尽管芯片供过于求的声音此起彼伏,但目前半导体设备产能仍不能满足行业的需求。设备短缺的原因,除了全球芯片厂商扩产导致的需求大增,更严峻的是半导体设备本身的零部件供应无法匹配,包括ASML、泛林半导体在内的多家头部厂商也表示设备交期正在延长。在今天的这篇文章里,作者将为我们详细阐述缺芯和扩产现象下,半导体设备出货困难的多重原因。

缺芯问题丝毫没有解决的迹象,相反,情况更加严重。在上一篇文章中,我提到了丰田汽车等汽车制造商被迫减产(汽车芯片短缺将永远持续下去)。然而,此后汽车制造商的减产现象仍在持续。

此外,据悉日立、松下、三菱电机、夏普、索尼等电器厂商受缺芯等因素影响,无法生产洗衣机、电饭锅、空调、电视机等家电产品(日本经济新闻2022年5月31日报道)。

本文详细叙述了世界各地的芯片制造商都在增加产量以解决这种缺芯问题,为增强其产能,各类设备厂商也相对应地增加了产量。另一方面,本文还指出,由于搭载在各类制造设备上的芯片不足,今后芯片产能将无法如预期中那样提升。总之,在半导体产业中,由于芯片不足,各类制造设备陷入了无法生产的两难境地。

以下为编译全文:《半导体产业进退两难,缺芯致使半导体设备出货困难》

01、随着芯片的增产,制造设备也在增产

世界各国的芯片制造企业为了解决长期存在的芯片不足问题,各自开展了新一轮的增产活动。另外,为了增强芯片厂商的生产能力,各类制造设备厂商也在增产(图1)。

图1 刷新最高纪录的世界半导体与制造设备市场

来源:笔者以WSTS、IC Insights、SEMI的数据为基础制作

结果显示,世界半导体市场在2021年创下历史最高纪录5530亿美元,但预计到今年2022年将大幅超过6000亿美元。世界半导体市场统计(WSTS)预测值为6015亿美元,美国调查公司Gartner预测值为6386亿美元,美国调查公司IC Insights预测值则为6806亿美元(图1中记入了3个公司的中间值Gartner预测值)。

另外,制造设备市场也在2021年创下了历史最高值1026亿美元。据半导体业界团体SEMI预测,到2022年将达到1140亿美元。

以下是最近半导体市场和制造设备市场的增长趋势。

02、IT泡沫以后的半导体、制造设备市场

半导体市场和制造设备市场在2000年IT泡沫时期都达到了高峰。因此,我们将各自的市场以折线的方式展示,将IT行业泡沫时期出现的时间点数值定为 "1",并绘制了它们随后的演变图(图2)。

图2 2000年标准化的世界半导体市场和制造设备市场

来源:笔者以WSTS、IC Insights、SEMI的数据为基础制作

首先从半导体市场的趋势来看,它在2000年达到顶峰后立即下跌,又在2004年超过了"1"。但半导体市场超过"2"是在5年前的2017年。也就是说,半导体市场达到2000年的2倍需要18年的时间。

根据Gartner的预测,2022年半导体市场将超过"3"。也就是说,半导体市场翻倍用了18年时间,但上升到3倍却只用了5年时间。

相反,如果将目光转向制造设备市场,在2000年达到顶峰后,在2007年和2011年无限接近"1",但未能超过这一水平。制造设备市场超过"1"是在5年前的2017年。4年后的2021年超过了"2",达到了2.3倍。

总之,可以说制造设备市场比半导体市场增长得更快。根据SEMI的预测,2022年是IT泡沫时期的2.6倍,达到1140亿美元,但是日后有可能会上调。

03、各类制造设备出货额

接下来,让我们看看用于在硅片上形成半导体集成电路的所谓前端工艺的各类型的制造设备的出货价格(图3)。

图3 各类半导体制造设备的出厂额的推移

出处:笔者根据野村证券的数据制作

在2021年,按照出货金额的大小顺序,干蚀刻设备为189.2亿美元,曝光设备为164.2亿美元,微粒检查和缺陷检查合计检查设备为138.9亿美元,成膜设备之一的CVD设备为99.7亿美元等。

用于微细加工的干蚀刻设备和曝光设备分别排在第1位和第2位。最近最尖端的逻辑芯片、DRAM等具有非常复杂的结构,很难进行微细加工。因此,可以认为其结果就是需要更多的高精度设备。

另外,曝光设备方面,2019年上市的最尖端EUV曝光设备的价格是到2018年为止尖端设备ArF液浸的2倍,达到180亿日元。因此在设备市场上,曾预测到曝光设备可能超过干蚀刻设备(事实上,2019年曝光设备就已超过了干蚀刻设备)。

