對于2017半導體設備的總結(jié)以及2018半導體設備的預測

得益于儲存芯片和邏輯芯片對10 / 7nm先進工藝的強勁需求，早些的預測都看好2018年半導體設備的穩(wěn)健增長。

2017年12月18日

2017年半導體設備支出將達到創(chuàng)紀錄的歷史最高水平，截止目前看來，這種勢頭很可能會持續(xù)到2018年。

今年，由于對3D NAND閃存和程度稍小的DRAM的巨大需求，半導體設備制造商發(fā)現(xiàn)自己正處于一個意想不到的繁榮周期之中。但在邏輯/代工業(yè)務方面，2017年的設備需求卻相對溫和。

盡管該行業(yè)在2018年將難以超過2017年創(chuàng)紀錄的增長數(shù)字，不過對設備需求看起來仍很強勁。事實上根據(jù)目前的預測，預計集成電路設備市場將會有一點降溫，在2018年看到更正常一點的增長模式。

據(jù)VLSI Research的數(shù)據(jù)顯示，2017年半導體設備市場總值預計達704億美元，較2016年上升30.6％。 同樣根據(jù)VLSI Research的預測，到2018年IC設備市場預計將達到735億美元，僅比2017年增長4.4％。

圖1：半導體設備市場增長數(shù)據(jù) 來源：VLSI Research

當然，預測很可能變化，因為有許多可能會影響半導體設備行業(yè)的因素。和以前一樣，經(jīng)濟因素和政治問題在這個領域扮演著重要的角色。

不過，半導體設備供應商仍很樂觀。應用材料公司市場和業(yè)務發(fā)展副總裁Arthur Sherman說：“我們預計2018年是WFE（wafer fab equipment晶圓廠設備）市場又一個強勁增長的年份，因為需求端的驅(qū)動因素比過去更廣泛。隨著終端供應商增加的更多功能，智能手機和其他移動設備中的硅含量正在增加。最重要的還有物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和智能汽車等新興領域的增長趨勢，這些趨勢正創(chuàng)造著對更強計算能力和擴大存儲容量的巨大需求?！?/p>

可以肯定的是，半導體設備有幾個主要的增長引擎。以下是影響2018年及以后設備支出的一些關鍵性市場：

1、2018年，幾個主要芯片制造商將從16nm / 14nm工藝節(jié)點遷移到10nm / 7nm，這一舉措可能會促使代工/邏輯領域的設備需求開始增長。

2、3D NAND將在2018年繼續(xù)成為設備需求的主要推動力。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，僅在3D NAND閃存中，三星的資本支出將在2017年達到驚人的140億美元。而三星在2017年的資本支出總額為260億美元，其中包括3D NAND閃存、DRAM(70億美元)和代工(50億美元)。

3、在半導體設備支出方面，中國仍是一個活躍的市場，跨國公司和國內(nèi)芯片制造商都在那里建設新的晶圓廠。

4、預計到2018年，極紫外（EUV）光刻技術(shù)將可以投入量產(chǎn)，但對于設備制造商而言，傳統(tǒng)的多重圖案光刻技術(shù)仍是一項重大業(yè)務。

5、2018年200mm晶圓廠的產(chǎn)能將持續(xù)緊張，因此需要200mm設備。但是和以前一樣，200mm的設備很難買到。

我們來看更多的數(shù)據(jù)

這些跡象是有積極意義的。世界半導體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS）預測，2017年IC市場將達到4090億美元，比2016年上漲20.6％。2018年，IC產(chǎn)業(yè)將達到4370億美元，比2017年增長7％。

代工業(yè)務也很穩(wěn)定。里昂證券（CLSA）分析師Sebastian Hou表示，預計2017年晶圓代工整體上將增長7％，而到2018年，晶圓代工業(yè)務有望再增長6％至7％。

