借第三次產業轉移東風，國內半導體設備企業能否揚帆起航？

歷史上的兩次半導體產業轉移產生了兩批國際巨頭，20 世紀 70 年代，半導體產業從美國轉移到日本，造就了富士通、東芝等世界頂級的半導體企業；20世紀 80 年代中後期，半導體產業轉移向韓國、中國台灣，三星、台積電等企業誕生。

如今，中國已成為半導體產業第三次轉移的核心地區，即將迎來半導體行業黃金髮展期，中國半導體設備行業能否借第三次產業轉移東風，快速崛起？以中微半導體為代表的國內半導體設備企業，成立時間較短，其優質客戶源、品牌等優勢尚未凸顯，目前其技術、產品的真實發展情況是如何的？有何優勢？又能否抓住浪潮，揚帆起航？

為了回答這一系列問題、辨明以中微半導體為代表的國內半導體設備企業所處局勢、看清國內半導體設備領域的成長機會，本次選取半導體龍頭設備廠商之應用材料進行深度探索。本期智芯特刊將從半導體設備賽道的全能選手應用材料入手，從其發展歷程、產品、研發、運作等角度逐層深入，探究應用材料如何在多個細分領域拔得頭籌、攫取全球最大市場占有率。

在此基礎上通過應用材料、拉姆研究兩大國際巨頭與國內龍頭中微半導體的對比，找尋國內半導體設備領域的發展機遇。

國聯萬眾 | 智芯研報

發展歷程：創新鑄就行業引領地位，併購實現「全盤解決」理念

應用材料(Applied Materials，AMAT)成立於 1967 年，於1972 年在納斯達克上市，總部位於加州矽谷的聖克拉拉，據騰訊網報道，公司在 1992 年成為全球最大的半導體設備製造商，並蟬聯這一頭銜至今。公司主要為半導體、太陽能光伏、平板顯示器廠商提供高性能設備及服務，其產品與服務已覆蓋刻蝕、薄膜沉積、快速熱處理、離子注入、測量與檢測、清洗等多個生產步驟；其中沉積設備在全球領先，在刻蝕、清洗、平整化設備、離子注入設備、過程控制設備與自動化裝備市場應用材料也占有一席之地。公司成立至今已有 50 餘年，五十年內公司取得了長足的發展，實現了從小廠商到國際半導體設備領導廠商的跨越，成為了全球半導體設備的領跑變革者。

初創期：堅守創新，奠定基礎（1967—1977）

應用材料成立於 1967 年，由邁克∙麥克內利先生（Mike McNeilly）和其他四位共同創始人一同創立。1968 年，應用材料推出 AMV 800-1200 型立式外延反應器，同年推出的 AMS 2600 氧化矽臥式氣相 CVD 系統僅三年內出貨量就超過 150 台。1971 年，推出 AMC740，是該 行業第一個量產型的輻射加熱外延系統，該系統的外觀設計借鑑了「桶」的形狀，這一創新 設計一直被廣泛沿用至今。1972 年，推出了 2000/ 2001 連續氧化矽反應系統，這一設備將設計理念從「批量處理」上升到「高速生產」，並成為當時市場最流行的款式，同年應用材料在美國納斯達克上市。在創立的第一個十年里，應用材料堅持創新，以堅實的創新科技為日後的發展奠定了基礎。

內生成長期：抓住行業產能轉移機遇，進行全球市場布局（1976—1996）

1970-1990 年代半導體產業經歷了兩次產業轉移，拉姆研究審時度勢、抓住兩次產業轉移的機遇，採取全球化戰略，成功進行了進行全球市場的布局。1970-1980 年代半導體產業由美國向日本轉移，應用材料抓住機遇布局日本市場，1976年，吉姆•摩根成為應用材料執行長，當年即在德、英、法三國分別設立分部。1979 年，應用材料在日本的分公司成立， 1984 年，應用材料率先在日本建立技術中心，領先於其他美國半導體設備生產商，並在北京成立服務中心，成為第一家進入中國的國際半導體設備公司。1990 年代半導體產業從日 本向中國台灣、韓國轉移，應用材料再次瞄準時機進行台灣市場的布局，1989 年，應用材料在台灣設立辦事處，1993 年，應用材料台灣分公司開業，1996 年，應用材料新竹技術中心成立。應用材料迎合半導體產業轉移趨勢，積極拓寬市場空間，市場份額得到迅速擴大。

另一方面，該階段應用材料仍然堅守創新，積極研發新產品。據公司官方微信公眾號介紹，1978 年，應用材料推出 AMS 2100 氧化矽持續反應器；1981 年，AME8100 刻蝕系統的成功使應用材料進軍刻蝕市場；1982 年推出的 AMC 7810/20 標誌著其尖端技術水平達到 1.8 微米；1987 年4 月，Precision 5000 化學氣相沉積系統誕生，這是世界上第一台單晶片多反應腔平台，對整個半導體行業而言代表著一種全新的設計理念，它使應用材料取得了巨大的成功。1994 年，應用材料推出了其業界領先的物理氣相沉系統家族的重要產品：Endura VHP PVD 系統，使總產量提高了近 30%。應用材料通過不斷創新產品，已經走在業內前沿。

外延擴展期：貫徹「全盤解決」理念，外延併購擴充業務範圍（1997—2010）

20 世紀90 年代，應用材料公司開始貫徹「全盤解決」（Total Solutions）的理念，給整個半導體行業帶來變革性影響，半導體企業不再僅僅著眼於銷售系統，而是要致力於解決客戶的問題。由此，半導體設備企業的定位從單純設備供應商轉變為客戶的合作夥伴。在這一時期，應用材料進行了十幾起收購，擴展了系統軟體業、平板顯示、太陽能、晶圓表面處理設備、 先進封裝和存儲器、離子注入系統等業務。

領跑變革期：多款突破性產品，引領半導體行業變革（2011—2019）

通過 40 餘年的持之以恆的研發，應用材料公司已走在時代的前沿，引領行業的變革。2010 年應用材料推出了突破性的產品——Producer Eterna FCVD（可流動化學氣相沉積）系統，能夠用高品質的介電薄膜徹底隔離密集、複雜的電晶體結構。據公司官方微信公眾號介紹，2014 年公司推出的 Endura Volta 化學氣相鈷沉積系統，使得銅互連工藝中可以集成很薄的鈷襯墊層和選擇性生長的鈷覆蓋層，從而將銅互連的可靠性提高了一個數量級。

