回光返照还是持续繁荣：半导体设备的2018

得益于储存芯片和逻辑芯片对10 / 7nm先进工艺的强劲需求，早些的预测都看好2018年半导体设备的稳健增长。

2017年12月18日

 

2017年半导体设备支出将达到创纪录的历史最高水平，截止目前看来，这种势头很可能会持续到2018年。

今年，由于对3D NAND闪存和程度稍小的DRAM的巨大需求，半导体设备制造商发现自己正处于一个意想不到的繁荣周期之中。但在逻辑/代工业务方面，2017年的设备需求却相对温和。

尽管该行业在2018年将难以超过2017年创纪录的增长数字，不过对设备需求看起来仍很强劲。事实上根据目前的预测，预计集成电路设备市场将会有一点降温，在2018年看到更正常一点的增长模式。

据VLSI Research的数据显示，2017年半导体设备市场总值预计达704亿美元，较2016年上升30.6％。 同样根据VLSI Research的预测，到2018年IC设备市场预计将达到735亿美元，仅比2017年增长4.4％。

图1：半导体设备市场增长数据  来源：VLSI Research

当然，预测很可能变化，因为有许多可能会影响半导体设备行业的因素。和以前一样，经济因素和政治问题在这个领域扮演着重要的角色。

不过，半导体设备供应商仍很乐观。应用材料公司市场和业务发展副总裁Arthur Sherman说：“我们预计2018年是WFE（wafer fab equipment晶圆厂设备）市场又一个强劲增长的年份，因为需求端的驱动因素比过去更广泛。随着终端供应商增加的更多功能，智能手机和其他移动设备中的硅含量正在增加。最重要的还有物联网、大数据、人工智能和智能汽车等新兴领域的增长趋势，这些趋势正创造着对更强计算能力和扩大存储容量的巨大需求。”

可以肯定的是，半导体设备有几个主要的增长引擎。以下是影响2018年及以后设备支出的一些关键性市场：

1、2018年，几个主要芯片制造商将从16nm / 14nm工艺节点迁移到10nm / 7nm，这一举措可能会促使代工/逻辑领域的设备需求开始增长。

2、3D NAND将在2018年继续成为设备需求的主要推动力。根据IC Insights的数据，仅在3D NAND闪存中，三星的资本支出将在2017年达到惊人的140亿美元。而三星在2017年的资本支出总额为260亿美元，其中包括3D NAND闪存、DRAM(70亿美元)和代工(50亿美元)。

3、在半导体设备支出方面，中国仍是一个活跃的市场，跨国公司和国内芯片制造商都在那里建设新的晶圆厂。

4、预计到2018年，极紫外（EUV）光刻技术将可以投入量产，但对于设备制造商而言，传统的多重图案光刻技术仍是一项重大业务。

5、2018年200mm晶圆厂的产能将持续紧张，因此需要200mm设备。但是和以前一样，200mm的设备很难买到。

我们来看更多的数据

 

这些迹象是有积极意义的。世界半导体贸易统计组织（WSTS）预测，2017年IC市场将达到4090亿美元，比2016年上涨20.6％。2018年，IC产业将达到4370亿美元，比2017年增长7％。

代工业务也很稳定。里昂证券（CLSA）分析师Sebastian Hou表示，预计2017年晶圆代工整体上将增长7％，而到2018年，晶圆代工业务有望再增长6％至7％。

不过在设备领域，预测值是变动的。例如2016年年底，许多人预计2017年晶圆厂设备（WFE）市场将从335亿美元到340亿美元不等，比2016年增长约5％。

而预测是错误的。由于3D NAND设备支出激增，WFE市场已远超出预期。 KLA-Tencor全球客户解决方案高级副总裁兼首席营销官Oreste Donzella表示：“WFE的目标是在2017年超过450亿美元，这意味着比去年增加了20%到25%，但势头会延续到2018年吗？到目前为止，需求状况看起来很稳定，但供应商们都持谨慎乐观的态度，至少现在都认为将只是个位数的一个增长。我们预计2018年的WFE将是2017年的中位数水平的增长。

SEMI的另一种预测是2017年半导体设备的销售额为559亿美元，比2016年增长35.6％。2018年，半导体设备的销售额达到601亿美元，比2017年增长7.5％。

