占据90%光刻机市场 狂奔中的ASML依然看不到任何对手

2021年10月24日 00:42 次阅读 稿源:芯智讯 条评论

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作为全球最大的半导体光刻系统供应商,ASML同时也是全球唯一的极紫外光刻 (EUV) 机供应商。EUV光刻系统也被认为是目前最先进的芯片制造工具之一,可以让芯片制造商在7nm及以下先进制程芯片制造中占据优势,并使得摩尔定律能够得以延续。

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ASML的垄断地位

ASML是全球领先的半导体光刻系统供应商,每家主要半导体制造公司都有使用ASML的光刻机制造芯片。准确地说,ASML在半导体光刻市场拥有超过90%的市场份额,其余玩家为佳能和尼康。

同时,ASML也是单价过亿美元的EUV光刻机市场的垄断者。

根据财报显示,ASML 2021年三季度销售额52.41亿欧元,同比增长32.4%;净利润为17.40亿欧元,同比增长63.8%。三季度新增订单金额61.79亿欧元,而在这61.79亿欧元的新增订单中,EUV光刻机的订单金额占据了近一半,达到了29亿欧元。

ASML也表示,三季度,EUV光刻机系统的出货量和收入创下历史新高。目前,ASML主力EUV光刻机是TWINSCAN NXE:3600D,其在客户那里也达到了每小时加工160片晶圆的创纪录效率。

另外,在DUV(深紫外)光刻机方面,ASML已经累计完成出货1000台ArF系统(氟化氩浸没式光刻系统)。

展望未来,ASML预计2021年有望实现约35%的增长,第四季度净销售额在49-52亿欧元区间,毛利率为51%-52%;研发成本约为6.7亿欧元,销售和管理成本约为1.95亿欧元。

相比之下,ASML在光刻领域的竞争对手,佳能和尼康的光刻机业务规模与ASML相去甚远。

资料显示,2020年全球光刻机总销售量为413台。其中ASML销售258台占比62%,佳能销售122台占比30%,尼康销售33台占比8%。按照销售额来计算的话ASML的份额高达91%,佳能只有3%、尼康也仅有6%。

先进制程投资快速增长,EUV系统采用率持续上升

当前,随着PC和智能手机产品的持续升级迭代,以及人工智能、5G通信、自动驾驶、云服务等需求的快速增长,全球对于先进制程芯片的需求正快速成长。台积电、三星、英特尔等头部的先进制程芯片制造商之间的竞争也在加剧。

此前全球最大的晶圆代工厂台积电已投资120亿美元开始在美国建设新的5nm晶圆厂。今年的资本支出也提高到了280亿美元,并宣布在未来三年的资本支出将达到创纪录的1000亿美元。

台积电表示,这种资本支出并非针对当前芯片短缺,而是一项长期投资,旨在利用未来几年对先进芯片的预期需求增长。

作为全球第二大半导体厂商,三星今年对于存储与晶圆代工等相关事业的资本支出也将达到近300亿美元。另外,三星还宣布将投资170亿美元在美国德克萨斯州新建一座新的先进制程晶圆厂。

未来三年,三星计划对其旗下三星电子公司和其他附属企业投资高达240兆韩圆(相当于2050亿美元),借以巩固未来的成长引擎,并扩大后疫情时代的科技领先地位。

处理器大厂英特尔今年开始也大幅加大了对于半导体制造的投资。在今年3月,英特尔新任CEO基辛格上台之后,就推出了IDM 2.0计划,不仅加速自身更先进的半导体工艺制程的推进,同时还重启了晶圆代工业务,并宣布投资200亿美元在美国新建两座晶圆厂。

今年9月,英特尔还宣布未来10年将在欧洲投资800亿欧元,建至少两座先进晶圆厂。

随着台积电、三星、英特尔等头部晶圆制造厂商对于先进制程工艺的追逐,对于EUV光刻机的需求更是快速上升。

例如,台积电今年已承诺资本支出 280 亿美元,其中约 80% 将用于公司最先进的芯片制造工艺——7nm、5nm 和 3nm。而台积电第二代7nm及后续的5nm先进制程都是基于EUV工艺的。

作为全球第一家使用ASML EUV光刻机进行大批量生产的公司,台积电声称其拥有全球50%以上的EUV光刻系统安装量和60%的累计EUV晶圆生产量。

Source: Anandtech

台积电计划继续保持在EUV光刻机数量上的领先地位,其已下订单订购的“至少”13台EUV光刻机将会在今年交付。随着其积极的资本支出计划,台积电似乎将继续保持EUV产能领先地位,而其他芯片制造商也正努力迎头赶上。