2015 年，應用材料推出了針對 3D原子級精密製造的 Centris Sym3蝕刻系統，該系統成為公司上量速度最快的產品。2016 年，革命性的 Producer Selectra系統橫空出世，擁有極致的選擇性刻蝕，實現了前所未有的高選擇比性能。2018 年，應用材料通過使用一 種新材料(鈷)作為電晶體接觸和互聯的新導電材料來幫助克服電晶體性能的主要瓶頸，創造行業里程碑。應用材料通過持續設備技術的創新，為下遊客戶的晶片製造帶來一次次變革與 突破，目前應用材料藉助高度複雜的沉積、去除、改性和分析方法，已實現在原子級層面對材料進行處理。

五十年來，應用材料堅守創新、抓住行業產能轉移機遇，積極外延併購，不斷推出新產品， 經歷了初創期、內生成長期、外延併購期後，開始引領全球變革。於 2018 財年其營業收入 達 172.53 億美元，同比增長 19%，凈利潤達 45.69 億美元，同比增長 30%。(營收、凈利潤 為經調整後的數據，Bloomberg)

產品為王：設備涵蓋數十道製造工序，服務貫徹晶片製造全過程

應用材料在材料工程方面擁有廣泛的能力，憑藉著多樣化的技術能力，為客戶提供高性能、 低成本的設備、軟體及服務。其客戶包括半導體晶片、太陽能光伏、液晶和有機發光二極體 (OLED)顯示器等電子設備製造商。其產品與服務已覆蓋刻蝕、薄膜沉積、快速熱處理、離子 注入、測量與檢測、清洗等多個晶片生產步驟。公司分為四大事業部：半導體系統事業部、全球應用服務事業部、面板顯示產品事業部、以及其它產品事業部。

半導體系統事業部負責開發、製造和銷售用於製造半導體晶片的各種製造設備，包括將集成 電路轉移到半導體器件的設備、電晶體互連、計量檢測及封裝等設備。全球應用服務事業部負責包括集成解決方案、用於提升生產效率的優化設備及備件製造、用於服務及再製造的早 期生產設備、以及半導體、顯示器和太陽能產品中的工廠自動化軟體。面板顯示產品事業部負責由製造液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)、電視、智慧型手機等面向消費者的設備，以及加工柔性基板的設備組成。

半導體系統：覆蓋半導體製造的數十種設備，強勁推動營收增長

應用材料的半導體系統部門主要負責開發、製造和銷售用於製造半導體晶片的各種製造設備， 包括製版、電晶體互連、計量檢測以及封裝等設備。據 Bloomberg 統計，其半導體系統部門 在 2018 財年實現 109 億美元的營收，同比增長19%。

應用材料的製版系統和技術解決了當今最先進的半導體器件所面臨的製版尺寸縮小和垂直 疊加複雜性增加所帶來的挑戰；其電晶體互連技術，使三維電晶體的設備規模不斷擴大；其計量檢測的成像能力和算法採用光學和電子束技術，以滿足自對準雙和四模式、極端紫外線 層、測量密集型最佳鄰近度校正、新的 3D 架構等先進的技術需求；其封裝技術解決了由於多個集成電路晶片在一個封裝中日益集成而帶來的挑戰；應用材料提供了先進的能力，使芯 片製造商能夠建立準確的統計過程控制，提高生產運行速度，並實現一貫的高產量，其新設備銷售主要面向全球領先的集成設備製造商和鑄造廠。

應用材料的半導體系統板塊是公司主要的收入來源，其產品線基本涵蓋了半導體製造的數十 種設備，包括原子層沉積（ALD）、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、刻蝕、 離子注入、快速熱處理（RTP）、化學機械拋光（CMP）、測量和晶圓檢測設備等。

半導體系統的客戶高度集中，2018財年6個大客戶共占半導體系統板塊總營收的76%左右。 在 2018 財年，內存客戶、代工客戶的支出較前一年有所下降，但動態隨機存取內存(DRAM) 和 NAND 的需求有所增加，邏輯客戶的支出也保持強勁。客戶不斷在新產能和技術轉型方面進行投資，拉動應用材料的半導體系統整體收入同比增長。

從營收和營業利潤來看，近三年逐年增長，2018 財年應用材料半導體系統的營業收入同比增長近 15%，主要原因是內存和邏輯客戶支出增加；該板塊營業利潤也同比增長近15%， 主要是由於產品結構發生了有利變化。

從銷售區域來看，韓國和台灣是其半導體系統收入的主要來源地，近三年共占據半導體系統營收的 49%、59%、42%，兩地營收占比在 2018 財年出現縮減。

顯示器及相關產品：多重需求推動產品銷量，中國成為該板塊創收主動力

顯示器及相關產品包括液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)，以及適用於電視、顯示器、筆記本電腦、個人電腦、電子平板電腦、智慧型手機等顯示技術產品和柔性基片的加工設備。半導體和顯示器製造中使用的技術存在相似性，但最顯著的區別是基板的尺寸和組成，用於製造顯示面板和其他設備的基材通常是玻璃，但新材料也正在進入市場。顯示器及相關產品的增長主要取決於消費者對越來越大、越來越先進的電視和移動設備的高解析度顯示器的需求，以及包括薄顯示器、輕顯示器和曲面顯示器在內的新形式因素，以及虛擬現實等新 應用。

應用材料的 eBeam Review系統擁有卓越的缺陷識別、缺陷根源鑑定能力，並且擁有業內最高解析度和吞吐量。在應用材料的 eBeam Review (EBR)系統引入之前，對顯示器進行 SEM 分析需要將玻璃基板打碎，然後在顯微鏡下分別檢查每一塊。這不僅費錢費時，而且幾乎不 可能將缺陷行為與最終設備性能連接起來。應用材料通過提供業內最高解析度和吞吐量的內聯 SEM 審查系統，解決了這些限制，而不需要打破面板。

從營收和營業利潤來看，顯示器及相關產品板塊三年均呈現增長趨勢，2018 財年該板塊的營業收入同比增長近 31%，主要原因是客戶在電視顯示器製造設備上的投資增加；該板塊營 業利潤同比增長達 35%，反映出其產品結構較好。

