(Ciąg dalszy z Części I: Projektowanie obwodów scalonych, Część II: Produkcja układów scalonych, Część III: Opakowanie podstawowe, testowanie i opakowanie zaawansowane)

5. Sprzęt do wytwarzania produktów półprzewodnikowych

(1) Zarys sprzętu do produkcji półprzewodników dla małych i średnich przedsiębiorstw

Istnieje wiele rodzajów sprzętu do przetwarzania i wytwarzania produktów półprzewodnikowych wykorzystywanych przez małe i średnie przedsiębiorstwa w każdym procesie linii produkcyjnej półprzewodników. Istnieją specyficzne dla półprzewodników urządzenia (przetwarzanie wstępne) do produkcji gołych płytek (materiałów), urządzenia do przetwarzania gołych płytek w końcowe płytki (obróbka końcowa) oraz urządzenia do produkcji fotomasek (produkcja masek). Producenci chipów potrzebują na swoich liniach produkcyjnych różnorodnego sprzętu front-end. Koszt złożonego, czołowego sprzętu do produkcji półprzewodników jest główną przyczyną wysokich kosztów fabryk półprzewodników, w tym kosztów budowy ultraczystych fabryk.

Do zaawansowanych urządzeń do wytwarzania półprzewodników zalicza się urządzenia do procesów wytwarzania chipów, takich jak fotolitografia, trawienie, domieszkowanie lub implantacja jonów, osadzanie, polerowanie lub planaryzacja chemiczno-mechaniczna. Na szczególną uwagę zasługują urządzenia do chemicznego osadzania metali organicznych (MOCVD), czyli specyficzny rodzaj sprzętu do osadzania cienkich warstw niektórych metali, wykorzystywanego głównie do produkcji złożonych półprzewodników, w tym opartych na GaAs i GaN.

Zaplecze sprzętowe do produkcji półprzewodników dla MŚP obejmuje ATP i zaawansowany sprzęt do pakowania.

(2) Obecna sytuacja

W sprzęcie do produkcji półprzewodników dominują firmy z USA (41.7% udziału pod względem przychodów ze sprzedaży), Japonii (31.1%) i Holandii (18.8%). Korea Południowa ma 2.2% udziału, a pozostałe około 6.2% mają Chiny, Niemcy, Tajwan, Izrael, Kanada i inne kraje Azji Południowo-Wschodniej i Europy. Większość południowokoreańskich producentów sprzętu do produkcji półprzewodników należy do firm Samsung lub SK Hynix, a głównymi klientami tych południowokoreańskich producentów sprzętu półprzewodnikowego są południowokoreańskie firmy produkujące półprzewodniki. Chociaż istnieje również chińska firma produkująca różne typy sprzętu do produkcji półprzewodników, chińskie firmy nie mają znaczącego udziału w żadnej kategorii sprzętu do produkcji półprzewodników z wyjątkiem montażu zaplecza, sprzętu do pakowania i MOCVD.

Ogólnie rzecz biorąc, Stany Zjednoczone mają duży udział w światowej produkcji większości front-endowego sprzętu do produkcji półprzewodników, z wyjątkiem produkcji sprzętu do litografii, która koncentruje się w Holandii i Japonii. Stany Zjednoczone mają także duży udział w światowej produkcji sprzętu do testów końcowych. Natomiast Stany Zjednoczone mają stosunkowo niewielki udział w globalnym rynku produkcji sprzętu do produkcji półprzewodników typu back-end (sprzęt do montażu i pakowania), podczas gdy Chiny mają znaczny udział. Chociaż Chiny są obecnie w dużym stopniu zależne od sprzętu do produkcji półprzewodników niepochodzącego z Chin (z wyjątkiem opakowań i MOCVD), intensywnie inwestują, aby skoncentrować się na produkcji takiego sprzętu. Inwestycje te zapewniają przedsiębiorstwom będącym beneficjentami znaczną przewagę w opracowywaniu i produkcji najnowocześniejszego sprzętu chipowego w porównaniu z innymi przedsiębiorstwami.

