AMAT成长史——从硅谷走向世界的全球半导体巨头
2018-04-09 浏览: 39 点赞: 0
应用材料是全球最大的半导体设备和服务供应商,已经连续十多年稳居全球半导体设备供应商龙头位置。分析应用材料的成长过程,可以划分为四个阶段:1)1967-1979年,初创期;2)1979-1996年,发展期;3)1997-2009年,成熟期;4)2010-2016年,持续技术创新期。



应用材料是全球最大的半导体设备和服务供应商,已经连续十多年稳居全球半导体设备供应商龙头位置。分析应用材料的成长过程,我们可以划分为四个阶段:11967-1979年,初创期21979-1996年,发展期;31997-2009年,成熟期;42010-2016年,持续技术创新期。


(1)1967-1979初创期——曲折前行,精简业务渡过危机 

1967年,Michael McNeilly等人在美国加利福尼亚州创立应用材料公司,进军化学气相沉积市场。成立初期,公司营业收入始终保持高速增长,到1972年,营业额达到630万美元,应用材料在美国上市。

公司高速的成长使得管理层开始不断扩充自己的产品线。1974年,公司管理层决定收购Galamar Industries以拓展自己的硅片制造业务;1975年公司又与Fairchild CameraInstrument Corporation合资建造了一个硅生产工厂。然而产品线持续不断的扩张,使应用材料遭遇到了原材料紧缺问题以及财务危机。同时,1975年全球半导体行业遭遇巨大衰退期,应用材料公司销售额较前一年下降54.7%,一度濒临破产。

1976年,James C. Morgan成为了公司的新任CEO并开始在危机中进行改革James C. Morgan在此之前是一个风投公司的合伙人,并且曾在Textron的高科技部门有过丰富的管理经验。

新任CEO开始忍痛对早期铺设过宽的产品线进行瘦身,比如关掉了1974年收购的Galamar Industries,卖掉公司在硅生产工厂的份额,使公司的核心业务回归到半导体设备领域。一系列大刀阔斧的改革产生了立竿见影的效果,公司的产品销售额在1978年增长17%1979年更是达到了51%的增幅,公司成功渡过危机。


(2)1979-1996发展期—— 行业产能转移,抓住时机布局全球

早在1971年,应用材料公司就通过在欧洲建立第一个海外办事处开始了全球化的尝试,但1975年全球半导体行业的衰退减慢了公司拓展的步伐。上世纪70年代末,全球IC产业产能从美国向日本地区转移,80年代末期又由日本开始向韩国和台湾转移。应用材料公司抓住行业产能转移的时机,在这段时间开始了大规模的海外拓展。

1979年,应用材料在日本建立子公司AMJApplied Materials Japan)。1984年,应用材料进一步花费920万美元在日本设立技术中心,成为第一家在日本建立研究与开发设施的美国半导体设备制造商。应用材料涉足日本以来,在日本的销售额从1979年的240万美元激增至1983年的3300万美元,占1983年全球销售总额的30%

1984年,在日本建立技术中心的同时,应用材料开始进入中国市场。公司CEO James C. Morgan亲自访问中国,并受到了时任电子工业部部长江泽民的接见。同年,应用材料公司在北京设立客户服务支持中心,为中国本土的半导体制造商提供系统服务和支持,成为第一个在中国开设服务中心的外国半导体设备公司。19941995年,应用材料又相继在上海、天津和无锡开设办事处。

此后,应用材料继续扩大着它的商业版图。1985年开设韩国办事处,并在香港设立太平洋地区总部,同时在苏格兰和德国设立营业部。1989年开设台湾办事处,1991年开设新加坡办事处。1993年,应用材料营业额达到10亿美元,成为全球第一个年营业额破10亿美元的半导体设备制造商。

1996年,应用材料全球销售额突破40亿美元。其市场主要分布在北美、日本、欧洲以及韩国,在公司合理的布局下,其全球的营业收入分布极为均衡。 

与雄心勃勃扩张全球相对应的另一面,是应用材料公司脚踏实地立足科研的扎实态度。公司不但每年持续投入大量研发经费,并且在 1980年从著名的贝尔实验室请来Dan Maydan博士牵头组成研发团队。Dan Maydan博士是世界半导体领域著名的专家,后来在1994年获得国际半导体设备与材料协会(SEMI)颁发的第一个终身成就奖。