從銷售區域來看，中國、韓國對其顯示器板塊收入的貢獻率較大， 2016-2018 年中國、韓國共占據顯示器板塊營收的 78%、90%、88%，其中2018 財年中國市場成為了應用材料顯示器板塊創收的主戰場，80%的顯示器板塊營收。

全球服務：迅速安裝+延長壽命+預測性維護，八大服務提供高產品價值

應用材料全球服務（AGS）部門提供綜合解決方案，以優化設備和工廠性能和生產力，包括備件、升級、服務、再製造的早期設備和半導體、顯示器和其他產品的工廠自動化軟體。客 戶對產品和服務的需求是通過全球分銷系統來滿足的，該系統覆蓋十幾個國家的93個地點， 擁有訓練有素的服務工程師，為超過 4 萬個已安裝的應用半導體、顯示器和其他製造商提供支持。

應用材料提供一系列靈活的服務解決方案，以提高設備的正常運行時間和工廠效率，使晶圓廠能夠專注於晶片生產，並降低每塊晶圓的生產成本。應用材料全面的服務能力組合旨在幫助客戶實現他們的製造目標，從啟動到工廠擴建，從試點生產線到大規模生產，AGS 有服務計劃，以確保工具和工廠運行在最佳性能。

在半導體工廠建立、運行的四個階段， AGS 推出了八大服務：應用性能服務、應用管理服務、應用標準服務、預防性維護、按需服務、工廠轉換服務、技術支持服務和 FABVANTAGE 諮詢服務。

應用材料依託 50 多年的行業經驗，從晶片製造廠的角度出發，提供以下維度的標準服務，涵蓋對設備的性能、工廠的管理、工廠的遷移、工具的維修等板塊。這些服務標誌著應用材料從晶片製造廠的供應商到廠商的合作夥伴的轉型。

除此之外，應用材料的 AGS 部門還推出技術支持服務（TECHNOLOGY ENABLED SERVICES）和 FABVANTAGE諮詢服務。TechEdge 服務是集成的、先進的服務解決方 案，旨在以更低的成本獲得更高的設備性能、更好的工具可用性和更高的收益率。通過將高度可定製的傳統支持服務與先進的技術相結合——軟體、傳感器和控制機制——TechEdge結合技術專家和前沿服務技術，幫助客戶發現問題並開發長期解決方案，這些技術支持能力 為應用服務提供了一個新的維度。FabVantage 諮詢公司利用 Applied 深厚的技術根基和經 驗豐富的工廠專家團隊，與全球客戶合作，了解和評估困難的生產力問題，然後指導策略來優化工具和流程——幫助客戶交付具有較高良品率和產量的競爭性產品。

應用全球服務的服務解決方案需求是由應用龐大且不斷增長的製造系統安裝基礎驅動的，客戶需要縮短斜坡時間、提高設備性能和產量、優化工廠產量和運營成本。影響 AGS 零部件和服務銷售的行業狀況，主要表現為半導體製造商晶圓啟動量的增加和持續強勁的利用率、 設備安裝基礎的增長、新工具的服務強度的增長以及公司銷售更全面服務協議的能力。

從營收和營業利潤來看，2018 財年全球服務板塊均實現了增長，2018 財年應用材料全球服務板塊的營業收入同比增長近 24%；營業利潤也同比增長近 35%。

研發為核：從材料到服務，應用材料以創新驅動AI 時代

應用材料通過創新，引領半導體行業材料、技術、服務的變革。在材料上，應用材料研發出 一系列使用鈷作為導體製造電晶體接觸孔和互聯的產品，這是 20 多年來電晶體供電金屬線的第一次變革；在存儲技術上，應用材料開發出適用於物聯網和雲計算的 PVD 系統，實現 了快速、非易失性、低功耗、高密度等特徵。在服務上，應用材料提供高級功能監視和微調流程以提高性能，並幫助客戶轉向更具預測性的操作，並提供一項新的缺陷減少服務，提供了一種專門的方法、流程專業知識、數據分析技術和診斷儀器，可以簡化根本原因的識別。

材料工程方案：研發鈷材料領跑變革，顯著降低電阻及變異性

計算機時代由摩爾定律所代表，依賴於少數材料以及通過光刻實現幾何尺寸縮小，從而提升晶片性能、功耗、尺寸及成本（PPAC）。到了移動時代，原來的材料達到物理極限，探索出 一些新型材料，例如從平面電晶體轉變到 FinFETs 來促進 PPAC 縮放。對於人工智慧時代而 言，PPAC 優化需要更多新型的其它材料。尺寸縮小後，介面層在材料特徵中的占比也越來越大，而在原子級層面設計材料成為需求的核心，同時也是重要挑戰。新型材料需求的關鍵之處在於接觸孔和本地互聯，目前業界使用的材料多為鎢和銅。

過去，把少量易於集成的材料根據摩爾定律來微縮加工就可以改善晶片性能、功耗和面積/ 成本（PPAC）。而如今，鎢和銅之類的材料已無法在 10nm代工節點以下進行微縮，因為它們的電學性能已達到電晶體通孔和本地互連的物理限制，這成為無法發揮 FinFET 電晶體全 部性能的主要瓶頸。應用材料在創新材料工程方面的突破性進展就是研發出一系列使用鈷作為導體製造電晶體接觸孔和互聯的產品，這是20多年來電晶體供電的金屬線的第一次變革， 上一次變革是在 1997 年開始用銅做互聯。

據公司官方微信披露，公司採用鈷電晶體做接觸孔會顯著降低電阻和變異性，通過更低的功耗實現更多的電晶體固有性能，鈷接觸孔電阻低於 87%，變異性從超過 10 歐姆（標準化） 降至約 0.06 歐姆，進而導致成品率損失降低。

雖然鈷突破了這一限制，但工藝系統上需要進行策略的改變。隨著業界將器件結構微縮到極限尺寸，材料的性能表現會有所不同，因而必須在原子層面系統地進行工程，通常需要在真空環境下進行。為了能夠在電晶體接觸和互聯使用鈷作為新的導電材料，應用材料已在 Endura平台上整合了多個材料工程步驟：預清潔、PVD、ALD 以及 CVD。