Jak pokazuje poniższy wykres, chociaż Stany Zjednoczone mają znaczny udział w rynku w produkcji większości czołowych MŚP, godnym uwagi wyjątkiem jest sprzęt do skanowania litograficznego/steppera, który jest prawie w całości produkowany przez holenderską firmę ASML oraz japońskie firmy Nikon i Canon. Jeśli chodzi o maszyny litograficzne, ASML (Holandia) jest jedynym producentem stepperów/skanerów EUV, które mają kluczowe znaczenie w produkcji układów scalonych o szerokości linii 5 nm lub mniejszej. Jednak tylko dwóch producentów półprzewodników, TSMC i Samsung, wykorzystuje obecnie w produkcji maszyny EUV, a jedno urządzenie kosztuje ponad 100 milionów dolarów. Zarówno ASML, jak i Nikon produkują maszyny do litografii w głębokim ultrafiolecie (DUV), które rzucają wiązkę światła przez fotomaskę i tworzą pomniejszony obraz wzoru fotomaski na płytce. Poza Holandią i Japonią, w Stanach Zjednoczonych i innych krajach sprzęt litograficzny przeznaczony jest głównie do specjalnych chipów o małej objętości lub do produkcji fotomasek.

Zestaw sprzętu do produkcji półprzewodników może składać się z ponad 100 części, a części i akcesoria do sprzętu do produkcji półprzewodników stanowią największą kategorię handlową w branży. Według sondażu spisu producentów, połowa przychodów ze sprzedaży sprzętu do produkcji półprzewodników w USA przypada na komponenty i inne materiały. Ponad 130 amerykańskich firm dostarcza kluczowe komponenty do sprzętu sprzedawanego przez firmy zagraniczne. W szczególności Cymer (USA) produkuje lasery do maszyn litograficznych EUV krokowych/skanerowych firmy ASML. ASML przejął Cymer w 2013 r., lecz Cymer pozostaje niezależną jednostką operacyjną ASML z siedzibą w USA.

Ze względu na cykliczny charakter sprzedaży wynikający z ograniczonych rynków i klientów, większość dużych producentów sprzętu produkuje więcej niż jeden typ sprzętu, aby zapewnić klientom pełny zestaw sprzętu i opcji konserwacji. Firmy produkujące steppery/skanery litograficzne, takie jak ASML, stanowią wyjątek od tej reguły ze względu na unikalną technologię sprzętu. Lam Research, Tokyo Electron (TEL) koncentruje się na osadzaniu i trawieniu, podczas gdy KLA koncentruje się na metrologii i kontroli.

Wyjątkiem od lidera w Japonii i Holandii jest sprzęt MOCVD, który jest wykorzystywany do produkcji półprzewodników z materiałów innych niż krzem, takich jak GaN i GaAs, w tym diod LED, diod laserowych i innych układów fotonicznych, urządzeń mocy/RF i ogniw słonecznych. Jak wspomniano powyżej, układy GaN mają strategiczne implikacje obronne. Sprzęt MOCVD jest produkowany przez Veeco (USA), Aixtron (Niemcy) i AMEC (Chiny). Chiny starają się zdobyć udział w rynku MOCVD poprzez przejęcia. W 2016 roku chiński podmiot Fujian Grand Chip Investment Fund, spółka utworzona na potrzeby transakcji, obejmująca instytucje państwowe i regionalne, próbowała przejąć Aixtron, ale transakcja została zablokowana przez prezydenta Obamę po przeglądzie przeprowadzonym przez Komitet ds. Inwestycji Zagranicznych w Stanach Zjednoczonych (CFIUS), potencjalnie gdyby nabywca zrezygnował z oferty przejęcia.

Trzy czołowe firmy produkujące sprzęt do trawienia to Lam Research (USA), Tokyo Electron (Japonia) i Applied Materials (USA). Chińskie firmy, w tym AMEC, mają pewne doświadczenie w trawieniu i mogą dostarczać sprzęt do zastosowań z niższej półki, jednak ich udział w rynku wynosi tylko około 1%.