正是在Dan Maydan博士的带领下,应用材料在1987年推出了一款革命性的单晶片多腔室的化学气相沉积设备“Precision 5000”。Precision 5000将生产芯片的多个关键步骤集成到一起,大大提高了芯片生产效率。为表彰这一设备对半导体工业的重要影响,史密森尼博物馆在1993年决定将Precision 5000第一代产品永久纳入名为“信息时代”的系列展品中。1996年,在技术领域不断前进的应用材料还获得了美国技术类最高奖项“美国国家技术奖”。



(3) 1997-2009成熟期—— 并购浪潮扩充业务范围 

1997年开始,应用材料开始了并购浪潮。当时集成电路生产过程监测和控制设备市场火热,为了进入该市场1997年应用材料先后分别以1.75亿美元和1.1亿美元收购两家以色列公司Opal TechnologiesOrbot InstrumentsOpal Technologies的主要产品是生产集成电路时用以验证临界尺寸的高速计量系统(CD-SEM)。Orbot Instruments主要生产一套成品率提高系统,该系统通过在半导体生产过程中对图形化硅晶圆进行监测来提高成品率。

1998年,应用材料为完善自己的生产线收购了Consilium公司。Consilium公司是集成半导体和电子制造执行系统(MES)软件领域一家主要的供应商,有着当时世界上最大的MES软件安装基地,而这套软件能够显著提高设备生产率和工厂生产率。此次收购通过换股并购的方式完成,应用材料一共为此发行了约200万股。

2000年,应用材料为了进入光罩生产市场和薄膜晶体管阵列测试领域,以换股并购的方式、发行约2900万股收购了Etec Systems公司。Etec Systems公司当时是光罩图案制造器材领域的最大的供应商,占据着全球光罩图案制造器材80%的市场份额,但是其1999年的营业额较1998年下滑了17.7%。而且其设备的平均价格在1000万美元和1200万美元之间,过于昂贵的价格常常使其资金无法正常周转,被应用材料收购可以在一定程度上减轻资金周转上的困难。

2001年,应用材料以2100万美元收购以色列公司 Oramir半导体设备有限公司。应用材料主要是看中了该公司的半导体晶片激光清洗技术,这一技术是对应用材料已有的晶片检测控制系统一个很好的补充。

2006年,应用材料支付约48400万美元收购Applied Films公司。Applied Films是薄膜沉积设备的主要供应商,其提供的薄膜沉积设备主要应用于制造平板显示器、太阳能电池、柔性电子材料以及节能玻璃。但其营业状况不是很好,2005年其净收入较前一年下降20.3%

2008年,应用材料公司以3.30亿美元收购了意大利Baccini公司,该交易完成后第一年即将推动现金盈利增长。此项交易对应用材料特别具有吸引力,因为公司希望将窗体顶端窗体底端意大利作为终端市场,那里的阳光相对充足,而可替代窗体顶端窗体底端能源,例如水电或核电的数量却较少。

2006年,应用材料公司投资2.55亿美元,在西安高新区建立全球开发中心暨全球技术服务中心200811月,应用材料公司在高新区的投资额扩大到3亿美元,决定在西安建设太阳能研发中心。经过近一年的建设,在200911月,该中心正式建成启用。美国应用材料公司西安太阳能技术研发中心,是全世界技术最先进、规模最大的太阳能研发机构之一。技术中心面积达到4万平方米,致力于薄膜和晶体硅太阳能组件生产技术和设备的研发、展示、测试和培训工作。该中心的建成,标志着西安由此跨入中国乃至世界一流的太阳能光伏产业基地行列。

2009年,应用材料公司耗资约3.64亿美元收购Semitool Inc.(Kalispell, Mont.)以增强公司在两大快速增长市场的地位:晶圆级封装(WLP)和存储器产业向铜互连工艺的转变Semitool总部位于蒙大拿州的Kalispell,供应电化镀层及晶圆表面预处理设备及产品。该公司 2008财年营收将近2.40亿美元,但2009财年营收降至 1.39亿美元,该公司的2009财年截止于9 30日。这次收购加剧了应用材料与Novellus Systems Inc. (San Jose)在铜淀积领域的竞争,也使得应用材料在封装领域获得一部分新的客户。

20115月,应用材料公司以50亿美元的价格收购了半导体制造商Varian Semiconductor Equipment Associates(以下简称Varian )。在这笔交易达成后,这已经成为了近些年来半导体设备制造商之间的最大规模并购交易之一。应用材料主要从事于开发,制造和销售半导体晶片装配设备,并提供其相关的技术服务,市值超过200亿美元。Varian公司则主要从事离子注入系统(ion-implantation)的设计与生产,以用于晶体管(transistors)的生产与制造工艺。一方面,这项收购交易不仅可以让应用材料重新回到电离子移植设备市场。另一方面,应用材料还从这项交易中获得生产太阳能电池板和发光二极管的技术。

