10/7nm、內存市場(chǎng)持續推動(dòng)晶圓設備需求增長(cháng)

　　由于對3D NAND和DRAM設備的巨大需求，Fab供應商在2017年迎來(lái)了一個(gè)繁榮周期。然而，在邏輯/晶圓設備中，設備需求在2017年仍相對不溫不火。在2018年，設備需求看起來(lái)強勁，盡管該行業(yè)將很難超過(guò)2017年所創(chuàng )下的紀錄。事實(shí)上，根據目前的預測，IC設備市場(chǎng)預計將在2018年降溫，而后轉為較正常增長(cháng)模式。

　　根據VLSI研究數據顯示，預計2017年半導體設備市場(chǎng)將達到704億美元，比2016年的539億美元增長(cháng)30.6%。而在2018年，IC設備市場(chǎng)預計將達到735億美元，比2017年增長(cháng)4.4%。

　　圖1:半導體設備市場(chǎng)增長(cháng)情況

　　當然，這些預測可能會(huì )發(fā)生變化，因為多種因素可能會(huì )影響fab行業(yè)，比如經(jīng)濟因素和政治因素就在競技場(chǎng)中扮演著(zhù)重要角色。

　　盡管如此，fab供應商還是十分樂(lè )觀(guān)。應用材料市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Arthur Sherman表示， 預計WFE(晶圓fab設備)市場(chǎng)將在2018年有所增長(cháng)，因為需求更為強勁。相關(guān)人士表示，隨著(zhù)供應商增加了更多的功能，智能手機和其他移動(dòng)設備中的硅含量也在不斷增加。此外，還有一些新興的趨勢，如IoT、大數據、人工智能和智能汽車(chē)等，它們也都正在期待fab市場(chǎng)的表現。

　　借此，將在2018年及以后影響設備支出的關(guān)鍵市場(chǎng)進(jìn)行了分析。①一些芯片制造商將在2018年從16nm / 14nm向10nm / 7nm的邏輯節點(diǎn)進(jìn)行遷移，這一舉動(dòng)可能會(huì )導致鑄造/邏輯領(lǐng)域的設備需求猛增。②3D NAND將在2018年成為設備的主要驅動(dòng)者.根據IC Insights的數據，在3D NAND中，三星的資本支出在2017年將達到驚人的140億美元。③三星在2017年的資本支出總額為260億美元，其中包括3D NAND、DRAM(70億美元)和foundry(50億美元)。④中國仍是fab設備投資活動(dòng)的溫床，跨國公司和國內芯片制造商紛紛計劃在中國建設新的晶圓廠(chǎng)。⑤極端的紫外(EUV)光刻技術(shù)有望在2018年生產(chǎn)，但傳統的多模式光刻技術(shù)仍將是設備制造商迫在眉睫需要解決的事情。⑥ 2018年，200mm的fab持續出現供不應求的情況。

　　IC市場(chǎng)前景良好，對fab需求迫切

　　據《世界半導體貿易統計》(WSTS)報告顯示，2017年IC市場(chǎng)將達到4090億美元，比2016年增長(cháng)20.6%。據WSTS統計，2018年，IC行業(yè)將達到4,370億美元，比2017年增長(cháng)7%。

　　代工業(yè)相對穩定。CLSA分析師Sebastian Hou表示，總體來(lái)看，2017年代工行業(yè)預計將增長(cháng)7%。2018年，代工業(yè)務(wù)預計將增長(cháng)6%至7%。但在設備領(lǐng)域，預測是有不確定性的。例如，在2016年末，就有許多人預測，晶圓fab設備(WFE)市場(chǎng)2017年將從335億美元到340億美元，比2016年增長(cháng)約5%。由于3D NAND設備支出激增，WFE市場(chǎng)已經(jīng)超出預期。KLA-Tencor全球客戶(hù)解決方案高級副總裁兼首席營(yíng)銷(xiāo)官Oreste Donzella說(shuō)，之前2017年WFE的目標是超過(guò)450億美元，比去年同期增長(cháng)20%到25%，因此說(shuō)明預測的不確定性。

　　這種勢頭會(huì )延續到2018年嗎?到目前為止，看起來(lái)相對穩定，供應商們謹慎樂(lè )觀(guān)。Donzella說(shuō)，預計2018年的WFE將比2017年增長(cháng)個(gè)位數的百分比。

　　在另一項預測中，SEMI預計2017年的設備銷(xiāo)售額為559億美元，比2016年增長(cháng)35.6%。 SEMI表示，2018年，設備市場(chǎng)將達到601億美元，比2016年增長(cháng)7.5%。

