(Fortsetzung von Teil I: Design integrierter Schaltkreise, Teil II: Herstellung integrierter Schaltkreise, Teil III: Basisverpackung, Test und erweiterte Verpackung)

5. Ausrüstung zur Herstellung von Halbleiterprodukten

(1) Überblick über kleine und mittlere Unternehmen in der Halbleiterfertigungsausrüstung

Es gibt viele Arten von Geräten zur Verarbeitung und Herstellung von Halbleiterprodukten, die von kleinen und mittleren Unternehmen in jedem Prozess der Halbleiterproduktionslinie verwendet werden. Es gibt halbleiterspezifische Geräte (Vorverarbeitung) zur Herstellung nackter Wafer (Materialien), Geräte zur Verarbeitung nackter Wafer zu endgültigen Wafern (Nachbearbeitung) und Geräte zur Herstellung von Fotomasken (Maskenproduktion). Chiphersteller benötigen eine Vielzahl von Front-End-Geräten für ihre Produktionslinien. Die Kosten komplexer Front-End-Halbleiterfertigungsanlagen sind ein Hauptgrund für die hohen Kosten von Halbleiterfabriken, einschließlich der Kosten für den Bau ultrareiner Fabriken.

Zu den Front-End-Geräten für die Halbleiterfertigung gehören Geräte für Chip-Herstellungsprozesse wie Fotolithographie, Ätzen, Dotieren oder Ionenimplantation, Abscheidung, Polieren oder chemisch-mechanische Planarisierung. Besonders hervorzuheben sind Geräte zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), eine spezielle Art von Abscheidungsgeräten, die dünne Schichten bestimmter Metalle abscheiden und hauptsächlich zur Herstellung von Verbindungshalbleitern, einschließlich solcher auf der Basis von GaAs und GaN, verwendet werden.

Zu den Back-End-Ausrüstungen für die Halbleiterfertigung von KMU gehören ATP und fortschrittliche Verpackungsanlagen.

(2) Aktuelle Situation

Bei der Halbleiterfertigungsausrüstung dominieren Unternehmen in den USA (41.7 % Umsatzanteil), Japan (31.1 %) und den Niederlanden (18.8 %). Südkorea hat einen Anteil von 2.2 %, die restlichen rund 6.2 % teilen sich China, Deutschland, Taiwan, Israel, Kanada und andere Länder in Südostasien und Europa. Die meisten südkoreanischen Hersteller von Halbleiter-Produktionsanlagen gehören Samsung oder SK Hynix. Die Hauptkunden dieser südkoreanischen Halbleiter-Ausrüstungsunternehmen sind südkoreanische Halbleiterunternehmen. Obwohl es auch ein chinesisches Unternehmen gibt, das verschiedene Arten von Halbleiterfertigungsanlagen herstellt, haben chinesische Unternehmen in keiner Kategorie von Halbleiterfertigungsanlagen einen nennenswerten Anteil außer Back-End-Montage, Verpackungsanlagen und MOCVD.

Insgesamt entfällt auf die USA ein großer Teil der weltweiten Produktion der meisten Front-End-Halbleiterproduktionsanlagen, mit Ausnahme der Produktion von Lithografieanlagen, die sich auf die Niederlande und Japan konzentriert. Auf die USA entfällt auch ein großer Teil der weltweiten Produktion von Back-End-Testgeräten. Im Gegensatz dazu haben die Vereinigten Staaten einen relativ geringen Marktanteil bei der Herstellung von Back-End-Halbleiterproduktionsanlagen (Montage- und Verpackungsanlagen) weltweit, während China einen beträchtlichen Anteil hat. Während China derzeit in hohem Maße auf nicht aus China stammende Halbleiterproduktionsanlagen (mit Ausnahme von Verpackung und MOCVD) angewiesen ist, investiert das Land stark, um sich auf die Herstellung solcher Anlagen zu konzentrieren. Diese Investitionen verschaffen den begünstigten Unternehmen einen erheblichen Vorteil bei der Entwicklung und Produktion modernster Chip-Ausrüstung im Vergleich zu anderen Unternehmen.