此外，應用材料還推出了一套集成的鈷套件，其中包括 Producer平台上的退火技術、 Reflexion LK Prime CMP 平台上的平坦化技術、PROVision平台上的電子束檢測技術。憑藉這項經過驗證的集成材料解決方案，客戶可以縮短其產品投放市場的時間，並提高 7 納米製程及以下的晶片性能。

新型內存技術：大數據+物聯網+雲計算驅動，產品創新引領行業

當今行業路線圖的根本驅動力是數據的飛速增長。據Cisco、 Intel、 Western Digital 聯合出版的文章統計，到 2022 年，需要處理、存儲和傳輸的數據將超過 10 兆位元組，其中大約 90%是由計算機生成的。根據估測，2018年全球產生的數據量大約有2.5ZB， 2019年有4.5ZB，2023 年將達到>35ZB，這給晶片帶來性能、功耗和成本方面的挑戰，當前的計算架構是不可持續的。實現新的人工智慧和物聯網應用所要求的計算性能和效率的提高，是半導體行業面臨的最大的技術挑戰，其中最關鍵的是新的內存技術需求。

為了提高內存和計算的功耗和性能效率，目前業界正在研究多種策略，包括針對邊緣和存儲 應用程式優化的內存、新的片上系統(SoC)封裝方案、使用 TSVs 的3D 封裝和內存計算，但沒有一種新的內存類型能夠滿足新興數據生成應用程式的所有不同需求。從新興內存的範圍 來看，MRAM、PCRAM 和 ReRAM 正在向成熟的市場應用水平邁進，其中 MRAM 主要用 於邊緣計算和物聯網，PCRAM 主要用於雲計算，但新存儲在提高性能的同時也提高了能源消耗。

對於 MRAM，主要的挑戰是存儲堆棧的沉積，這通常是用 PVD 技術完成的。要在 30 多個 極薄的層中沉積 10 多種不同的材料，需要原子水平的精度和控制、無損傷蝕刻和封裝。與 MRAM 一樣，PCRAM 也是通過新材料實現的，需要在 PVD 和蝕刻技術上進行創新，由於 PCRAM 材料是由三種不同的元素組合而成的，較為複雜，對厚度均勻性要求較高，擁有允許成分調整和最小損傷的過程旋鈕，對於材料如何改變相位極為重要。

同時，這給半導體儲存器的製造帶來了挑戰。譬如 DRAM 需要30+層疊加超薄薄膜(厚度為 人類頭髮的50 萬分之一)，僅僅一個原子的一小部分的高度變化就能影響性能和耐力； PCRAM 和 ReRAM 要求對雜質和降解高度敏感的復合材料、精確的厚度和成分均勻性，並面臨著難以控制的粗糙度和介面質量。

Endura Clover MRAM PVD System，助力物聯網存儲

計算機行業正在將物聯網，將傳感器、計算和通信整合到數百億台設備中，這些設備將監控 環境、做出決策，並向雲數據中心發送關鍵信息。磁隨機存取存儲器(MRAM)是存儲物聯網設備軟體和人工智慧算法的首選存儲器。

MRAM 包含了硬碟驅動器中常見的精密磁性材料。MRAM 本質上是快速的，而且非易失性， 允許軟體和數據被保留，即使在斷電的情況下。由於其快速的性能和高的持久性，MRAM 最 終可能被用作 SRAM 在3 級高速緩存中的替代品。MRAM 可以集成到物聯網晶片設計的後端互連層中，從而實現更小的模具尺寸和更低的成本。

應用材料的新 EnduraCloverMRAM PVD 平台由 9 個獨特的晶圓加工室組成，全部集成 在原始的高真空條件下。這是工業上第一個 300 毫米的 MRAM 系統，用於大批量生產，每個腔室可單獨存放多達五種不同的材料。MRAM 記憶需要精確地沉積至少 30 層不同的材料， 其中一些材料的厚度是人類頭髮的 50 萬倍。僅原子直徑一小部分的工藝變化就能極大地影響器件的性能和可靠性。EnduraClover MRAM PVD 平台包括車載測量和監測 MRAM 層厚度的靈敏度，以確保原子水平的均勻性，而沒有風險暴露在外部環境。

Applied Endura Impulse PVD System，助力雲計算存儲

隨著數據生成呈指數級增長，雲數據中心需要在連接伺服器和存儲系統的數據通路的速度和功耗方面進行數量級的改進。電阻 RAM (ReRAM)和 PCRAM(phase change RAM)是快速、 非易失性、低功耗、高密度的內存，可以作為「存儲類內存」來填補伺服器 DRAM 和存儲之間不斷擴大的價格性能差距。

與 3D NAND 內存類似，ReRAM和 PCRAM 採用 3D 結構，內存廠商可以通過在每一代產品中增加更多的層來穩定降低存儲成本。ReRAM 和 PCRAM 還提供了編程和電阻率的中間階段的可能性，允許在每個存儲單元中存儲多個比特的數據。與 DRAM 相比，ReRAM和 PCRAM 都承諾顯著的降低成本，並且具有比 NAND 和硬碟驅動器更快的讀取性能。ReRAM 也是未來內存計算體系結構的一個主要候選，通過將計算元素集成到內存陣列中，幫助克服 與 AI 計算相關的數據移動瓶頸。

Endura ImpulsePVD平台用於PCRAM和ReRAM，包括多達9個集成在真空下的工藝室，以及車載計量系統，可以精確地沉積和控制這些新興內存中使用的多組分材料。

服務模型進化：獨創缺陷減小方法，FabVantage實現多維價值

領先的半導體晶圓廠需要越來越複雜的服務支持技術來製造複雜的新架構，如 FinFET 和 3D NAND 結構。這些設計包括新的精密材料、更多的工藝步驟、更窄的工藝窗口和更多的交互變量。然而，傳統晶圓廠也面臨著新的壓力，需要生產更廣泛的設備，例如模擬晶片和電源 晶片、圖像傳感器和 MEMS，以支持增強移動性、物聯網(IoT)和提高汽車安全標準等。要滿 足這些設備的性能和產量目標，需要最先進的服務技術、具有深厚工具知識的先進服務專業 知識，以及供應商和客戶之間前所未有的協作和信任。