　　圖2:年末設備預測

　　在fab工具供應商DRAM、NAND和foundry / logic的三個(gè)主要增長(cháng)驅動(dòng)因素中，WFE需求看起來(lái)是可靠的。Donzella說(shuō)，特別是內存市場(chǎng)(DRAM和3D NAND)的收入增長(cháng)非常強勁，預計明年WFE將會(huì )大幅度增長(cháng)。

　　DRAM的驅動(dòng)程序是智能手機和服務(wù)器。固態(tài)硬盤(pán)(ssd)和智能手機正在推動(dòng)NAND的需求。而FPGAs和處理器的供應商預計將躍入10nm / 7nm。

　　還有其他的驅動(dòng)因素?！拔覀冋幱谝粋€(gè)不可思議的計算轉換的開(kāi)始，從翻譯和語(yǔ)音識別到自動(dòng)駕駛汽車(chē)，將機器學(xué)習和人工智能的能力添加到一系列的設備和服務(wù)中”，Sherman說(shuō)?！斑@種轉變有可能在未來(lái)幾十年改變我們的經(jīng)濟。為這些變化提供動(dòng)力將是新的計算平臺和對許多現有產(chǎn)品、服務(wù)和業(yè)務(wù)模型的補充。這將進(jìn)一步推動(dòng)新數據生成、計算和存儲需求?！?/p>

　　那么問(wèn)題到底出現在了哪里?Sherman說(shuō)，總有高水平的宏觀(guān)經(jīng)濟影響會(huì )影響電子產(chǎn)品的支出，但現在有一些強有力的趨勢讓我們更多地考慮穩定和上升。

　　其他人也同意。這背后的深度學(xué)習技術(shù)將影響到半導體設計和制造領(lǐng)域，就像它將影響未來(lái)三到十年的每一項業(yè)務(wù)一樣。精確的模擬將創(chuàng )造出大量的數據來(lái)訓練一個(gè)深度學(xué)習的引擎。雖然從工廠(chǎng)實(shí)際數據檢驗和SEM圖像等將作為訓練數據,它是基于仿真的可以自動(dòng)生成大量具有各種變量的數據來(lái)為學(xué)習平臺服務(wù)，D2S首席執行官Aki Fujimura說(shuō)。

　晶圓市場(chǎng)在持續低迷后，迎來(lái)春天

　　掌握市場(chǎng)動(dòng)向的一種方法是觀(guān)察硅晶圓片和光掩膜板這兩個(gè)關(guān)鍵細分市場(chǎng)。

　　多年來(lái)，硅片市場(chǎng)一直飽受供過(guò)于求的困擾，導致價(jià)格持續低迷。但在2017年需求有所增長(cháng)，硅晶圓市場(chǎng)也朝著(zhù)均衡狀態(tài)邁進(jìn)，因此價(jià)格有所提升。

　　根據SEMI的數據，預計2018年硅晶片出貨量將達到11,814百萬(wàn)平方英寸，比2017年增長(cháng)3.2%。據SEMI說(shuō)，2017年的增長(cháng)率為8.2%。

　　圖3：晶圓出貨量預測

　　根據SEMI的數據，2016年，光掩膜板市場(chǎng)銷(xiāo)售額為33.2億美元，較2015年增長(cháng)2%。在2017年和2018年，掩膜市場(chǎng)預計將分別增長(cháng)4%和3%。

　　在先進(jìn)的節點(diǎn)，光掩膜板變得越來(lái)越復雜，難以制造。有幾個(gè)挑戰，但主要的問(wèn)題是使用今天的單波束電子束系統花更長(cháng)的時(shí)間去做一個(gè)掩膜。因此，對于復雜的掩膜，該行業(yè)正開(kāi)始在掩膜商店中采用一種新的多波束系統。

　　英特爾公司的子公司IMS Nanofabrication已經(jīng)在市場(chǎng)上發(fā)布了多光束掩膜寫(xiě)入器。競爭對手NuFlare也在出售類(lèi)似的系統。

　　D2S的 Fujimura說(shuō)，不管是用于193i光刻的多重圖案化的復雜ILT(反向光刻技術(shù))圖案，還是即將具有30nm亞分辨率輔助特征的EUV掩膜，在前沿工藝上的掩模方面都需要多波束復刻。