不過在設備領域，預測值是變動的。例如2016年年底，許多人預計2017年晶圓廠設備（WFE）市場將從335億美元到340億美元不等，比2016年增長約5％。

而預測是錯誤的。由于3D NAND設備支出激增，WFE市場已遠超出預期。 KLA-Tencor全球客戶解決方案高級副總裁兼首席營銷官Oreste Donzella表示：“WFE的目標是在2017年超過450億美元，這意味著比去年增加了20%到25%，但勢頭會延續(xù)到2018年嗎？到目前為止，需求狀況看起來很穩(wěn)定，但供應商們都持謹慎樂觀的態(tài)度，至少現(xiàn)在都認為將只是個位數(shù)的一個增長。我們預計2018年的WFE將是2017年的中位數(shù)水平的增長。

SEMI的另一種預測是2017年半導體設備的銷售額為559億美元，比2016年增長35.6％。2018年，半導體設備的銷售額達到601億美元，比2017年增長7.5％。

圖2：年度半導體設備市場預測 來源：SEMI

從半導體設備供應商的三大主要增長動力（DRAM，NAND和代工/邏輯）方面而言，WFE的需求看起來很穩(wěn)固。

Donzella說：“特別是內(nèi)存市場（包括DRAM和3D NAND）收入增長非常強勁，預計明年WFE的增長幅度最大。

DRAM的驅(qū)動因素是智能手機和服務器。固態(tài)硬盤（SSD）和智能手機正在推動NAND的需求。預計FPGA和處理器的供應商將在10nm / 7nm工藝節(jié)點遷移時增多。

當然還有其他的驅(qū)動因素。 應用材料的Sherman說：“我們正在進行一場令人難以置信的計算變革——將機器學習和人工智能的能力添加到廣泛的設備和服務中去——從翻譯、語音識別到自動駕駛的變革。這種變革有可能在未來幾十年改變我們的經(jīng)濟。為這些變革提供動力的是新的計算平臺，以及對許多現(xiàn)有產(chǎn)品、服務和業(yè)務模型的補充。這將進一步推動新的數(shù)據(jù)生成、計算和存儲需求。那將帶來什么問題?總有一些宏觀經(jīng)濟方面的因素會影響到電子產(chǎn)品的消費，但是現(xiàn)在還是有一些強力的趨勢讓我們更加關注穩(wěn)定性和上升潛力。”

其他人也同意。D2S首席執(zhí)行官Aki Fujimura認為：“這背后的深度學習技術(shù)將影響整個半導體設計和制造領域，它會影響未來三到十年的每一個業(yè)務。精確的模擬將會創(chuàng)造大量的數(shù)據(jù)來訓練一個深度學習引擎。盡管來自工廠端的實際數(shù)據(jù)，檢查結(jié)果和SEM圖像等都將作為一些訓練數(shù)據(jù)，但是基于模擬的處理程序可以自動生成大量各種條件下的變化數(shù)據(jù)來作為學習平臺，。”

晶圓，光掩膜/光刻的趨勢

把握半導體市場脈搏的一種有效方法是看硅片和光刻掩模版兩個關鍵構(gòu)件的需求。

多年來，硅片市場一直飽受供應過剩和價格低迷的困擾。但由于2017年需求強勁，硅片市場正在走向均衡狀態(tài)。一些供應商最近提高了價格。

SEMI表示，硅片出貨量預計2018年將達到118.14億平方英寸，比2017年增長3.2％。 SEMI的數(shù)據(jù)顯示，2017年的增長率為8.2％。

圖3：晶圓出貨量預測 來源：SEMI

與此同時光掩膜市場表現(xiàn)平平。掩模市場空間仍然巨大，但在高級工藝節(jié)點上制作的前沿光掩模要少一些。而其價格也不斷受到壓力。據(jù)SEMI統(tǒng)計，2016年光掩模市場銷售額為33.2億美元，比2015年增長2％。預計2017年和2018年掩膜市場分別增長4％和3％。