越來越多的晶圓廠經理依賴先進的技術來檢測、分類、診斷、控制和預測各種可能影響晶圓生產結果的故障模式，同時也會影響成本和生產率。應用材料提供高級功能監視和微調流程以提高性能，並幫助客戶轉向更具預測性的操作。這些技術支持的過程控制可能包括數據挖 掘分析、主動故障檢測和分類(FDC)、運行到運行控制和統計過程控制技術。

這些監測系統產生了大量與過程和設備相關的數據，這就需要複雜的分析和數據挖掘軟體來 快速提取數據並將其轉化為可操作的信息。這種實用的智能可以縮短開發時間，減少過程變化，以獲得更高的產量和診斷的根源，為準確的糾正措施。通過將這些真實的「洪水」數據轉化為有用的信息，可以確定數據之間的關鍵相關性，並將半導體製造業推向更具預測性的分析。這種方法最大限度地減少了針對特定的、跟蹤的問題的計劃外工具停機時間;節約成本， 提高生產效率。

隨著設備變得更小、更密集，以及集成電路的複雜性增加，減少缺陷變得更具挑戰性，同時 仍對晶片製造商的競爭力至關重要。鑄造、內存和邏輯晶圓廠需要一種方法、技能和專門的工具來有效地降低缺陷級別，同時最小化對生產的破壞。應用材料 FabVantage諮詢團隊 的一項新的缺陷減少服務提供了一種專門的方法、流程專業知識、數據分析技術和診斷儀器，可以簡化根本原因的識別。

減少生產晶圓片上的缺陷數量對晶圓廠的生產率和競爭力至關重要。實現所需的個位數缺陷計數在 14 納米技術節點和下面，製造商必須採取結構化方法根源檢測和校正，利用缺陷知識庫，廣泛的設備設計和工藝的專業知識，和證明著名的方法(bkm),除了先進的計量、檢驗 和分析。另外，許多因素都有影響減少缺陷的效果，包括硬體配臵和部件清潔度、工藝順序 和參數設臵、操作和維護程序、校準以及系統軟體。

FabVantage諮詢服務可以有效地改善基線性能,減少缺陷失控(OOC)事件,縮短 PM 從綠色到綠色的時間，並延長平均清洗間隔時間(MTBC)。

應用材料 FabVantage 諮詢團隊已經開發並成功演示了一種減少缺陷的方法，該方法採用結構化方法，能夠快速地對糾正措施進行執行。然後，客戶可以選擇讓團隊繼續監視生產工具，以保持改進的性能水平。這種減少缺陷的方法通過減少停機時間和提高 fab 成品率和產量來 加快生產進度。

根據公司官網，FabVantage 還可以實現的價值有：實施了約束工具的改進，生產商 PECVD 工具的正常運行時間增加了 20%；產量增加了 5%；EPI 工具的產量增加了 25%；DPS 蝕刻 的產量增加了 5%；反射銅CME 的產量增加了 5%；fab 的循環時間增加了 5%；收益率與缺陷改進在探測技術和能力增加 20%；收益率在新技術增加 33%等等。

運作為翼：內精服務內容，外拓併購版圖，打造全新供應鏈關係

應用材料服務供應鏈的變革是在 21 世紀半導體產業變革的背景下發生的。處於領先地位的邏輯和內存公司繼續在巨大的壓力下運營大型晶圓廠，以提高生產率和最大限度地利用投資資產。然而，令許多人感到意外的是，傳統晶片廠的持續增長，它們正全力擠出越來越多的電力設備、傳感器、模擬集成電路、離散體和其他用於物聯網、通信、汽車、電力等市場的組件。隨著這些技術和上市時間壓力的不斷升級，應用材料及其客戶形成了戰略合作夥伴關係，以解決更具挑戰性的問題，從而在公司和許多客戶之間達成了長期的服務協議。

過去四年來，應用材料的服務業務以兩位數的復合年增長率增長，越來越多的客戶開始轉向服務合同，據官網披露，其中超過公司服務業務收入的一半來自長期協議訂閱收入。服務契約允許應用於全球範圍內與客戶合作，以主動管理他們的正常運行時間需求。這些服務合同的一個關鍵原則是零部件的快速周轉，能夠在數小時內而不是數天或數周內將零部件送到客戶手中。合同提供了一個更穩定的規劃環境，使公司能夠推動更有效的庫存水平。

遠程技術支持：遠程訪問和深度學習幫助構建預測維護功能

隨著摩爾定律(Moore's Law)得到延伸，半導體行業變得更加全球化、資本密集度更高、競爭力更強，晶圓廠的關注點已超越設備，包括服務技術方面的重大進步，以提高半導體晶圓廠的效率。從開發到生產，隨著設備規格越來越嚴格， AGS 提供的技術支持服務可以幫助客戶在半導體工廠生命周期的每一步實現重要的產量、產量和成本改進。

這些服務是在 4 個支柱上創建的：表面技術，如先進的清洗和塗料解決方案；一個龐大且不斷壯大的專家網絡，為各種解決方案提供專業技能和經驗；高級分析和傳感器建模等數字工 具，使現場服務工程師能夠更有效地解決客戶問題；量身定製的供應鏈，旨在滿足客戶的獨特需求，精簡全球業務，提供高效、低成本的解決方案。

應用材料的專有數字工具、算法和模型是專門針對其工具定製的，可以將原始數據轉換為可 操作的分析，以幫助減少啟動時間、增加晶圓產量、減少晶圓報廢和提高產量——同時保護 客戶數據。多變量故障檢測等分析被證明能夠改善薄片內部的性能。AGS 的多變量室內健康指數(CHI)實時遠程監測，設備健康監測(EHM)跟蹤詳細硬體活動的傳感器。

密西根大學機械工程系應用材料顧問、副研究員詹姆斯莫恩(James Moyne)說，深度學習是應用於發現問題和提高產量的許多技術之一。在半導體工廠中，預測計量、預測維護(PdM) 以及來自工具上更多傳感器的更多數據都必須被協調到一個知識收集網絡中。對於相對簡單的事情，比如預測單個部件需要提前多久更換，PdM 技術已經被證明是有效的，只要有足夠 好的數據來開發足夠的模型。