　　掩膜制作與光刻相關(guān)聯(lián)。在光刻技術(shù)中，最大的問(wèn)題是EUV光刻技術(shù)是否會(huì )在2018年投入生產(chǎn)。芯片制造商想要EUV用于7nm或5nm。理論上，EUV可以降低這些節點(diǎn)的復雜性。但是今天，EUV還沒(méi)有準備好。EUV能否投入使用依賴(lài)于EUV電源、光刻膠和掩膜等方面是否準備好。

　　盡管面臨諸多挑戰，三星希望在2018年的 7nm邏輯工藝節點(diǎn)上使用EUV。相比之下，其他芯片制造商將采取更為保守的路線(xiàn)，從傳統的193nm沉浸式和10nm / 7nm的多重曝光開(kāi)始切入。

　　Fujimura表示，對于EUV來(lái)說(shuō)，無(wú)論其投入生產(chǎn)中是在2018年下半年開(kāi)始，還是在2019年，很明顯，半導體行業(yè)正準備在生產(chǎn)中使用EUV。EUV最初將部署在已經(jīng)部署了193nm多重曝光的領(lǐng)域。這將使生態(tài)系統更順利地過(guò)渡，而不是一下子全盤(pán)轉換。

　　芯片制造商可能會(huì )在短期內將EUV插入一層或幾層，但實(shí)際的大批量生產(chǎn)仍然需要一兩年的時(shí)間，EUV光刻及其生態(tài)系統將在2018年至2019年繼續發(fā)展，2020年的態(tài)勢也持續見(jiàn)好。

　　然而，EUV不會(huì )主導整個(gè)格局。在插入時(shí)，EUV將主要用于代工和邏輯應用的切割和過(guò)孔。這大約占據整個(gè)曝光市場(chǎng)的20%，其余仍是多重曝光。

　　Fad尺寸新突破：計劃遷移至10nm/7nm

　　對于設備供應商來(lái)說(shuō)，前沿的市場(chǎng)/邏輯市場(chǎng)在最近幾年相對低迷。在每個(gè)節點(diǎn)上，芯片制造商都需要大量的研發(fā)投入和資本投入。而且，在每個(gè)節點(diǎn)上，越來(lái)越少的代工廠(chǎng)客戶(hù)負擔得起研發(fā)費用。

　　2018年，GlobalFoundries、Intel、Samsung和TSMC預計將從16nm / 14nm的FinFET遷移到10nm /7nm FinFET。英特爾正在增加10nm，而代工廠(chǎng)正在準備。簡(jiǎn)而言之，Intel的10nm技術(shù)相當于其他代工廠(chǎng)的7nm節點(diǎn)。

　　圖4:FinFET vs. planar

　　無(wú)論如何，芯片制造商都面臨著(zhù)一些挑戰。例如，英特爾原本預計在2017年下半年進(jìn)入10nm的批量生產(chǎn)，但是由于技術(shù)的挑戰，這一時(shí)程延緩到了2018年上半年。

　　投資銀行Morningstar的分析師Abhinav Davuluri最近接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，英特爾是一家以高盈利為目的的公司。根據從他們的產(chǎn)品推出和時(shí)間表中看到的情況，他們不得不把(10nm)推掉，轉由年底生產(chǎn)，而在2018年還不一定能全面發(fā)力。

　　時(shí)間會(huì )告訴我們，GlobalFoundries、三星和臺積電是否會(huì )在7nm競爭。據高德納咨詢(xún)公司(Gartner)的分析師Samuel Wang表示，看起來(lái)這三家代工廠(chǎng)都取得了不錯的進(jìn)展。

　　盡管如此，預計到2018年，10nm / 7nm的采用率將逐步提高。Wang說(shuō)，從預計到2018年，這方面收入將從25億美元增加到30億美元。相比之下，10nm營(yíng)收預計將在2017年達到50億美元。

　　應用材料的Sherman表示，隨著(zhù)時(shí)間的推移10nm / 7nm預計會(huì )成為一個(gè)大而長(cháng)的節點(diǎn)，與28nm節點(diǎn)不相上下，這個(gè)比例還在增加。5nm也同樣如此。

　　內存領(lǐng)域

　　在2017年，內存市場(chǎng)一直是fab設備的主要推動(dòng)力。預計2018年將遵循類(lèi)似的模式。Sherman說(shuō)，對內存技術(shù)的巨大需求創(chuàng )造了歷史最高出貨量。智能手機中的DRAM和NAND內存持續d增長(cháng)。最近，智能手機的平均NAND用量已經(jīng)增長(cháng)了大約50%，從2016年的大約24G到現在的大約38G。最近，一家主要的內存供應商宣布了512G的產(chǎn)品，以供將來(lái)的智能手機使用，前景良好。