图2：年度半导体设备市场预测 来源：SEMI

从半导体设备供应商的三大主要增长动力（DRAM，NAND和代工/逻辑）方面而言，WFE的需求看起来很稳固。

Donzella说：“特别是内存市场（包括DRAM和3D NAND）收入增长非常强劲，预计明年WFE的增长幅度最大。

DRAM的驱动因素是智能手机和服务器。固态硬盘（SSD）和智能手机正在推动NAND的需求。预计FPGA和处理器的供应商将在10nm / 7nm工艺节点迁移时增多。

当然还有其他的驱动因素。 应用材料的Sherman说：“我们正在进行一场令人难以置信的计算变革——将机器学习和人工智能的能力添加到广泛的设备和服务中去——从翻译、语音识别到自动驾驶的变革。这种变革有可能在未来几十年改变我们的经济。为这些变革提供动力的是新的计算平台，以及对许多现有产品、服务和业务模型的补充。这将进一步推动新的数据生成、计算和存储需求。那将带来什么问题?总有一些宏观经济方面的因素会影响到电子产品的消费，但是现在还是有一些强力的趋势让我们更加关注稳定性和上升潜力。”

其他人也同意。D2S首席执行官Aki Fujimura认为：“这背后的深度学习技术将影响整个半导体设计和制造领域，它会影响未来三到十年的每一个业务。精确的模拟将会创造大量的数据来训练一个深度学习引擎。尽管来自工厂端的实际数据，检查结果和SEM图像等都将作为一些训练数据，但是基于模拟的处理程序可以自动生成大量各种条件下的变化数据来作为学习平台，。”

晶圆，光掩膜/光刻的趋势

 

把握半导体市场脉搏的一种有效方法是看硅片和光刻掩模版两个关键构件的需求。

多年来，硅片市场一直饱受供应过剩和价格低迷的困扰。但由于2017年需求强劲，硅片市场正在走向均衡状态。一些供应商最近提高了价格。

SEMI表示，硅片出货量预计2018年将达到118.14亿平方英寸，比2017年增长3.2％。 SEMI的数据显示，2017年的增长率为8.2％。

图3：晶圆出货量预测  来源：SEMI

与此同时光掩膜市场表现平平。掩模市场空间仍然巨大，但在高级工艺节点上制作的前沿光掩模要少一些。而其价格也不断受到压力。据SEMI统计，2016年光掩模市场销售额为33.2亿美元，比2015年增长2％。预计2017年和2018年掩膜市场分别增长4％和3％。

在高级节点上，光掩模正变得越来越复杂，难以制造。这里有几个挑战，但主要的问题是，使用当今的单波束电子束系统，需要花更长的时间来设计一个掩模。因此，对于复杂的掩模，业内开始开始采用一种新的多波束系统。这些系统利用成千上万个小的电子束来加速复杂掩模的书写。

英特尔的子公司IMS Nanofabrication一直在市场上推广多波束掩模。竞争对手NuFlare也在推广类似的系统。

2018年，掩膜市场里将看到多光束掩膜读写更广泛的使用。D2S的Fujimura说： “不管是用于193i光刻的多重图案化的复杂ILT（inverse lithography technology反向光刻技术）模式，还是即将具有30nm亚分辨率辅助特征的EUV掩模，在掩模侧的前沿处需要多光束写入。

掩膜制作与光刻相关联。在光刻方面，最大的问题是EUV光刻技术是否最终将于2018年投入生产。芯片制造商希望在7nm和/或5nm的工艺节点使用上EUV。理论上，EUV可以降低这些节点的复杂性和步骤数量。但是今天，EUV还没有准备好。 EUV的导入取决于EUV电源、光阻和掩膜等基础设施的完备情况。

尽管面临挑战，三星希望在2018年将7nm逻辑节点导入EUV。相比之下，其他芯片制造商将采取更保守的路线，在10nm / 7nm技术节点使用传统的193nm浸没和多次成型。？？？