在高級節(jié)點上，光掩模正變得越來越復雜，難以制造。這里有幾個挑戰(zhàn)，但主要的問題是，使用當今的單波束電子束系統(tǒng)，需要花更長的時間來設計一個掩模。因此，對于復雜的掩模，業(yè)內(nèi)開始開始采用一種新的多波束系統(tǒng)。這些系統(tǒng)利用成千上萬個小的電子束來加速復雜掩模的書寫。

英特爾的子公司IMS Nanofabrication一直在市場上推廣多波束掩模。競爭對手NuFlare也在推廣類似的系統(tǒng)。

2018年，掩膜市場里將看到多光束掩膜讀寫更廣泛的使用。D2S的Fujimura說： “不管是用于193i光刻的多重圖案化的復雜ILT（inverse lithography technology反向光刻技術(shù)）模式，還是即將具有30nm亞分辨率輔助特征的EUV掩模，在掩模側(cè)的前沿處需要多光束寫入。

掩膜制作與光刻相關聯(lián)。在光刻方面，最大的問題是EUV光刻技術(shù)是否最終將于2018年投入生產(chǎn)。芯片制造商希望在7nm和/或5nm的工藝節(jié)點使用上EUV。理論上，EUV可以降低這些節(jié)點的復雜性和步驟數(shù)量。但是今天，EUV還沒有準備好。 EUV的導入取決于EUV電源、光阻和掩膜等基礎設施的完備情況。

盡管面臨挑戰(zhàn)，三星希望在2018年將7nm邏輯節(jié)點導入EUV。相比之下，其他芯片制造商將采取更保守的路線，在10nm / 7nm技術(shù)節(jié)點使用傳統(tǒng)的193nm浸沒和多次成型。？？？

D2S公司的Fujimura說：“對于EUV來說，不管是2018年下半年開始投產(chǎn)，還是到了2019年，很明顯半導體行業(yè)已經(jīng)準備好在生產(chǎn)中使用EUV了。 “EUV最初將導入在已經(jīng)運用了193nm多陣列生產(chǎn)的地方。這將使生態(tài)系統(tǒng)更順利地過渡，而不是一下子要求所有事情突然轉(zhuǎn)變?！?/p>

短期內(nèi)，芯片制造商可能會在一個甚至幾個層面上導入EUV，但實際的大批量生產(chǎn)（HVM）仍然需要一到兩年的時間。 KLA-Tencor公司的Donzella說：“EUV光刻技術(shù)及其生態(tài)系統(tǒng)將在2018年至2019年期間繼續(xù)發(fā)展，預計量產(chǎn)不會比2020年更早。”

然而，EUV不會主宰整個光刻領域的前景。導入時，EUV將主要應用于邏輯廠商生產(chǎn)中的切割和過孔。這大約占整體光刻市場的20％ ，其余的是多重模式。

向10nm / 7nm遷移

與此同時，對于設備廠商來說，最近幾代領先的代工/邏輯市場一直比較低迷。在每個節(jié)點，芯片制造商都需要大量的研發(fā)和資金投入。越來越少的代工廠客戶可以承擔在每個節(jié)點開發(fā)設計。

2018年，格芯，英特爾，三星和臺積電預計將從16nm / 14nm finFET遷移到10nm / 7nm finFET。英特爾正在推進10nm，而代工廠正在準備7nm。簡而言之，英特爾的10nm技術(shù)相當于代工廠的7nm節(jié)點。

圖4：FinFET與Planar。 來源：Lam Research

無論如何，芯片制造商面臨一些挑戰(zhàn)。例如，英特爾本應在2017年下半年量產(chǎn)10nm，但由于技術(shù)上的挑戰(zhàn)，英特爾的路線圖已經(jīng)滑入2018年上半年。

投資銀行公司晨星（Morningstar）分析師Abhinav Davuluri最近接受采訪時表示：“英特爾是一家以盡可能高的收益率為榮的公司。 “根據(jù)我們從他們的產(chǎn)品推出和時間表看出，他們有一些問題。他們到今年年底不得不推出（10nm），而不是獲得產(chǎn)品，這樣看起來似乎到2018年，路線圖將不會完全生效?！?/p>