(4) 2010-2016 ——持续技术创新

AMAT公司的长期发展战略要求持续进行技术创新,不断发展新产品。在市场出现强劲的需求之前,公司会积极研发新的产品和技术,使得在技术选型周期的早期阶段能够将这些产品纳入自己的生产计划。AMAT公司与全球客户紧密合作,去设计系统和流程以匹配客户计划中的技术和生产要求。产品研发主要分布在美国,以及在欧洲,以色列,台湾和中国。

在过去的2011~2015年里,AMAT公司研发费用与收入的占比逐步上升,并维持在一个稳定的状态,说明公司把新技术和新产品的研发放在了一个比较重要的位置。这也由于近些年来IT行业的迅猛发展,带动了电子行业的蓬勃向上,企业需要研发出更高性能的电子元器件以适应互联网的浪潮。

2009~2015年间,应用材料公司通过加大研发支出,专利数有了明显的提升,特别是在2013年后,其专利数量上升到往年的3倍以上,并且往后几年的新增专利数一直保持在这个数量上。2015年,应用材料公司的研发费用高达14.5亿美元,占2015年营收14.36%,专利多达1341项,是半导体设备行业中以创新驱动发展的典型龙头企业。

2013-2015年,公司营收稳健增长,毛利率保持在40%以上。2016年中报公司营收为47.07亿美元,毛利率为40.79 %,保持稳定。得益于公司在半导体设备的诸多领域具有扎实的技术积累,积极进行技术创新,生产的产品契合市场需求,竞争力强劲,所以公司预计2016年营收为101.2亿美元,净利润可达15.15亿美元,在营收与净利润方面都有望出现稳健增长。

今年,半导体和平板显示行业正在经历大规模与长期性的变革,其中包括3D NAND技术的发展、向10/7纳米节点过渡、以新材料来实现3D图型设计的需求增长、本土和跨国企业加大在中国的投资、OLED显示技术的加速普及等。这些技术拐点将持续推动半导体和平板显示行业的发展。作为实现这些变革的关键,材料创新正是应用材料公司的优势所在,将为其带来更广阔的市场空间。

作为全球销售额最高的半导体设备商龙头,应用材料虽然没有涉足光刻机业务,但在其他关键设备,如薄膜沉积设备、刻蚀机等领域均投入了大量的研发力量,相继突破了诸多技术难题,推出了一系列出类拔萃的产品。

所谓薄膜沉积,是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结,以渐渐形成薄膜并成长的过程。通过薄膜沉积,可以给材料表面覆上薄膜以获得某种需要的特性。在晶圆制造流程中,为了实现芯片的设计效果需要在硅片上集成复杂的电路,这些结构层大部分是采用薄膜沉积的方法实现的。特别是在硅片完成清洗步骤后,往往要经历沉积-刻蚀-沉积的反复过程,根据每层表面介质的不同,可能采用不同的沉积方法,从而形成晶圆复杂的分层效果。

通过扎实的技术根基与持续的研发投入,应用材料的薄膜沉积设备已经可以实现接近原子级的精度和控制并形成、沉积、塑形和度量薄膜。在2010~2015年间,应用材料公司薄膜沉积技术不断发展,从2010年首创唯一以高质量介电薄膜隔离20纳米及以下存储器和逻辑器件中的高密度晶体管的薄膜沉积技术;到2011年研发出Centura原子沉积技术(ALD),一次可只沉积一个原子,带来了前所未有的精度;2014年的Endura® Ventura™ PVD系统能够完成连续薄的阻挡层和种子层的硅通孔(TSV)沉积;再到2015Applied Endura Cirrus HTX物理气相沉积(PVD)系统,采用突破性硬掩模技术,可支持10纳米及更小的铜互连图形生成,同年研发的Olympia™原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)系统为先进3D内存和逻辑芯片制造商带来了高性能ALD技术。

表 1  应用材料公司不断发展的薄膜沉积技术

时间

沉积技术

描述

20108

Applied Producer Eterna FCVD(流体化学气相沉积)