D2S公司的Fujimura说：“对于EUV来说，不管是2018年下半年开始投产，还是到了2019年，很明显半导体行业已经准备好在生产中使用EUV了。 “EUV最初将导入在已经运用了193nm多阵列生产的地方。这将使生态系统更顺利地过渡，而不是一下子要求所有事情突然转变。“

短期内，芯片制造商可能会在一个甚至几个层面上导入EUV，但实际的大批量生产（HVM）仍然需要一到两年的时间。 KLA-Tencor公司的Donzella说：“EUV光刻技术及其生态系统将在2018年至2019年期间继续发展，预计量产不会比2020年更早。”

然而，EUV不会主宰整个光刻领域的前景。导入时，EUV将主要应用于逻辑厂商生产中的切割和过孔。这大约占整体光刻市场的20％ ，其余的是多重模式。

向10nm / 7nm迁移

 

与此同时，对于设备厂商来说，最近几代领先的代工/逻辑市场一直比较低迷。在每个节点，芯片制造商都需要大量的研发和资金投入。越来越少的代工厂客户可以承担在每个节点开发设计。

2018年，格芯，英特尔，三星和台积电预计将从16nm / 14nm finFET迁移到10nm / 7nm finFET。英特尔正在推进10nm，而代工厂正在准备7nm。简而言之，英特尔的10nm技术相当于代工厂的7nm节点。

图4：FinFET与Planar。  来源：Lam Research

无论如何，芯片制造商面临一些挑战。例如，英特尔本应在2017年下半年量产10nm，但由于技术上的挑战，英特尔的路线图已经滑入2018年上半年。

投资银行公司晨星（Morningstar）分析师Abhinav Davuluri最近接受采访时表示：“英特尔是一家以尽可能高的收益率为荣的公司。 “根据我们从他们的产品推出和时间表看出，他们有一些问题。他们到今年年底不得不推出（10nm），而不是获得产品，这样看起来似乎到2018年，路线图将不会完全生效。“

时间会证明格芯，三星和台积电是否会在7nm节点下陷入泥淖。Gartner分析师Samuel Wang表示：“三家代工厂似乎都在取得良好的进展。不过，10nm/ 7nm的采用预计将在2018年逐步推出。总体而言到2018年，7nm的代工收入预计将在25亿美元至30亿美元之间。相比之下，10nm的代工厂收入预计在2017年达到50亿美元。”

不过随着时间的推移，10nm / 7nm预计会成为一个大而长的节点。应用材料的Sherman说：“我们认为10nm / 7nm市场将会变得很大，与28nm节点相当，这个比例还在不断增长。 5nm将来也一样。”

其他方面也表示同意。 Lam Research执行副总裁兼首席技术官Rick Gottscho表示：“7nm将是一个大的工艺节点。 目前行业的节奏似乎是将来的每个节点都会更大。所以10nm都可以不算是一个大节点。真正推动这一切的是人工智能/机器学习/深度学习的革命以及对数据的无尽需求。移动市场仍然是重要的，但在这样的趋势下几乎只是一个辅助。”

这将带来的一个变化是，许多设备将是定制的，而不是采用通用处理器。 Gottscho说：“专门为特定市场定制设计的芯片将非常受重视。比如你看自动驾驶汽车，通用处理器就太慢了。大量的运算处理将在线下芯片端完成。 5G市场需求也将是巨大的。你需要更快得到数据。这将推动很多芯片业务。”

内存方面

 

在2017年，内存一直是半导体设备需求增长的主要驱动力。预计2018年将遵循类似的模式。 应用材料的Sherman说：“对内存技术的巨大需求创造了创纪录的装机水平。智能手机中的DRAM和NAND容量持续增长。智能手机的平均NAND容量最近已经增长了大约50％，从2016年的大约24千兆字节增长到今天的大约38千兆字节。随着主要存储器供应商最近宣布将提供512GB的产品以供未来智能手机使用，我们看到了很大的利好。”