Wie die folgende Grafik zeigt, haben die USA zwar einen beträchtlichen Marktanteil in der Produktion der meisten Front-End-KMU, die bemerkenswerte Ausnahme bilden Lithografie-Scan-/Stepper-Geräte, die fast ausschließlich von der niederländischen Firma ASML und den japanischen Unternehmen Nikon und Canon hergestellt werden. Bei Lithografiemaschinen ist ASML (Niederlande) der einzige Hersteller von EUV-Steppern/Scannern, die für die Produktion integrierter Schaltkreise mit Linienbreiten von 5 nm oder weniger von entscheidender Bedeutung sind. Allerdings nutzen derzeit nur zwei Halbleiterhersteller, TSMC und Samsung, EUV-Maschinen in der Produktion, wobei ein einzelnes Gerät mehr als 100 Millionen US-Dollar kostet. ASML und Nikon stellen beide Lithografiemaschinen für tiefes Ultraviolett (DUV) her, die einen Lichtstrahl durch eine Fotomaske projizieren und ein verkleinertes Bild des Fotomaskenmusters auf dem Wafer erzeugen. Außer in den Niederlanden und Japan entfällt der Anteil der Lithografieausrüstung in den USA und anderen Ländern hauptsächlich auf bestimmte Kleinserienchips oder auf die Herstellung von Fotomasken.

Ein Satz Halbleiterfertigungsanlagen kann aus bis zu 100 Teilen bestehen, und Teile und Zubehör für Halbleiterfertigungsanlagen stellen die größte Handelskategorie in der Branche dar. Laut der Umfrage des Herstellers Census entfällt die Hälfte des Umsatzes mit Halbleiterfertigungsgeräten in den USA auf Komponenten und andere Materialien. Mehr als 130 US-Unternehmen liefern wichtige Komponenten für Geräte, die von ausländischen Unternehmen verkauft werden. Cymer (USA) stellt insbesondere Laser für die EUV-Stepper-/Scanner-Lithographiemaschinen von ASML her. ASML hat Cymer im Jahr 2013 übernommen, Cymer bleibt jedoch eine unabhängige, in den USA ansässige Betriebseinheit von ASML.

Aufgrund der zyklischen Natur der Verkäufe aufgrund begrenzter Märkte und Kunden stellen die meisten großen Ausrüstungsunternehmen mehr als eine Art von Ausrüstung her, um ihren Kunden eine vollständige Palette an Ausrüstungs- und Wartungsoptionen bieten zu können. Hersteller von Lithografie-Stepper-/Scanner-Geräten wie ASML bilden aufgrund der einzigartigen Technologie der Geräte eine Ausnahme von dieser Regel. Lam Research und Tokyo Electron (TEL) konzentrieren sich auf Abscheidung und Ätzen, während KLA sich auf Messtechnik und Inspektion konzentriert.

Eine Ausnahme von der führenden Position Japans und der Niederlande bilden MOCVD-Anlagen. Diese werden zur Herstellung von Halbleitern aus anderen Materialien als Silizium, wie beispielsweise GaN und GaAs, eingesetzt. Dazu gehören LEDs, Laserdioden und andere photonische Chips, Leistungs-/HF-Bauelemente sowie Solarzellen. Wie bereits erwähnt, haben GaN-Chips strategische Bedeutung für die Verteidigung. MOCVD-Anlagen werden von Veeco (USA), Aixtron (Deutschland) und AMEC (China) hergestellt. China versucht, durch Übernahmen Marktanteile im MOCVD-Markt zu gewinnen. 2016 versuchte der chinesische Fujian Grand Chip Investment Fund, ein eigens für diesen Zweck gegründetes Unternehmen mit Beteiligung staatlicher und regionaler Institutionen, Aixtron zu übernehmen. Die Übernahme wurde jedoch von Präsident Obama nach einer Prüfung durch das Committee on Foreign Investment in the United States (CFIUS) blockiert, möglicherweise weil der Käufer vom Übernahmeangebot zurückgetreten war.

Die drei führenden Unternehmen für Ätzgeräte sind Lam Research (USA), Tokyo Electron (Japan) und Applied Materials (USA). Chinesische Unternehmen, darunter AMEC, verfügen über eine gewisse Erfahrung im Ätzen und können Geräte für Low-End-Anwendungen anbieten, ihr Marktanteil beträgt jedoch nur etwa 1 %.