但事实上,干蚀刻设备市场压倒了曝光设备市场,占据了第一位。EUV的价格高达180亿日元,但是去年的出货量只有42台。另一方面,干蚀刻设备的出厂台数比其多出两位数。换句话说,干蚀刻设备可能因出货量大而占有最大的市场。

04、继干蚀刻设备、曝光设备之后清洗设备市场的成长

关于各类制造设备,我们在此绘制了一个图表,将2000年IT泡沫时每种类型的设备的出货量标记为 "1"(图4)。按增长率从高到低的顺序,结果显示干蚀刻设备为4.3倍,曝光设备为3.1倍,清洗设备为2.94倍,检查设备为2.93倍(清洗和检查图表重叠),CVD设备为2.3倍。 

图4 2000年标准化的各类半导体制造设备的出厂额出处:笔者根据野村证券的数据制作

干蚀刻设备增长4.3倍,这再次让我们感到惊讶。另外,用于微细加工的干蚀刻设备和曝光设备在标准化图表中也处于第1位和第2位。我们认为这与干蚀刻设备的庞大台数、曝光设备的价格暴涨等有很大关系。

再加上清洗设备增长2.94倍,令人刮目相看。距今6年前,我写了一篇题为《芯片如此普及是因为有了清洗技术》的文章。芯片的制造工序为500-1000道工序以上,其中30%-40%为清洗工序。

生产芯片时,需要在成膜前清洗,成膜后清洗,微细加工前清洗,微细加工后清洗。也就是说,它们会被多次清洗。随着芯片的微细化,其频率也越来越高。因此,清洗设备市场的增长继干蚀刻设备和曝光设备之后,排在了第3位。而且,这一趋势今后还会持续下去。

05、刷新历史最高值的设备投资额

图5显示的是世界半导体产业的设备投资趋势。全世界设备投资额在2018年首次超过了1000亿美元。虽然因2019年内存不景气有所减少,但并未跌破1000亿美元。在发生新冠肺炎疫情的2020年创下历史最高纪录,达到1131亿美元。在芯片不足现象日益严重的2021年,该数字剧增到1539亿美元。据预测,今年2022年将达到1904亿美元,接近2000亿美元。

图5 世界半导体产业的设备投资额的推移来源:笔者根据IC Insights的数据制作

根据2022年5月2日SEMI发布的数据来看,2020年到2024年之间将新增86家芯片工厂,这些工厂将配备前文分析的各类制造设备。

不过,从该数据中也看到了一件令人担忧的事情,那就是各类生产设备所搭载的芯片难以采购,导致设备本身的生产出现了问题。

06、半导体制造设备需要海量的芯片

根据半导体市场统计(WSTS),半导体制造设备被分类为工业用途 (Industry),用于该用途的芯片有15种(图6)。

图6 工业设备中使用的半导体(2019-2021年)

来源:笔者以WSTS的数据为基础制作

最先进的半导体制造设备配备了大量的传感器,需要模拟芯片来处理这些传感器的信号,利用搭载在逻辑芯片上的人工智能(AI)解析该信号,反馈给半导体工艺,在该逻辑芯片的周边还需要 DRAM 或 NAND 等存储器。

另外,为了输送硅晶片,需要致动器或功率管理 IC(在图6中包含在模拟芯片中)。此外,用于控制整个制造设备的操作的现场可编程门阵列(FPGA)也是必不可少的(FPGA包括在图6中的逻辑芯片中)。

然而,由于这些半导体无法采购,导致各类制造设备的交货期被迫延长。其交货期从2020年的3~6个月延长到了2021年第一季度的平均10个月,同年7月延长到了14个月。据悉,其中甚至还有交货期延长至2年的制造装置,事态非常严重。

07、半导体产业进退两难

全球芯片短缺现象日益严重。为了解决该芯片不足的问题,全世界的半导体厂商都计划增设新工厂以增产芯片,新工厂将需要数量庞大的各类制造设备。但是,由于该制造设备上搭载的芯片无法调配,制造设备的交货期正在延长。据悉,目前平均需要等待14个月以上,其中还有需要等待2年才能引进的设备。

在芯片制造工艺中,即使缺少一种制造设备,也不能生产所需的芯片。为解决芯片短缺问题,希望进行芯片大增产,但由于制造设备用芯片短缺,不能按计划增产芯片。

这个进退两难的局面到底要如何解决呢?似乎半导体厂商只能优先为制造设备厂商生产芯片,但由于供应链复杂,这个问题似乎不容易解决,究竟该怎么办呢?

来源:内容由芯世相(ID:xinpianlaosiji)编译自「EE Times Japan」