SSD也推动了对NAND的需求。他表示：“我们看到了我们所见过的最健康的内存商业环境，预计NAND的市场需求增幅将在40％到50％之间。

但市场研究公司TrendForce预计，NAND将在2018年第一季度出现季节性放缓，导致供应过剩和平均售价下滑。然而，NAND供应过剩的时间还不清楚。

与此同时，英特尔，美光，三星，SK海力士，东芝和西数将在2018年继续提升3D NAND。因此，设备供应商预计3D NAND将会有另一个大消费周期。

3D NAND正在起飞。今天的平面NAND已经达到了1xnm节点的物理极限。一段时间以来，NAND供应商已经从平面NAND转向3D NAND。

然而，3D NAND比以前想象的更难制造。与2D结构的平面NAND不同，3D NAND类似于一个垂直的摩天大楼，其中水平层被堆叠，然后使用微短的垂直通道连接。

图5：NAND架构。  资料来源：西部数据。

图6：3D NAND架构。  资料来源：西部数据

所以从平面到3D NAND的转换需要比预期需要更长的时间。根据应用材料公司的估计，目前NAND总产量已经达到每月160万个晶圆的起始容量，只有一半的容量已经转换成3D NAND。

除了转换率之外，还有关于3D NAND能够扩容多少的问题。在2017年，3D NAND供应商已经从48层迁移到64层设备，研发中有96层产品。 Lam的Gottscho说：“我们将看到96层的器件（2018年）。新一代器件的密度将每年增加一倍。然而，96层NAND器件的发展是具有挑战性的。如今的蚀刻工具和硬掩模可能因为这项技术而失去活力。结果，这个行业正在向一种称为串式堆叠的制造技术转移。为此，供应商将开发两个48层3D NAND器件并将其连接，从而形成一个96层3D器件。 “所以我们将有双层3D NAND-48加48层。这是必要的。”

通过串式堆叠，3D NAND可以扩展至512层或更多层。然而，串式堆叠增加了更多的制造成本，给行业带来了一些新的艰难挑战。

中国制造和200mm狂潮

 

与此同时，根据SEMI的数据，2017年韩国将超过中国台湾成为晶圆厂设备支出最大的市场。SEMI表示，中国台湾将排在第二位，而中国大陆排在第三位。

预计到2018年，韩国将保持在第一位。据贸易组织称，明年中国大陆有望进入第二位。

根据SEMI统计，包括跨国公司和国内芯片制造商在内，大陆目前总共有15个新的晶圆厂项目。由于大陆的动态仍然不稳定，目前尚不清楚所有这些晶圆厂项目是否会起步建设。显然，这种建设狂潮背后的动机是中国政府正在努力减少其巨大的贸易不平衡。该国一直以来都从外国供应商进口大量的芯片。

尽管如此，半导体设备供应商预计中国市场将保持稳定增长。kla-tencor已经在中国看到了一些重要的订单。kla-tencor公司的Donzella说:“因为晶圆厂需要检查和计量工具来满足生产需要，kla-tencor处在被投资的前沿，我们已经收到了2017年中国本地存储供应商的早期订单，强劲的业务应该会持续到2018年。”

应用材料的Sherman总结说：“我们预计2018年晶圆厂设备在中国的投资将比2017年增加约20亿美元。”

同时，在过去两年中，由于某些芯片的需求激增，集成电路产业在200mm晶圆厂的产能方面严重短缺。这反过来又推动了200mm设备的需求。问题是几乎没有任何新的或二手的200mm设备可用。哪里有设备，价格都相对较高。

在200mm方面，2018年与2017年接近。2017年200mm的晶圆厂利用率已经达到或接近100％。世界上最大的二手设备供应商之一Surplus Global的美洲和欧洲执行副总裁Emerald Greig说：“我们看到2018年第一季度是一样的。200mm晶圆厂的利用率将继续保持在90％以上。”

然而，2018年该行业面临200mm设备短缺。目前行业需要大约2,000个新的或翻新的200mm设备来满足工厂的需求。

据Greig的说法，问题在于市场上只有500种可用的200mm设备，许多设备不能满足当今工厂的要求。200mm设备将持续短缺， 而这些设备的零部件又是一个问题。根据Surplus Global的数据，从另一个方面看，2017年二手/翻新设备业务预计将增长10％至15％。预计2018年二手设备市场将继续保持两位数增长。Greig补充道。

Ed Sperling对这份报告做出了贡献。

原文链接： https://semiengineering.com/will-fab-tool-boom-cycle-last/