應用材料集成預測和預防操作的服務為 TechEdge 服務。通過將高度可定製的傳統支持服務與先進的技術相結合——軟體、傳感器和控制機制——TechEdge 結合技術專家和前沿服務技術，幫助客戶發現問題並開發長期解決方案，這些技術支持能力為應用服務提供了一個新的維度。

TechEdge 偏移控制是一種增值選項，通過提供更主動的「預測和預防」方法來補充現有的 服務。它可以作為一個選項出售給具有 Appliec 託管服務(AMS)或應用性能服務(APS)的客戶， 以幫助交付不屬於這些標準服務產品權限的額外工具性能。它使用 FDC 模型庫專有技術來增加預測維護能力，並為已確定的合同承諾增加價值。

TechEdge 偏移控制記錄了為客戶提供非常具體的改進措施的價值案例。在一年的合同期內交付的一些好處例子包括：對於每年在 12 個工具上報廢 100 片晶圓的故障模式，報廢晶圓的數量減少了 80%。故障模式的非計劃停機時間(UDT)減少 100%，導致 12 個工具的非計劃 停機時間為 477 小時。故障模式的非計劃停機時間(UDT)減少了 100%，導致 12 個工具的非 計劃停機時間為 237 小時。

供應鏈解決方案：頭部重建+工具包+預測零件，升級供應鏈管理

每個客戶都面臨著獨特的挑戰，應用材料提供一系列的供應鏈服務，以保持工具和晶圓廠在 最佳性能運行。從事務性備件到提供專家重建和預測部件管理的全面計劃，公司充分優化的全球部件網絡支持當今和未來半導體和顯示器製造的額外複雜性。為了迎接挑戰，應用全球 服務(AGS)已經極大地改變了其服務供應鏈最大的、最複雜的半導體設備行業，實施新的信息技術，擴大其服務的分銷網絡。

應用材料擁有4 萬多件正在生產的工具，其中許多是根據服務協議生產的。為了支持這一點， AGS 每周從該公司的全球庫存點發出超過 3 萬份訂單。為了服務供應鏈的演進，AGS 建立 了一個完整的工具安裝基礎資料庫，包括每個工具的高度詳細的物料清單(BOM)，並試圖描述每個部件的故障率。在此基礎上，創建了一個統計模型來定義每個位臵所需的部件。一個一流的客戶關係管理(CRM)工具被集成到這個過程中，為計劃團隊提供一個反饋循環。

Head Smart 是一個集清洗、部件更換、重新組裝和測試於一體的 CMP 頭部重建服務。Head Smart 確保為 CMP 頭提供最高質量的重構，從而獲得更好的工具性能。

應用材料的全面工具包管理(TKM)計劃降低了成本，優化了工具包和清潔物流。該計劃提供了一套定製的認證備件，提供一流的清洗和塗層服務，以降低總擁有成本(CoO)。

為了提高對部件需求的可視性，應用材料最近提供的一個產品是預測部件管理(FPM)模型。在該模型中，客戶與 AGS 的管理人員一起開發給定時期所需的部件和數量的預測。

併購整合：多次戰略性收購拓寬產品組成，鞏固霸主地位

從 1967到 1996 年的 30 年中，公司只有一次和核心業務相關的收購，即 1980 年收購英國 Lintott Engineering, Ltd.，進入離子注入市場；並於 1985 年發布第一台全自動離子注入機 Precision Implant 9000。1992 年應用材料超越東電電子（TEL）成為全球最大的半導體設 備製造商，並蟬聯這一頭銜至今。在公司成為市場龍頭後，加快了併購的步伐。從 1997 年 至 2007 年，公司發生 14 起併購，主要為了進入新市場和完善產品組成。

1997 年為了進入集成電路生產過程監測和控制設備市場，應用材料先後分別以 1.75 億美元 和 1.1 億美元收購兩家以色列公司 Opal Technologies 和 Orbot Instruments，Opal 開發和製造高速計量系統用於半導體製造商在生產集成電路過程中來驗證關鍵尺寸;Opal 的主要產品是集成電路製造時用以驗證臨界尺寸的高速計量系統（CD-SEM），而 Orbot 主要提供成品 率提高系統，該系統通過在半導體生產過程中對圖形化矽晶圓進行監測來提高成品率。 1998 年，應用材料為完善自己的生產線收購了 Consilium 公司通過其 MES 系統提高生產效率， 推動軟體技術與設備作業系統相結合。1999 年，收購Obsidian，獲得化學機械研磨（CMP， chemical mechanical planarization）技術，幫助應用材料推出新的產品線；收購 Applied Komatsu Technology，拓展平板顯示製造業務。

2000 年，為了進入光罩生產市場和薄膜電晶體陣列測試領域，以換股併購的方式、發行約 2900 萬股收購了 EtecSystems 公司，EtecSystems 占據著當時全球掩膜板製造設備 80% 的市場份額。2001 年，應用材料以2100 萬美元收購以色列雷射清洗技術的半導體晶片的供應商 Oramir 半導體設備有限公司；並收購 Schlumberger，增加電子束檢測能力。2003 年， 收購在線監測公司 Boxer Cross，加強開發集成解決方案。 2004 年，收購提供專業的原料 管理、廠房清潔、專業設備和廠房維護等服務的Metron Technology N.V.，推動應用材料成 為半導體最大服務公司。2005 收購 SCP Global Technologies 的濕法工藝和矽片清洗部門， 幫助應用材料鞏固濕法設備領先地位。2006 年，通過收購薄膜沉積設備供應商 Applied Films 公司，成功進入太陽能電池和相關設備市場，產品線得到大舉擴充； 2007 年，瑞士的 HCT 整形系統公司，成為生產太陽能和半導體晶片的晶片鋸切工具的專家；收購了半導體和平板顯示行業工廠管理和控制軟體的領先供應商 Brooks Software，大幅擴展了晶圓廠範圍的軟體解決方案。

從 2008 年至2018 年，公司併購速度放緩，2013 年試圖併購東京電子失敗後，2019 年成功 併購同行國際電氣。根據芯思想研究院（ChipInsights）的數據表明，2018 年應用材料的市 占率為 17%，國際電氣（KE）的市占率為1.8%，收購完成後，應用材料的市占率將上升到 19%。比第二名的 ASML 高出 4 個百分點，繼續穩固應用材料全球最大的半導體設備製造商的地位。

