(ต่อจากส่วนที่ 1: การออกแบบวงจรรวม ส่วนที่ 2: การผลิตวงจรรวม ส่วนที่ 3: การบรรจุขั้นพื้นฐาน การทดสอบ และการบรรจุขั้นสูง)

5. อุปกรณ์การผลิตผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์

(1) โครงร่างของอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์วิสาหกิจขนาดกลางและขนาดย่อม

อุปกรณ์แปรรูปและการผลิตผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มีหลายประเภทที่ใช้โดยองค์กรขนาดเล็กและขนาดกลางในแต่ละกระบวนการของสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ มีอุปกรณ์เฉพาะเซมิคอนดักเตอร์ (ก่อนการประมวลผล) สำหรับการผลิตแผ่นเวเฟอร์เปลือย (วัสดุ) อุปกรณ์สำหรับการประมวลผลแผ่นเวเฟอร์เปล่าเป็นเวเฟอร์ขั้นสุดท้าย (หลังการประมวลผล) และอุปกรณ์สำหรับการผลิตโฟโตมาสก์ (การผลิตหน้ากาก) ผู้ผลิตชิปต้องการอุปกรณ์ส่วนหน้าที่หลากหลายในสายการผลิตของตน ต้นทุนของอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ส่วนหน้าที่ซับซ้อนเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้ต้นทุนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สูง รวมถึงต้นทุนในการสร้างโรงงานที่สะอาดเป็นพิเศษ

อุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ส่วนหน้ารวมถึงอุปกรณ์สำหรับกระบวนการผลิตชิป เช่น การพิมพ์หินด้วยแสง การแกะสลัก การเติมสารโด๊ปหรือการฝังไอออน การสะสม การขัดเงา หรือการวางแผนเชิงกลทางเคมี สิ่งที่น่าสังเกตเป็นพิเศษคืออุปกรณ์การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์และโลหะ (MOCVD) ซึ่งเป็นอุปกรณ์การสะสมประเภทเฉพาะที่สะสมชั้นบางๆ ของโลหะบางชนิด ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบผสม รวมถึงอุปกรณ์ที่ใช้ GaAs และ GaN

อุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบ็คเอนด์ SME รวมถึง ATP และอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

(2) สถานการณ์ปัจจุบัน

อุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ถูกครอบงำโดยบริษัทต่างๆ ในสหรัฐอเมริกา (ส่วนแบ่ง 41.7% ในแง่ของรายได้จากการขาย) ญี่ปุ่น (31.1%) และเนเธอร์แลนด์ (18.8%) เกาหลีใต้มีส่วนแบ่ง 2.2% ส่วนที่เหลืออีกประมาณ 6.2% มีส่วนแบ่งโดยจีน เยอรมนี ไต้หวัน อิสราเอล แคนาดา และประเทศอื่นๆ ในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้และยุโรป ผู้ผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของเกาหลีใต้ส่วนใหญ่เป็นเจ้าของโดย Samsung หรือ SK Hynix ลูกค้าหลักของบริษัทอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ของเกาหลีใต้เหล่านี้คือบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ของเกาหลีใต้ แม้ว่าจะมีบริษัทจีนที่ผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ประเภทต่างๆ แต่บริษัทจีนไม่มีส่วนแบ่งที่สำคัญในประเภทอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ใดๆ ยกเว้นการประกอบส่วนหลัง อุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ และ MOCVD

โดยรวมแล้ว สหรัฐอเมริกามีส่วนแบ่งขนาดใหญ่ในการผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ส่วนหน้าส่วนใหญ่ทั่วโลก ยกเว้นการผลิตอุปกรณ์การพิมพ์หินที่กระจุกตัวอยู่ในเนเธอร์แลนด์และญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกายังมีส่วนแบ่งการผลิตอุปกรณ์ทดสอบระบบแบ็คเอนด์ทั่วโลกเป็นจำนวนมาก ในทางตรงกันข้าม สหรัฐอเมริกามีส่วนแบ่งการตลาดค่อนข้างน้อยในการผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบ็กเอนด์ทั่วโลก (อุปกรณ์ประกอบและบรรจุภัณฑ์) ในขณะที่จีนมีส่วนแบ่งจำนวนมาก แม้ว่าปัจจุบันจีนจะพึ่งพาอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่ใช่จากจีนเป็นอย่างมาก (ยกเว้นบรรจุภัณฑ์และ MOCVD) แต่ก็กำลังลงทุนอย่างมากเพื่อมุ่งเน้นการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าว การลงทุนเหล่านี้ทำให้บริษัทที่ได้รับผลประโยชน์มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการพัฒนาและผลิตอุปกรณ์ชิปที่ล้ำสมัยเมื่อเทียบกับบริษัทอื่นๆ