Die USA haben einen relativ geringen Marktanteil (4.9 %) bei Back-End-Verpackungs-KMU im Vergleich zu Front-End-Halbleiterfertigungsanlagen. Den größten Anteil an Verpackungsanlagen hat Japan (35.7 %), gefolgt von China (22.9 %) und den Niederlanden (11.1 %). Das in den USA ansässige Unternehmen Kulicke and Soffa ist jedoch ein führendes Unternehmen für Halbleiterverpackungsausrüstung. Die USA und Japan sind mit 33.5 % bzw. 48.6 % Marktanteil führend bei Back-End-Testgeräten (ATP).

(3) Halbleiterfertigungsanlagen, das Risiko der Vereinigten Staaten

Abhängigkeit von Verkäufen im Ausland (nicht in den USA):

Während die USA einen großen Anteil am Markt für Halbleiterproduktionsausrüstung haben, sind US-Produzenten in hohem Maße von Auslandsverkäufen abhängig. Als größte Halbleiterhersteller sind Taiwan, China und Südkorea die größten Märkte für Halbleiterproduktionsanlagen. Obwohl Taiwan voraussichtlich in den Jahren 2021 und 2022 seine Position als größter Markt für Halbleiterproduktionsausrüstung zurückerobern wird, berichten Applied Materials und Lam Research, dass etwa 90 % des Gesamtumsatzes im Jahr 2020 aufgrund der hohen Ausgaben für Chipfabriken von Nicht-Chipfabriken stammen werden - US-Verkäufe. Der Umsatz von Lam Research in China stieg von 16 % im Jahr 2018 auf 31 % im Jahr 2020. Daher besteht für US-Hersteller von Halbleiterproduktionsanlagen die Gefahr, dass sie erheblich von Handelsbeschränkungen zwischen den USA und China oder unerwarteten Nachfrageänderungen in Asien betroffen werden. Die daraus resultierenden Auswirkungen könnten weit über den aktuellen Umsatzrückgang hinausgehen, da Halbleiterhersteller eine gewisse Gerätebindung erleben und ein Wechsel der Gerätelieferanten kostspielige Neukonstruktionen erfordert. Lam Research stellte beispielsweise in seinem Jahresbericht 2020 fest: „Sobald sich ein Halbleiterhersteller verpflichtet, die Halbleiterfertigungsausrüstung eines Wettbewerbers zu kaufen, kauft der Hersteller in der Regel weiterhin die Ausrüstung dieses Wettbewerbers, was es für uns schwieriger macht, uns in Zukunft an diesen Kunden zu verkaufen.“ . Ausrüstung." Darüber hinaus ist der Verkauf von Halbleiterproduktionsanlagen auf Universitäten und Halbleiterhersteller beschränkt, die eigene Fabriken haben. Unternehmen für Halbleiterproduktionsanlagen können ihren Kundenstamm nicht über diese Kategorien hinaus erweitern, da solche Anlagen nur in der Halbleiterindustrie erhältlich sind.

Chinesische Subventionen für die Produktion von Halbleiterfertigungsanlagen verzerren den Markt:

Darüber hinaus plant China, die Produktion von Halbleiterproduktionsanlagen im Land mit erheblichen Subventionen zu finanzieren. Die zweite Phase des China National Integrated Circuit Industry Investment Fund konzentriert sich auf Ätzmaschinen, Abscheidungsgeräte, Test- und Wafer-Reinigungsgeräte. Die Finanzierung liegt zwischen 28.9 und 47 Milliarden US-Dollar. Die Subventionen halten chinesische Unternehmen im Geschäft, auch wenn die meisten scheinbar unrentabel sind. Nach Angaben der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) hatten beispielsweise „staatliche Kapitalzuführungen deutliche Auswirkungen auf die finanzielle Leistungsfähigkeit chinesischer Halbleiterproduzenten“, wobei der Anstieg des Unternehmensvermögens nicht mit einem Anstieg der Rentabilität einherging . Diese Subventionen stellen chinesischen Unternehmen Mittel zur Verfügung, um in Forschung und Entwicklung in der Halbleiterfertigung der nächsten Generation zu investieren, was ihnen einen erheblichen Vorteil gegenüber nicht-chinesischen Unternehmen verschafft, die solche Subventionen nicht erhalten. Anders als in der Vergangenheit investieren Hersteller von Halbleiterproduktionsanlagen heute nur ungern in Forschung und Entwicklung für Wafergrößen der nächsten Generation, da für die Herstellung von Halbleiterproduktionsanlagen erhebliche Forschungs- und Entwicklungs- und Investitionsausgaben getätigt werden und ungewiss ist, wann und wo die Produktion von Spitzenchips erfolgen wird .