2008年1 月，公司收購義大利一家生產太陽能電池所用的工具設計公司 Baccini，成功開拓 義大利市場，並擴大自身在太陽能面板製造設備市場的影響力。2009年，公司耗資約 3.64 億 美元收購 Semitoollnc.(Kalispell，Mont.)，以增強公司在兩大快速增長市場的地位：晶圓 級封裝（WLP)和存儲器產業向銅互連工藝的轉變。2011 年 5 月，公司以 50 億美元的價格 收購了半導體製造商 Varian Semiconductor Equipment Associates(簡稱 Varian )，這項收購 交易不僅可以讓應用材料重新回到電離子移植設備市場，應用材料還從這項交易中獲得生產 太陽能電池板和發光二極體的技術。2016 年，公司收購 DRMSim 公司，拓展軟體功能。2019 年，公司收購國際電氣（KE），加強應用材料在單晶圓處理系統上的領導地位。

2019 年 7 月 1 日，應用材料宣布將以 22 億美元現金收購國際電氣（KE）的所有流通股。 國際電氣是一家提供高生產力的內存批處理系統和服務的領先公司。它的鑄造業務和邏輯客 戶補充了應用軟體在單晶圓加工系統中的領導地位。國際電氣在日本和亞洲擁有強大的客戶關係、世界級的供應鏈和製造能力，以及一支優秀的員工隊伍。交易完成後，國賽電氣將作 為應用半導體產品集團的一個業務部門運營，並繼續將總部設在東京，在日本富山和韓國天安建有技術和製造中心。

設立新研究中心：集合學術和創業環境，合作迎接摩爾定律挑戰

應用材料通過位於矽谷的 Maydan 技術中心和新建的 META 中心提高研發能力，通過風險投資部門 Applied Ventures 投資核心市場與新興領域中的創業公司，並與大學、研究機構、業 界同行等建立合作關係，以迎接摩爾定律縮放的挑戰。

1. META研發中心：矚目新材料和結構的突破，支持多領域創業企業

應用材料於2018年6月宣布成立材料工程技術推動中心(Materials EngineeringTechnology Accelerator, META 中心)，這是公司研發能力的一次重大擴展。面臨日益嚴峻的傳統摩爾定律的挑戰，該中心繼續為公司及其客戶提供新的驅動創新方法。

META 數據中心的主要目標是加快客戶獲得新的晶片製造材料和工藝技術，從而在半導體性能、功率、成本方面實現突破，新中心是對 Maydan 技術中心的拓展和補充。META數據中 心是一個獨特的研發設施，主要是為材料創新和加快相關的工藝技術。通過該設施，應用材 料正在解決晶片製造商和生態系統合作夥伴日益增長的需求，以獲得一個領先的開發環境，重點是在新材料和結構方面實現突破。

在 META 中心培育的協作涉及不同的領域。例如正在進行的新材料非易失性記憶技術的研發工作，以及為人工智慧開發一種模仿人類大腦工作方式的新型電子開關。應用材料將為元數 據中心提供一套全面的最先進的工藝系統，以及將材料工程創新引入先進設備所需的配套系統，以及系統的數據收集和分析。該中心還將支持人工智慧、增強和虛擬現實(AR/VR)、先 進光學、大數據、生命科學、自動駕駛汽車等領域的初創企業和新興技術公司。

META 數據中心是應用軟體全球研發環境的戰略性補充。它將配備一套廣泛的應用最先進的工藝系統，以及新晶片材料和結構所需的互補技術，以在客戶現場進行大規模生產的試點。 該中心將通過提供一個固定的流程來幫助高級流程開發，在該流程中，項目可以反覆運行，不僅關注性能和可靠性數據，還關注可製造性。

應用材料的目標是在紐約北部的成熟產業和新興產業中投資有前景的初創企業。META 數據中心的材料工程能力可以解決半導體以外的行業的挑戰和驅動路線圖。另外，應用材料將得 到應用程式的風險投資部門 AppliedVentures, LLC 和紐約州經濟發展組織 Empire State Development 之間的一項新的聯合投資計劃的進一步支持。

2. Applied Ventures：投資新興的差異化、有價值、可持續的技術

Applied Ventures, LLC 是應用材料的風險投資部門。AppliedVentures 關注全球相關服務行 業的最新創新，關注業務發展和探索性融資機會。感興趣的領域和機會不斷增長，包括新工 藝、材料和設備的想法和產品，這些都將受益於應用材料在精密材料工程方面的優勢。Applied Ventures 正在尋找新的機會，以幫助解決迫在眉睫和關鍵的材料工程挑戰，不僅是對半導體 和顯示器行業，而且對許多進入這些領域的鄰近市場。這些包括設備、材料甚至設備和過程供應商在清潔能源、照明、能源儲存和其他市場。

自 2005 年成立到2015 年，Applied Ventures 共向 60 多家公司投資超過2 億美元，其中一 些公司進行了首次公開募股或收購。至 2019 年，已在13 個國家投資了 75 多家公司。雖然 技術趨勢在這段時間內發生了變化，但立 Applied Ventures 的投資戰略仍然保持不變——繼續積極尋求財務和戰略機遇，採用引人注目的差異化、有價值和可持續的技術。Applied Ventures 希望在半導體和顯示器等核心市場，以及在生物科學和機器人等其他行業的新應用 領域，能夠提升或補充應用材料在材料工程方面的專業知識。

財務為證：緊跟半導體產業發展趨勢，2018 財年營收高達 172.53 億美元

應用材料的營業收入總體呈上升趨勢，經歷了五次上升期與三次回落期，其變化趨勢與全球 半導體市場規模變化趨勢保持高度一致。其營收可以分為五個階段，緩慢上升期（1987-1994）， 應用材料的營業收入從 0.17 億美元增長到 1994 財年的 16.6 億美元。接著經歷了三個上升 與回落期（1995-2013） ，該段期間應用材料的營收體量已經相當可觀了，在 2000 財年應用材料的營收就已經達到 95 億美元，這比其他半導體設備廠商早了十餘年。新一輪增長期 （2013-2018），應用材跟隨半導體市場的增長之勢，進入新一輪的增長期，到2018 財年其營業收入到達 172.53 億美元，遠超拉姆研究（110.77 億美元）等半導體廠商，同比增長率達 19%。