其中一个奋力追赶的是三星,该公司目前在EUV光刻机安装量方面落后于台积电。据业内官员称,三星只拥有台积电一半的数量。

目前三星正使用EUV光刻机来制造一些DRAM和7nm/5nm逻辑芯片。凭借其在代工厂上的 EUV 经验,三星已于2020 年 8 月率先在 1z 节点上采用 EUV 进行DRAM生产。随着三星在逻辑制程和DRAM制造中扩大EUV光刻机的使用,EUV光刻机的购买量在未来几年将会持续增加。

英特尔也正在部署EUV系统用于其7nm节点生产芯片,预计将在未来几年内进一步增加ASML的EUV光刻机订单。

与此同时,DRAM巨头SK Hynix和美光也计划在量产中使用EUV光刻机。SK 海力士于今年7月开始量产基于 1a 节点的 8 Gb LPDDR4 移动 DRAM。今年7 月,由于 EUV 设施投资预付款,美光将其2021财年的资本支出指导从 90 亿美元上调至 95 亿美元。

未来几年,随着对高端芯片(例如 5G智能手机芯片、高性能计算芯片、先进DRAM)的需求增加,EUV光刻机的渗透率将不断提高,ASML将成为半导体升级周期的主要受益者。

根据日本瑞穗银行(Mizuho)的预测2022年和2023 年,主要逻辑厂商资本支出的 EUV 部分将分别上升至13% 和15%。

然而,目前ASML 每年的生产能力仅为50多个EUV光刻系统,其EUV光刻机一直处于供不应求当中。据了解,仅去年一年,三星就订购了20台ASML EUV光刻机,以实现其2022上半年量产3nm芯片的计划。此前三星副会长李在镕还亲自飞往 ASML 总部敦促其加快EUV光刻机的交付。这也凸显了AMSL在EUV光刻领域的垄断地位。

2nm争夺战的关键:ASML新一代EUV光刻机

由于EUV光刻系统中使用的极紫外光波长(13nm)相比DUV 浸入式光刻系统(193 nm)有着显着降低,多图案 DUV 步骤可以用单次曝光 EUV 步骤代替。可以帮助芯片制造商继续向7nm及以下更先进制程工艺推进的同时,进一步提升效率和降低曝光成本。

自2017年ASML的第一台量产的EUV光刻机正式推出以来,三星的7nm/5nm工艺,台积电的第二代7nm工艺和5nm工艺的量产,乃至未来的3nm工艺都是由ASML的NXE:3XXX系列EUV光刻机提供的助力。

目前,台积电、三星、英特尔等头部的晶圆制造厂商也正在大力投资更先进的3nm、2nm技术,以满足高性能计算和5G通信的先进芯片需求。而2nm工艺的实现则需要依赖于ASML新一代的EXE:5000系列EUV光刻机。

相比第一代的EUV光刻机(NXE:3XXX系列)来说,新一代的EUV光刻机的物镜的NA(数值孔径)将从0.33提升到0.55,使得芯片制造商能够生产2nm及以下更先进制程的芯片,并且图形曝光更低的成本、生产效率更高。

据了解,新一代的EUV光刻机大约有一辆公共汽车那么大,整个机器包含10万个部件和2公里长的电缆。每台机器发货需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车。造价相比第一代的EUV光刻机也更高,达到了1.5亿美元。

ASML新一代EUV光刻机的原型机,将在2022年进行测试,预计将会在2023年投入运行。

三星在10月初初已宣布,将在2022年上半年量产3nm工艺,并计划在2025年抢先台积电量产2nm。不过,台积电在近日的法说会上回应称,2025年台积电2nm制程不论是密度或是效能,都将是最领先的技术。

值得注意的是,今年7月底的“英特尔加速创新:制程工艺和封装技术线上发布会”上,英特尔已宣布将在2024年量产20A工艺(相当于台积电2nm工艺),并透露其有望率先获得业界第一台High-NA EUV光刻机(即ASML新一代EUV光刻机),同时也将是业界首家将ASML新一代High-NA EUV光刻机应用到量产环节的厂商。

显然,抢先获得ASML新一代EUV光刻机,也正是英特尔笃定其制程工艺能够超越台积电、三星重回领先地位的关键。

成熟制程产能持续增长,DUV光刻系统需求旺盛

多年来,半导体行业一直处于蓬勃发展当中,过去两年芯片制造商一直在提高产能利用率。特别是自去年下半年全球晶圆产能出现紧缺以来,各大晶圆制造厂商的产能利用一直在持续提升。