時間會證明格芯，三星和臺積電是否會在7nm節(jié)點下陷入泥淖。Gartner分析師Samuel Wang表示：“三家代工廠似乎都在取得良好的進展。不過，10nm/ 7nm的采用預計將在2018年逐步推出?？傮w而言到2018年，7nm的代工收入預計將在25億美元至30億美元之間。相比之下，10nm的代工廠收入預計在2017年達到50億美元。”

不過隨著時間的推移，10nm / 7nm預計會成為一個大而長的節(jié)點。應用材料的Sherman說：“我們認為10nm / 7nm市場將會變得很大，與28nm節(jié)點相當，這個比例還在不斷增長。 5nm將來也一樣?！?/p>

其他方面也表示同意。 Lam Research執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官Rick Gottscho表示：“7nm將是一個大的工藝節(jié)點。 目前行業(yè)的節(jié)奏似乎是將來的每個節(jié)點都會更大。所以10nm都可以不算是一個大節(jié)點。真正推動這一切的是人工智能/機器學習/深度學習的革命以及對數(shù)據(jù)的無盡需求。移動市場仍然是重要的，但在這樣的趨勢下幾乎只是一個輔助?！?/p>

這將帶來的一個變化是，許多設備將是定制的，而不是采用通用處理器。 Gottscho說：“專門為特定市場定制設計的芯片將非常受重視。比如你看自動駕駛汽車，通用處理器就太慢了。大量的運算處理將在線下芯片端完成。 5G市場需求也將是巨大的。你需要更快得到數(shù)據(jù)。這將推動很多芯片業(yè)務?！?/p>

內(nèi)存方面

在2017年，內(nèi)存一直是半導體設備需求增長的主要驅(qū)動力。預計2018年將遵循類似的模式。 應用材料的Sherman說：“對內(nèi)存技術(shù)的巨大需求創(chuàng)造了創(chuàng)紀錄的裝機水平。智能手機中的DRAM和NAND容量持續(xù)增長。智能手機的平均NAND容量最近已經(jīng)增長了大約50％，從2016年的大約24千兆字節(jié)增長到今天的大約38千兆字節(jié)。隨著主要存儲器供應商最近宣布將提供512GB的產(chǎn)品以供未來智能手機使用，我們看到了很大的利好?！?/p>

SSD也推動了對NAND的需求。他表示：“我們看到了我們所見過的最健康的內(nèi)存商業(yè)環(huán)境，預計NAND的市場需求增幅將在40％到50％之間。

但市場研究公司TrendForce預計，NAND將在2018年第一季度出現(xiàn)季節(jié)性放緩，導致供應過剩和平均售價下滑。然而，NAND供應過剩的時間還不清楚。

與此同時，英特爾，美光，三星，SK海力士，東芝和西數(shù)將在2018年繼續(xù)提升3D NAND。因此，設備供應商預計3D NAND將會有另一個大消費周期。

3D NAND正在起飛。今天的平面NAND已經(jīng)達到了1xnm節(jié)點的物理極限。一段時間以來，NAND供應商已經(jīng)從平面NAND轉(zhuǎn)向3D NAND。

然而，3D NAND比以前想象的更難制造。與2D結(jié)構(gòu)的平面NAND不同，3D NAND類似于一個垂直的摩天大樓，其中水平層被堆疊，然后使用微短的垂直通道連接。

圖5：NAND架構(gòu)。 資料來源：西部數(shù)據(jù)。

圖6：3D NAND架構(gòu)。 資料來源：西部數(shù)據(jù)

所以從平面到3D NAND的轉(zhuǎn)換需要比預期需要更長的時間。根據(jù)應用材料公司的估計，目前NAND總產(chǎn)量已經(jīng)達到每月160萬個晶圓的起始容量，只有一半的容量已經(jīng)轉(zhuǎn)換成3D NAND。