應用材料的凈利潤與營收變動趨勢基本一致，也經歷了五次上升期與三次回落期，值得注意的是凈利潤在 2017 財年實現了跨越性增長，其環比增長率高達 98%，2017 財年其凈利潤 到達 35.25 億美元，到 2018財年其凈利潤到達 45.69 億美元，同比增長率達 30%。

應用材料的毛利率一直較為穩定，圍繞 45%上下小幅度波動，2018 財年毛利率達 46%;凈利率較為不穩定，在10%-20%之間波動， 2018 財年創下 26%的歷史新高。

從營收的構成情況來看，半導體設備銷售是主要來源，近六成的營收來源於半導體設備的銷售，近一成的營收來自於顯示器及周邊市場，來自於全球應用服務部的收入占比維持在 20%-25%左右。

對比為鏡：從路線實施到產品布局，三大國內外巨頭有何異同？

從成立時間來看，應用材料成立最早（1967 年），在半導體行業的起源時期成立，其次是拉姆研究（1980 年），成立於半導體行業第一產業轉移期，二者占據優質客戶源、品牌等先發 優勢，享受全球高市占率紅利。中微半導體則是成立於第三次產業轉移時期（2004），成立時間較短，其優質客戶源、品牌等優勢尚未凸顯，但是其處於半導體行業向中國大陸進行轉移的黃金期，對中微半導體而言是一次契機。

從路線圖來看，應用材料、拉姆研究均經歷了從自主創新路線過度到自主創新+外延併購雙路線，區別在於應用材料的集中併購開始時間（1997）比拉姆研究（2006）早了近十年。而中微半導體尚處於自主研發初期，尚未進行外延併購。

從產品線來看，應用材料和拉姆研究不斷致力於擴展公司的產品鏈條。目前來看，應用材料 已經基本打通半導體製造設備的產品線（除光刻設備等），其設備覆蓋刻蝕、薄膜沉積、快速熱處理、離子注入、測量與檢測、清洗、封裝等眾多生產步驟，其產品鏈條是三者中最長 的。而拉姆研究的產品鏈條也較長，目前已能夠提供刻蝕、薄膜沉積、計量檢測、清洗設備。中微半導體的產品鏈條則較短，主要提供刻蝕、薄膜沉積兩種設備。

從業務模式來看，應用材料和拉姆研究正向「全盤解決」的模式轉型，應用材料和拉姆研究 在積極併購方案解決廠商、軟體廠商等，致力於形成為客戶提供設備+服務的雙業務模式， 為客戶帶來更高的價值。未來半導體設備的競爭不僅是設備技術本身的競爭，而是企業提供 整體解決方案能力的競爭，半導體設備的整體解決方案的能力將成為未來競爭和盈利的一個很重要增長點。2007 年應用材料就已經收購 Brooks Software獲取其管理和控制軟體，向「整 體解決」進軍， 2017 年拉姆研究則收購仿真軟體和建模解決方案廠商 Coventor 邁向整體解決之路，提升自身競爭力。

從營業收入來看，中微半導體 2016-2018 財年營收分別為 0.86、1.37、2.31 億美元，與拉姆研究 90 年代初期、應用材料 80 年代末期的營收規模相近。從凈利潤來看，拉姆研究在 90 年代初期凈利潤時正時負，與目前的中微半導體的情況類似，而應用材料 80 年代末凈利潤就已經持續為正，因此目前中微公司的盈利能力，與拉姆研究 90 年代初期的情況較為接 近。從成立時間來看，到 90 年代初期，拉姆研究成立十年左右 ，到 2018 年，中微半導體 也成立十年左右，因此以中微半導體和拉姆研究從各自成立的時間為起點來計算，目前中微公司的發展情況與拉姆研究歷史同期接近。

從公司整體利潤率來看，中微半導體的毛利率已與應用材料、拉姆研究差距較小，而在凈利 率上差距較大。中微半導體的凈利率非常低，2016-2018 財年凈利率分別為-39%、3%、6%, 而應用材料、拉姆研究在2018 年毛利率均為 26%，比中微半導體高出了近 20個百分點。

從刻蝕設備細分領域上看，應用材料和拉姆研究的刻蝕產品涉及矽刻蝕、介質刻蝕、金屬刻 蝕的全部細分領域，中微半導體主要涉及介質刻蝕、矽通孔刻蝕領域。

從刻蝕設備的技術上看，應用材料提供主流的 ICP 和最前沿的 ALE 設備，拉姆研究同樣提 供主流的 DRIE 設備和最前沿的 ALE 設備，中微半導體則只提供了主流的 ICP、CCP 刻蝕設備。在主流的高密度等離子刻蝕設備上，中微半導體已處於較高水平，其 ICP、CCP 刻 蝕設備與拉姆研究的 DRIE 刻蝕設備效果相當，但在最前沿的 ALE 技術上，中微半導體尚 未涉足。從刻蝕設備的製程節點上，中微半導體已步入第一梯隊，其刻蝕產品在 65 納米到7 納米上已實現產業化，部分 7 納米、5 納米刻蝕應用正在進行客戶端驗證；拉姆研究的 7、5 納米刻蝕設備均已經量產並成為2018 年的營收主力軍，其正在進軍 3 納米，應用材料的刻 蝕設備也已經可幫助客戶實現 3 納米節點。

中微半導體成立時間較晚、產品線較短、毛利率與應用材料和拉姆研究差距較大；在刻蝕設 備的細分領域上，中微半導體的產品覆蓋領域較少，主要涉及介質刻蝕、矽通孔刻蝕領域，而應用材料和拉姆研究的刻蝕產品涉及矽刻蝕、介質刻蝕、金屬刻蝕的全部細分領域；在刻 蝕設備的技術上，中微半導體在主流的高密度等離子刻蝕設備上與其他兩家水平相近，但是在最尖端的 ALE 技術上尚處於落後階段。但目前我國正在承接第三次半導體產業轉移，將 迎來半導體發展的黃金十年，另外新一代智慧型手機、物聯網、人工智慧、5G 等行業正在崛 起，應用市場需求龐大；同時國內政府以多項文件、專項計劃大力支持，又通過大基金進行 資本投入，使得中微半導體兼具產業轉移、政策優勢，有望快速崛起。

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