台积电在给客户的一封信中说,该公司的晶圆厂产能利用率已经超过了100%,但是市场需求仍超过供应。虽然芯片制造商都已通过提高容量利用率和软件升级,以提高短期产量,但从长远来看,全球晶圆厂将不得不扩建或建造新的晶圆厂来增加产能,以满足芯片的需求增长,单靠提高利用率已无法满足。

而在此轮的晶圆制造产能紧缺当中,尤其以28nm及以上的成熟制程产能最为紧缺。包括大量的基于成熟制程的车用芯片、MCU、功率器件(MOSFET、IGBT等)、电源管理芯片、传感器、显示驱动芯片、CIS、WiFi和蓝牙芯片等。这其中来自于电动汽车市场对于各类车用芯片的需求占据了相当大的一部分。

Gartner 估计,每辆车的平均半导体含量将从 2020 年的 489 美元上升到 2025 年的 719 美元,汽车半导体收入需求将在 2020-2025 年间以 14% 的复合年增长率从 387 亿美元增长到 755 亿美元,超过其他关键需求领域的增长。整个半导体市场,例如智能手机 (7% CAGR)、消费电子 (7% CAGR)、PC (0% CAGR) 和整个半导体行业 (7% CAGR)。

根据Gartner的预测,在370亿美元的增量需求中,成熟工艺制程节点将占汽车半成品需求增量的67%,即250亿美元。

在今年年初,为解决车用芯片紧缺问题,欧美政府甚至还要求台积电优先为汽车厂商生产车用芯片。根据台积电的数据,其今年车用MCU的产出相比去年将提升60%。

此外,为应对市场对于成熟制程旺盛的需求,今年4月,台积电宣布将投入28.87亿美元资本支出扩充成熟制程,预计将在南京厂建置月产4万片的28nm成熟制程产能。

近日台积电还宣布将在日本建一座新的22/28nm成熟制程晶圆厂,总投资或达454亿元人民币,其中日本政府可能将提供一半的补贴。台积电还表示,该晶圆厂的投资并不包含在未来三年1000亿美元的资本支出当中。

今年3月初时,成熟制程工艺晶圆代工大厂格芯宣布,今年将投资14亿美元,对美国、新加坡和德国的三座晶圆厂工厂进行扩产。而这14亿美元的投资,有1/3的资金是来自于客户。6月,格芯又宣布进一步将对产能扩建的投资增加到60亿美元,其中40亿美元将用于在新加坡新建新的晶圆厂,该工厂计划于2023年开工。剩下的20亿美元,将分别投入到德国和美国工厂的扩产当中。随后砸7月,格芯正式宣布,将在美国纽约州马耳他的园区内新建一座工厂,同时将投资10亿美元扩大已有的Fab 8晶圆厂的产能。扩产完成后,将新增15万片晶圆的年产能。

今年5月,成熟制程工艺晶圆代工大厂联电也宣布投资1000元亿新台币(36亿美元),扩充在台南科学园区的 12吋厂Fab 12A P6厂区的28nm产能,预计每个月将增加2.7万片。

根据SEMI预计,2021年和2022年将有29座晶圆厂动工,其中15座为晶圆代工厂,月产能达3万至22万片约当8吋晶圆;4座为存储晶圆厂,每月可制造10万至40万片约当8吋晶圆。这些新建晶圆厂当中,成熟制程占据了大部分的份额。

而成熟制程芯片的制造则主要依赖于DUV光刻机,在持续的芯片短缺下,DUV光刻机需求激增。作为占据全球90%市场份额的光刻机厂商,ASML自然也将成为这轮成熟制程扩产潮当中的最大受益者之一。

小结:

目前ASML正处于一个“甜蜜点”,领先的逻辑半导体及DRAM制造商,正在由DUV向EUV工艺过渡。在完成这一过渡之前,EUV光刻机的需求将作为前端半设备支出的重要组成部分长期增长。同时,成熟制程产能的大幅扩建,也将继续带动对于ASML DUV光刻机需求的增长。

另外,ASML如今能够拥有在EUV光刻领域的垄断地位,除了花费了数十年和上百亿美元的研发,还得益于台积电、三星、英特尔等头部的晶圆厂多年来的持续大力支持。而在可预见的未来,恐怕没有竞争对手能够威胁ASML 近乎垄断的地位。随着芯片变得越来越先进,芯片制造市场的份额,将越来越集中在少数能够持续维持高昂的资本支出以在快速发展的半导体技术中保持竞争力的企业手中。

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