Stany Zjednoczone mają stosunkowo niewielki udział w rynku (4.9%) w małych i średnich przedsiębiorstwach zajmujących się pakowaniem zaplecza w porównaniu z czołowym sprzętem do produkcji półprzewodników. Największy udział w sprzęcie do pakowania ma Japonia (35.7%), następnie Chiny (22.9%) i Holandia (11.1%). Jednakże firma Kulicke and Soffa z siedzibą w USA jest wiodącym producentem sprzętu do pakowania półprzewodników. Stany Zjednoczone i Japonia przodują w dziedzinie sprzętu do testów zaplecza (ATP) z odpowiednio 33.5% i 48.6% udziałem w rynku.

(3) Sprzęt do produkcji półprzewodników, ryzyko Stanów Zjednoczonych

Poleganie na sprzedaży zagranicznej (spoza USA):

Chociaż Stany Zjednoczone mają duży udział w rynku sprzętu do produkcji półprzewodników, amerykańscy producenci są w dużym stopniu uzależnieni od sprzedaży zagranicznej. Jako najwięksi producenci półprzewodników, Tajwan, Chiny i Korea Południowa są największymi rynkami sprzętu do produkcji półprzewodników. Chociaż oczekuje się, że Tajwan odzyska pozycję największego rynku sprzętu do produkcji półprzewodników w latach 2021 i 2022, ze względu na duże wydatki wymagane przez fabryki chipów, firmy Applied Materials i Lam Research podają, że około 90% jego całkowitych przychodów w 2020 r. - Sprzedaż w USA. Przychody Lam Research z Chin wzrosły z 16% w 2018 r. do 31% w 2020 r. W rezultacie amerykańscy producenci sprzętu do produkcji półprzewodników są narażeni na ryzyko znacznego wpływu ograniczeń handlowych między USA i Chinami lub nieoczekiwanych zmian popytu w Azji. Wynikający z tego wpływ może znacznie wykraczać poza obecny spadek przychodów, ponieważ producenci półprzewodników doświadczają pewnego stopnia uzależnienia od urządzeń, a zmiana dostawców urządzeń wymaga kosztownych przeprojektowań. Na przykład firma Lam Research odnotowała w swoim raporcie rocznym za rok 2020: „Kiedy producent półprzewodników zobowiązuje się do zakupu sprzętu do produkcji półprzewodników konkurencyjnej firmy, producent zazwyczaj kontynuuje zakup sprzętu tej konkurencji, co utrudnia nam w przyszłości sprzedaż sprzętu temu klientowi . sprzęt." Ponadto sprzedaż sprzętu do produkcji półprzewodników jest ograniczona do uniwersytetów i firm produkujących półprzewodniki, które posiadają fabryki. Firmy produkujące sprzęt do produkcji półprzewodników nie mogą rozwijać swojej bazy klientów poza tymi kategoriami, ponieważ taki sprzęt jest unikalny dla branży półprzewodników.

Chińskie dotacje na produkcję sprzętu do produkcji półprzewodników zakłócają rynek:

Ponadto Chiny planują zapewnić znaczne dotacje na finansowanie produkcji sprzętu do produkcji półprzewodników w kraju. Druga faza Chińskiego Narodowego Funduszu Inwestycyjnego Przemysłu Obwodów Scalonych koncentruje się na maszynach do trawienia, sprzęcie do osadzania, sprzęcie do testowania i czyszczenia płytek, a finansowanie waha się od 28.9 do 47 miliardów dolarów. Dotacje utrzymują chińskie firmy w biznesie, choć większość z nich wydaje się nierentowna. Na przykład według Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) „zastrzyki kapitału rządowego miały wyraźny wpływ na wyniki finansowe chińskich producentów półprzewodników”, w przypadku których wzrostowi aktywów przedsiębiorstw nie towarzyszył wzrost rentowności . Dotacje te zapewniają chińskim firmom środki na inwestycje w badania i rozwój w zakresie produkcji półprzewodników nowej generacji, dając im znaczną przewagę nad firmami spoza Chin, które nie otrzymują takich dotacji. Inaczej niż w przeszłości, dzisiejsi producenci sprzętu do produkcji półprzewodników niechętnie inwestują w prace badawczo-rozwojowe w zakresie rozmiarów płytek nowej generacji, biorąc pod uwagę znaczne nakłady na badania i rozwój oraz inwestycje w produkcję sprzętu do produkcji półprzewodników oraz niepewność co do tego, kiedy i gdzie zostanie uruchomiona najnowocześniejsza produkcja chipów .