen bevatten, en onderdelen en accessoires voor halfgeleiderproductieapparatuur vormen de grootste handelscategorie in de industrie. Volgens het Manufacturers Census-onderzoek gaat de helft van de omzet uit de verkoop van halfgeleiderapparatuur in de VS naar componenten en andere materialen. Meer dan 130 Amerikaanse bedrijven leveren cruciale componenten voor apparatuur die door buitenlandse bedrijven wordt verkocht. Cymer (VS) produceert met name lasers voor ASML's EUV-stepper/scanner-lithografiemachines. ASML heeft Cymer in 2013 overgenomen, maar Cymer blijft een onafhankelijke, in de VS gevestigde operationele eenheid van ASML.

Vanwege het cyclische karakter van de verkoop als gevolg van beperkte markten en klanten, vervaardigen de meeste grote apparatuurbedrijven meer dan één type apparatuur om klanten een volledig pakket aan apparatuur en onderhoudsopties te bieden. Bedrijven voor lithografie-stepper/scannerapparatuur zoals ASML vormen uitzonderingen op deze regel vanwege de unieke technologie van de apparatuur. Lam Research en Tokyo Electron (TEL) richten zich op depositie en etsen, terwijl KLA zich richt op metrologie en inspectie.

Een uitzondering op de leidende positie van Japan en Nederland is MOCVD-apparatuur, die wordt gebruikt voor de productie van halfgeleiders gemaakt van andere materialen dan silicium, zoals GaN en GaAs, waaronder LED's, laserdiode's en andere fotonische chips, vermogens-/RF-apparaten en zonnecellen. Zoals hierboven vermeld, hebben GaN-chips strategische defensieve implicaties. MOCVD-apparatuur wordt geproduceerd door Veeco (VS), Aixtron (Duitsland) en AMEC (China). China probeert marktaandeel te winnen in de MOCVD-markt door middel van overnames. In 2016 probeerde de Chinese entiteit Fujian Grand Chip Investment Fund, een speciaal daarvoor opgericht bedrijf met staats- en regionale instellingen, Aixtron over te nemen, maar de deal werd geblokkeerd door president Obama na een onderzoek door de Committee on Foreign Investment in the United States (CFIUS), mogelijk omdat de overnemende partij het overnamebod had ingetrokken.

De drie grootste bedrijven op het gebied van etsapparatuur zijn Lam Research (VS), Tokyo Electron (Japan) en Applied Materials (VS). Chinese bedrijven, waaronder AMEC, hebben enige expertise op het gebied van etsen en kunnen apparatuur leveren voor low-end toepassingen, maar hun marktaandeel bedraagt ​​slechts ongeveer 1%.

De VS hebben een relatief klein marktaandeel (4.9%) in back-end-verpakkings-MKB-bedrijven vergeleken met front-end halfgeleiderproductieapparatuur. Japan heeft het grootste aandeel verpakkingsapparatuur (35.7%), gevolgd door China (22.9%) en Nederland (11.1%). Het in de VS gevestigde Kulicke and Soffa is echter een toonaangevend bedrijf voor verpakkingsapparatuur voor halfgeleiders. De VS en Japan lopen voorop op het gebied van back-end testapparatuur (ATP) met respectievelijk een marktaandeel van 33.5% en 48.6%.

(3) Apparatuur voor de productie van halfgeleiders, het risico van de Verenigde Staten

Afhankelijkheid van buitenlandse (niet-Amerikaanse) verkopen:

Hoewel de VS een groot deel van de markt voor halfgeleiderproductieapparatuur in handen hebben, zijn Amerikaanse producenten sterk afhankelijk van buitenlandse verkopen. Als grootste halfgeleiderfabrikanten zijn Taiwan, China en Zuid-Korea de grootste markten voor halfgeleiderproductieapparatuur. Hoewel Taiwan naar verwachting in 2021 en 2022 zijn positie als de grootste markt voor halfgeleiderproductieapparatuur zal herwinnen, als gevolg van de hoge uitgaven die chipfabrikanten nodig hebben, melden Applied Materials en Lam Research dat ongeveer 90% van de totale omzet in 2020 afkomstig zal zijn van niet-chipfabrieken. - Amerikaanse verkopen. De inkomsten van Lam Research uit China zijn gestegen van 16% in 2018 naar 31% in 2020. Als gevolg hiervan lopen Amerikaanse fabrikanten van halfgeleiderproductieapparatuur het risico aanzienlijk te worden beïnvloed door handelsbeperkingen tussen de VS en China of door onverwachte veranderingen in de vraag in Azië. De hieruit voortvloeiende impact zou veel verder kunnen reiken dan de huidige omzetdaling, aangezien fabrikanten van halfgeleiders een zekere mate van 'device lock-in' ervaren en het wisselen van apparaatleverancier dure herontwerpen vereist. Lam Research merkte bijvoorbeeld in zijn jaarverslag 2020 op: "Zodra een halfgeleiderfabrikant zich ertoe verbindt de apparatuur voor de productie van halfgeleiders van een concurrent te kopen, blijft de fabrikant doorgaans de apparatuur van die concurrent kopen, waardoor het voor ons moeilijker wordt om ons in de toekomst aan die klant te verkopen. . apparatuur." Bovendien is de verkoop van halfgeleiderproductieapparatuur beperkt tot universiteiten en halfgeleiderproductiebedrijven die fabrieken bezitten. Bedrijven voor halfgeleiderproductieapparatuur kunnen hun klantenbestand niet buiten deze categorieën laten groeien, omdat dergelijke apparatuur uniek is voor de halfgeleiderindustrie.

Chinese subsidies voor de productie van apparatuur voor de productie van halfgeleiders verstoren de markt:

Bovendien is China van plan substantiële subsidies te verstrekken om de productie van halfgeleiderproductieapparatuur in het land te financieren. De tweede fase van het China National Integrated Circuit Industry Investment Fund richt zich op etsmachines, depositieapparatuur, test- en waferreinigingsapparatuur, met financiering variërend van $28.9 tot $47 miljard. De subsidies houden Chinese bedrijven draaiende, ook al lijken de meeste niet winstgevend. Volgens de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO) hebben ‘kapitaalinjecties van de overheid een duidelijke impact gehad op de financiële prestaties van Chinese halfgeleiderproducenten’, terwijl de stijging van de bedrijfsactiva niet gepaard is gegaan met een groei van de winstgevendheid. . Deze subsidies bieden Chinese bedrijven geld om te investeren in onderzoek en ontwikkeling in de productie van halfgeleiders van de volgende generatie, waardoor ze een aanzienlijk voordeel krijgen ten opzichte van niet-Chinese bedrijven die dergelijke subsidies niet ontvangen. Anders dan in het verleden zijn fabrikanten van halfgeleiderproductieapparatuur vandaag de dag terughoudend om te investeren in R&D voor de volgende generatie waferformaten, gezien de aanzienlijke R&D- en kapitaaluitgaven voor de productie van halfgeleiderapparatuur en de onzekerheid over wanneer en waar de allernieuwste chipproductie zal plaatsvinden. .