ดังที่แผนภูมิด้านล่างแสดงให้เห็น ในขณะที่สหรัฐอเมริกามีส่วนแบ่งการตลาดขนาดใหญ่ในการผลิต SMEs ส่วนหน้าส่วนใหญ่ ข้อยกเว้นที่น่าสังเกตคืออุปกรณ์สแกน/สเต็ปเปอร์สำหรับการพิมพ์ภาพด้วยแสง ซึ่งเกือบทั้งหมดผลิตโดยบริษัท ASML ของเนเธอร์แลนด์ และบริษัท Nikon และ Canon ของญี่ปุ่น สำหรับเครื่องจักรพิมพ์ภาพด้วยแสง ASML (เนเธอร์แลนด์) เป็นผู้ผลิตเครื่องสเต็ปเปอร์/สแกนเนอร์ EUV เพียงรายเดียว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตวงจรรวมที่มีความกว้างของเส้น 5 นาโนเมตรหรือน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีเพียงผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์สองรายเท่านั้น คือ TSMC และ Samsung ที่ใช้เครื่องจักร EUV ในการผลิต โดยอุปกรณ์แต่ละเครื่องมีราคาสูงกว่า 100 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ASML และ Nikon ต่างผลิตเครื่องจักรพิมพ์ภาพด้วยแสงอัลตราไวโอเลตแบบลึก (DUV) ซึ่งฉายลำแสงผ่านโฟโตมาสก์และสร้างภาพย่อส่วนของรูปแบบโฟโตมาสก์บนเวเฟอร์ นอกเหนือจากเนเธอร์แลนด์และญี่ปุ่นแล้ว ส่วนแบ่งการตลาดของอุปกรณ์พิมพ์ภาพด้วยแสงของสหรัฐอเมริกาและประเทศอื่นๆ ส่วนใหญ่ใช้สำหรับชิปปริมาณน้อยเฉพาะ หรือสำหรับการผลิตโฟโตมาสก์

ชุดอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์สามารถมีชิ้นส่วนได้มากกว่า 100 ชิ้น และชิ้นส่วนและอุปกรณ์เสริมของอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ถือเป็นหมวดหมู่การค้าที่ใหญ่ที่สุดในอุตสาหกรรม จากการสำรวจสำมะโนผู้ผลิตผู้ผลิต พบว่าครึ่งหนึ่งของรายได้จากการขายอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐฯ มาจากส่วนประกอบและวัสดุอื่นๆ บริษัทในสหรัฐฯ มากกว่า 130 แห่งจัดหาส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์ที่จำหน่ายโดยบริษัทต่างประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Cymer (สหรัฐอเมริกา) ผลิตเลเซอร์สำหรับเครื่องพิมพ์หิน stepper/scanner EUV ของ ASML ASML เข้าซื้อกิจการ Cymer ในปี 2013 แต่ Cymer ยังคงเป็นหน่วยปฏิบัติการอิสระของ ASML ในสหรัฐฯ

เนื่องจากลักษณะของการขายเป็นวัฏจักรเนื่องจากตลาดและลูกค้าที่จำกัด บริษัทอุปกรณ์ขนาดใหญ่ส่วนใหญ่จึงผลิตอุปกรณ์มากกว่าหนึ่งประเภทเพื่อให้ลูกค้าได้รับอุปกรณ์ครบชุดและตัวเลือกในการบำรุงรักษา บริษัทอุปกรณ์สเต็ปเปอร์/สแกนเนอร์การพิมพ์หิน เช่น ASML เป็นข้อยกเว้นของกฎนี้เนื่องจากเทคโนโลยีเฉพาะของอุปกรณ์ Lam Research, Tokyo Electron (TEL) มุ่งเน้นไปที่การสะสมและการกัด ในขณะที่ KLA มุ่งเน้นไปที่มาตรวิทยาและการตรวจสอบ