　　SSD也推動(dòng)了NAND的需求。相關(guān)人士說(shuō):“內存市場(chǎng)十分健康，NAND的需求增長(cháng)在40%到50%之間?！?/p>

　　但市場(chǎng)研究公司TrendForce的數據顯示，NAND預計將在2018年第一季度出現季節性放緩，導致供過(guò)于求和平均售價(jià)下跌。不過(guò)，目前還不清楚NAND供應過(guò)剩會(huì )持續多久。

　　與此同時(shí)，在2018年，Intel、Micron、三星、SK Hynix、東芝和Western Digital將繼續增加3D NAND。因此，3D NAND將出現另一個(gè)巨大的支出周期。

　　3D NAND強勁增長(cháng)是有原因的。今天的2D NAND已經(jīng)達到了1xnm節點(diǎn)的物理極限。因此，在一段時(shí)間內，NAND供應商有必要從2D NAND遷移到3D NAND。

　　3D NAND比之前認為的更難制造。不同于2D NAND，它是一個(gè)2D結構，3D NAND類(lèi)似于垂直的摩天大樓，其中水平層被堆疊起來(lái)，然后通過(guò)微小的垂直通道連接。

　　圖5:NAND架構

　　圖6:3D NAND體系結構

　　所以從2D到3D的轉換時(shí)間比預期的長(cháng)。據應用材料公司的估計，目前，NAND的裝機容量為160萬(wàn)晶圓片，而目前只有一半的產(chǎn)能被轉化為3D NAND。

　　除了轉化率之外，還有一些問(wèn)題是關(guān)于3D NAND的規模有多大。在2017年，3D NAND供應商已經(jīng)從48層遷移至64層，在R&D有96層。我們將在2018年看到96層設備。密度有望每年將增加一倍。

　　然而，96層的NAND設備開(kāi)發(fā)是具有挑戰性的。因此，該行業(yè)正在向一種被稱(chēng)為串行堆疊的制造技術(shù)轉移。為此，供應商將開(kāi)發(fā)兩個(gè)48層的3D NAND設備并連接它們，從而形成一個(gè)96層的3D設備。所以我們有兩層3D NAND ——48 + 48層。

　　有了串行堆疊，3D NAND可以擴展到512層或更多。然而，串行堆疊增加了更多的制造成本，給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)了困難的挑戰。

　　中國fab熱度不減

　　與此同時(shí)，據SEMI表示，在2017年，韓國預計將超過(guò)臺灣，成為最大的fab設備支出市場(chǎng)。臺灣將排名第二，而中國將排名第三。

　　根據該行業(yè)組織的數據，2018年，韓國預計將保持第一名，中國將進(jìn)入第二名。

　　SEMI表示，在中國，總共有15個(gè)新的fab項目，其中包括跨國公司和國內芯片制造商。由于中國市場(chǎng)的不穩定性，雖然項目啟動(dòng)還處于未知狀態(tài)。但顯而易見(jiàn)的是，中國正在努力減少其在IC領(lǐng)域持續從外國供應商進(jìn)口大量芯片導致的巨大貿易失衡。

　　預計，中國市場(chǎng)將穩步增長(cháng)。KLA-Tencor已經(jīng)在中國看到了希望，不乏有重要訂單。KLA-Tencord的Donzella說(shuō)，KLA-Tencor是投資的前沿，因為需要檢測和計量工具來(lái)滿(mǎn)足工藝設備的要求。應用材料的Sherman預計，到2018年，中國晶圓廠(chǎng)的設備投資將比2017年增長(cháng)約20億美元。

　　與此同時(shí)，在過(guò)去兩年里，由于對某些芯片的需求激增，IC行業(yè)經(jīng)歷了200mm fab容量的嚴重短缺。這進(jìn)而推動(dòng)了對200mm設備的需求。問(wèn)題是幾乎沒(méi)有200mm設備可用，因此價(jià)格相對較高。

　　“在200mm方面,2018年將與2017年相似?！痹?017年，200mm的fab利用率已經(jīng)達到或接近100%。我們認為，2018年可能整體情況與2017年類(lèi)似，200mm晶圓廠(chǎng)的利用率將繼續保持在90%以上。根據相關(guān)人士的說(shuō)法，市場(chǎng)上只有500種可用的200mm工具，而且許多工具在今天的fabs中都達不到要求，所以繼續補充短缺的200mm設備迫在眉睫。