首创的也是唯一的以高质量介电薄膜隔离20纳米及以下存储器和逻辑器件中的高密度晶体管的薄膜沉积技术

20113

Applied AKT-20K PX 电浆强化化学气相沉积(PECVD)系统

可用于制造主动矩阵式有机发光二极体(AMOLED ) 及平面显示显示屏

20117

Centura原子沉积技术(ALD

一次可只沉积一个原子,带来了前所未有的精度

20145

Endura® Ventura PVD系统

能够完成连续薄的阻挡层和种子层的硅通孔(TSV)沉积

20155

Applied Endura Cirrus HTX物理气相沉积(PVD)系统

采用突破性硬掩模技术,可支持10纳米及更小的铜互连图形生成

20157

Olympia原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)系统

为先进3D内存和逻辑芯片制造商带来了高性能ALD技术


刻蚀,是在半导体工艺中按照掩模图形或设计要求对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术。刻蚀过程包括三个步骤:(1)反应物质量输运(Mass transport)到要被刻蚀的表面;(2)在反应物和被刻蚀的膜表面之间的反应;(3)反应产物从表面向外扩散的过程。

在刻蚀领域,应用材料的创新步伐也从未间断。例如2011,AMAT公司发布了新的刻蚀技术,能够降低每块晶圆片的刻蚀成本,并且在Applied Centura Silvia TM平台上,等离子体提高了刻烛40%的速率。从技术层面来讲,新的技术使晶圆片的通孔更平滑、更具有深度和宽度的最佳比例。这一技术首次将每片硅片的通孔刻蚀成本降低到10美元以下。此外,应用材料公司推出全新的Applied AKT-  Twin系统,用于制造触摸式显示屏。该系统集成了两个独立的工艺通道,可同时制造两种不同的薄膜,从而为客户制造先进触摸屏提供前所未有的生产率和灵活性。最新的移动终端拉动了市场对更高效、低成本多点触摸屏先进制造技术的需求,Applied AKT-Aristo Twin系统可帮助客户减少一半的制造空间,最高可将产能提高50%

根据市场研究公司Gartner Dataquest的报告,从2009年全球系统出货收人来看,应用材料公司在TSV刻蚀和硅片级封装两个市场均排名第一。应用材料公司是唯一一家拥有完整机台系列可以涵盖所有TSV制造流程的公司,包括刻蚀、CVD,PVD,ECD、硅片表面预处理和CMP。应用材料公司的Maydan技术中心具有独特的验证完整工艺流程的能力,能够帮助客户降低风险,加快客户探索进程,确保从研发到量产的顺利过渡。2011年应用材料中国大陆年收入达25亿美元,并荣获SEMI中国颁发的2010年度产业杰出贡献奖。

 此外,应用材料公司在2010年推出全新的 刻蚀系统,主要针对45nm一下存储和逻辑芯片市场;2015年推出高效 系统,实现3D领域原子级别精准制造,宣告了 系统可在10nm级别延伸多重曝光;今年,应用材料公司在刻蚀技术方面取得了全新的突破,推出业内收款极致选择性刻蚀工具 系统。总之,应用材料公司在刻蚀领域一直在进行技术创新并取得了很大的进展。

公司最新推出的极致选择性蚀刻工具Applied Producer® Selectra系统可以在一个多层结构芯片中有选择性地清除某一特定材料而不破坏其他材料,有效突破了刻蚀工艺的关键技术壁垒。

可以看出,应用材料在半导体设备领域发力较早,其刻蚀设备、沉积设备基本都经历了工艺技术的整个发展周期,因此无论在技术积累和经验认识上,应用材料都具有竞争对手不可比拟的优势。而巨额的研发支出也在不断巩固应用材料的领先地位。2015财年14.5亿美元的研发费用,按照设备收入占比大致推算半导体设备研发费用为9.64亿美元(14.5亿美元*66.5%),已经超过了绝大多数半导体设备公司的全年设备业务销售额。这种创新驱动发展模式,不仅需要持续的资金投入和漫长的技术积累,也需要产业早期蓬勃发展所带来的机遇。

随着芯片制造商竞相进入技术拐点,他们将不断增加对创新设备的投资。展望未来,预计2016年对半导体行业将是一个重要的转折点,几乎所有新建产能都将进入10nm/1Xnm时代。随着越来越多的材料被用于生产先进的元器件设计,预计选择性材料沉积和清除等尖端技术由于能在目标区域内有选择地清除或沉积材料,而不会触碰或损坏周围材料,有望在芯片制造中起到举足轻重的作用,最终使创建互联世界成为可能。

 

 


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