ข้อยกเว้นประการหนึ่งสำหรับความเป็นผู้นำในญี่ปุ่นและเนเธอร์แลนด์คืออุปกรณ์ MOCVD ซึ่งใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำจากวัสดุอื่นที่ไม่ใช่ซิลิคอน เช่น GaN และ GaAs รวมถึง LED, ไดโอดเลเซอร์ และชิปโฟโตนิกอื่นๆ อุปกรณ์กำลัง/RF และเซลล์แสงอาทิตย์ ดังที่กล่าวมาข้างต้น ชิป GaN มีนัยสำคัญเชิงกลยุทธ์ในการป้องกันประเทศ อุปกรณ์ MOCVD ผลิตโดย Veeco (สหรัฐอเมริกา), Aixtron (เยอรมนี) และ AMEC (จีน) จีนกำลังพยายามเพิ่มส่วนแบ่งการตลาดในตลาด MOCVD ผ่านการเข้าซื้อกิจการ ในปี 2016 บริษัท Fujian Grand Chip Investment Fund ซึ่งเป็นบริษัทของจีนที่จัดตั้งขึ้นเพื่อการทำธุรกรรมนี้ โดยรวมถึงสถาบันของรัฐและระดับภูมิภาค ได้พยายามเข้าซื้อ Aixtron แต่ข้อตกลงดังกล่าวถูกขัดขวางโดยประธานาธิบดีโอบามาหลังจากการตรวจสอบโดยคณะกรรมการการลงทุนต่างประเทศในสหรัฐอเมริกา (CFIUS) ซึ่งอาจเป็นสาเหตุที่ผู้ซื้อยกเลิกข้อเสนอการเข้าซื้อกิจการ

บริษัทสามอันดับแรกด้านอุปกรณ์แกะสลัก ได้แก่ Lam Research (สหรัฐอเมริกา), Tokyo Electron (ญี่ปุ่น) และ Applied Materials (สหรัฐอเมริกา) บริษัทจีน รวมถึง AMEC มีความเชี่ยวชาญด้านการแกะสลักและสามารถจัดหาอุปกรณ์สำหรับการใช้งานระดับล่างได้ อย่างไรก็ตาม ส่วนแบ่งการตลาดของพวกเขาอยู่ที่ประมาณ 1% เท่านั้น

สหรัฐอเมริกามีส่วนแบ่งการตลาดค่อนข้างน้อย (4.9%) ในธุรกิจ SMEs บรรจุภัณฑ์แบ็คเอนด์ เมื่อเทียบกับอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ส่วนหน้า ญี่ปุ่นมีส่วนแบ่งอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ที่ใหญ่ที่สุด (35.7%) รองลงมาคือจีน (22.9%) และเนเธอร์แลนด์ (11.1%) อย่างไรก็ตาม Kulicke และ Soffa ซึ่งมีฐานอยู่ในสหรัฐอเมริกาเป็นบริษัทอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำ สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นเป็นผู้นำในด้านอุปกรณ์ทดสอบแบ็คเอนด์ (ATP) โดยมีส่วนแบ่งตลาด 33.5% และ 48.6% ตามลำดับ

(3) อุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ความเสี่ยงของประเทศสหรัฐอเมริกา

การพึ่งพาการขายจากต่างประเทศ (ไม่ใช่สหรัฐอเมริกา):