除了轉(zhuǎn)換率之外，還有關于3D NAND能夠擴容多少的問題。在2017年，3D NAND供應商已經(jīng)從48層遷移到64層設備，研發(fā)中有96層產(chǎn)品。 Lam的Gottscho說：“我們將看到96層的器件（2018年）。新一代器件的密度將每年增加一倍。然而，96層NAND器件的發(fā)展是具有挑戰(zhàn)性的。如今的蝕刻工具和硬掩模可能因為這項技術(shù)而失去活力。結(jié)果，這個行業(yè)正在向一種稱為串式堆疊的制造技術(shù)轉(zhuǎn)移。為此，供應商將開發(fā)兩個48層3D NAND器件并將其連接，從而形成一個96層3D器件。 “所以我們將有雙層3D NAND-48加48層。這是必要的?！?/p>

通過串式堆疊，3D NAND可以擴展至512層或更多層。然而，串式堆疊增加了更多的制造成本，給行業(yè)帶來了一些新的艱難挑戰(zhàn)。

中國制造和200mm狂潮

與此同時，根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，2017年韓國將超過中國***成為晶圓廠設備支出最大的市場。SEMI表示，中國***將排在第二位，而中國大陸排在第三位。

預計到2018年，韓國將保持在第一位。據(jù)貿(mào)易組織稱，明年中國大陸有望進入第二位。

根據(jù)SEMI統(tǒng)計，包括跨國公司和國內(nèi)芯片制造商在內(nèi)，大陸目前總共有15個新的晶圓廠項目。由于大陸的動態(tài)仍然不穩(wěn)定，目前尚不清楚所有這些晶圓廠項目是否會起步建設。顯然，這種建設狂潮背后的動機是中國政府正在努力減少其巨大的貿(mào)易不平衡。該國一直以來都從外國供應商進口大量的芯片。

盡管如此，半導體設備供應商預計中國市場將保持穩(wěn)定增長。kla-tencor已經(jīng)在中國看到了一些重要的訂單。kla-tencor公司的Donzella說:“因為晶圓廠需要檢查和計量工具來滿足生產(chǎn)需要，kla-tencor處在被投資的前沿，我們已經(jīng)收到了2017年中國本地存儲供應商的早期訂單，強勁的業(yè)務應該會持續(xù)到2018年?！?/p>

應用材料的Sherman總結(jié)說：“我們預計2018年晶圓廠設備在中國的投資將比2017年增加約20億美元?！?/p>

同時，在過去兩年中，由于某些芯片的需求激增，集成電路產(chǎn)業(yè)在200mm晶圓廠的產(chǎn)能方面嚴重短缺。這反過來又推動了200mm設備的需求。問題是幾乎沒有任何新的或二手的200mm設備可用。哪里有設備，價格都相對較高。

在200mm方面，2018年與2017年接近。2017年200mm的晶圓廠利用率已經(jīng)達到或接近100％。世界上最大的二手設備供應商之一Surplus Global的美洲和歐洲執(zhí)行副總裁Emerald Greig說：“我們看到2018年第一季度是一樣的。200mm晶圓廠的利用率將繼續(xù)保持在90％以上?！?/p>

然而，2018年該行業(yè)面臨200mm設備短缺。目前行業(yè)需要大約2,000個新的或翻新的200mm設備來滿足工廠的需求。

據(jù)Greig的說法，問題在于市場上只有500種可用的200mm設備，許多設備不能滿足當今工廠的要求。200mm設備將持續(xù)短缺， 而這些設備的零部件又是一個問題。根據(jù)Surplus Global的數(shù)據(jù)，從另一個方面看，2017年二手/翻新設備業(yè)務預計將增長10％至15％。預計2018年二手設備市場將繼續(xù)保持兩位數(shù)增長。Greig補充道。