แม้ว่าสหรัฐอเมริกาจะมีส่วนแบ่งตลาดอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ แต่ผู้ผลิตในสหรัฐฯ ก็พึ่งพาการขายในต่างประเทศเป็นอย่างมาก ไต้หวัน จีน และเกาหลีใต้ ซึ่งเป็นผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ที่สุด จึงเป็นตลาดที่ใหญ่ที่สุดสำหรับอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าคาดว่าไต้หวันจะกลับมาครองตำแหน่งตลาดที่ใหญ่ที่สุดสำหรับอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์อีกครั้งในปี 2021 และ 2022 เนื่องจากการลงทุนจำนวนมากที่จำเป็นสำหรับโรงงานผลิตชิป แต่ Applied Materials และ Lam Research รายงานว่าประมาณ 90% ของรายได้รวมในปี 2020 จะมาจากการขายในต่างประเทศ รายได้ของ Lam Research จากจีนเพิ่มขึ้นจาก 16% ในปี 2018 เป็น 31% ในปี 2020 ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐฯ จึงมีความเสี่ยงที่จะได้รับผลกระทบอย่างมากจากข้อจำกัดทางการค้าสหรัฐฯ-จีน หรือการเปลี่ยนแปลงความต้องการที่ไม่คาดคิดในเอเชีย ผลกระทบที่เกิดขึ้นอาจเกินกว่าการลดลงของรายได้ในปัจจุบัน เนื่องจากผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ประสบปัญหาการผูกขาดอุปกรณ์ และการเปลี่ยนซัพพลายเออร์อุปกรณ์ต้องใช้การออกแบบใหม่ที่มีค่าใช้จ่ายสูง ตัวอย่างเช่น Lam Research ระบุในรายงานประจำปี 2020 ว่า "เมื่อผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ตกลงที่จะซื้ออุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของคู่แข่งแล้ว โดยทั่วไปผู้ผลิตรายนั้นก็จะยังคงซื้ออุปกรณ์ของคู่แข่งรายนั้นต่อไป ทำให้เราขายสินค้าให้กับลูกค้ารายนั้นได้ยากขึ้นในอนาคต" นอกจากนี้ การขายอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยังจำกัดอยู่เฉพาะมหาวิทยาลัยและบริษัทผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีโรงงานผลิตเป็นของตนเอง บริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถขยายฐานลูกค้าออกไปนอกเหนือจากกลุ่มเหล่านี้ได้ เนื่องจากอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

เงินอุดหนุนของจีนสำหรับการผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์บิดเบือนตลาด:

นอกจากนี้ จีนวางแผนที่จะให้เงินอุดหนุนจำนวนมากเพื่อเป็นเงินทุนในการผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศ ระยะที่สองของกองทุนเพื่อการลงทุนอุตสาหกรรมวงจรรวมแห่งชาติของจีน มุ่งเน้นไปที่เครื่องแกะสลัก อุปกรณ์สะสม การทดสอบ และอุปกรณ์ทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์ โดยมีเงินทุนตั้งแต่ 28.9 ถึง 47 พันล้านดอลลาร์ เงินอุดหนุนดังกล่าวทำให้บริษัทจีนยังคงดำเนินธุรกิจอยู่ แม้ว่าส่วนใหญ่ดูเหมือนจะไม่มีผลกำไรก็ตาม ตัวอย่างเช่น ตามที่องค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนา (OECD) ระบุว่า "การเพิ่มทุนของรัฐบาลมีผลกระทบอย่างชัดเจนต่อประสิทธิภาพทางการเงินของผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของจีน" ซึ่งการเพิ่มขึ้นของสินทรัพย์ขององค์กรไม่สอดคล้องกับการเติบโตของความสามารถในการทำกำไร . เงินอุดหนุนเหล่านี้ทำให้บริษัทจีนมีเงินทุนเพื่อลงทุนในการวิจัยและพัฒนาในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไป ทำให้พวกเขาได้เปรียบอย่างมีนัยสำคัญเหนือบริษัทที่ไม่ใช่บริษัทจีนที่ไม่ได้รับเงินอุดหนุนดังกล่าว ต่างจากในอดีตที่ผู้ผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันไม่เต็มใจที่จะลงทุนในการวิจัยและพัฒนาสำหรับขนาดเวเฟอร์รุ่นต่อไป เนื่องจากการวิจัยและพัฒนาจำนวนมากและรายจ่ายฝ่ายทุนในการผลิตอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ตลอดจนความไม่แน่นอนว่าการผลิตชิประดับแนวหน้าเมื่อใดและที่ใดจะเกิดขึ้น .