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11年挑战美国巨头!国产5nm芯片刻蚀龙头,三年扭亏将登陆科创板


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科创板挂牌启幕,我们对科创板上市申请中有故事有亮点的芯片半导体企业进行一系列深度报道。此前,我们已报道过澜起科技(净利润暴涨221倍,两次创业成功,澜起科技冲击科创板芯片第一股)。

7月2日,中微半导体科创板IPO注册获证监会通过。

面对全球半导体市场强手如云,这是我国极少数能与国际顶尖半导体设备公司在技术上分庭抗礼,还不断扩大市占率的公司。

当芯片制造巨头们在先进芯片制程工艺的研发上一路狂奔,刚开启7nm的商战,又敲响5nm的战鼓,像中微半导体这样的半导体设备公司是极为重要的幕后功臣。

中微半导体以高端刻蚀机为专长,早在28nm工艺时代就已与全球晶圆代工第一大厂台积电合作,一直延续至10nm、7nm制程,成为唯一打入台积电7nm制程生产线的大陆本土刻蚀设备商。

另据去年年底的消息,中微半导体自研的5nm等离子刻蚀机即将挺进台积电5nm制程生产线。

中微半导体同样也是联电、中芯国际等晶圆代工大厂的重要合作伙伴。

而在辉煌成绩的背后,中微半导体曾经历过漫长的苦旅。

先是回国路上被美国拦截,创业初期连被两大国际半导体刻蚀设备巨头提起专利诉讼,近年在MOCVD领域异军突起后,又与MOCVD国际巨头陷入新的专利纠纷。

而面对国际巨头挑起的连连纷争,中微半导体每每令人意外地从容,在迄今为止的每一场专利官司,它还没有败下阵过。

如今,中微半导体凭借极其深厚的技术功底,逐渐走到新的历史节点。

美国施压,美企叫板

创立早期5年,中微半导体过得相当坎坷。

尹志尧于1944年在北京出生,就读于北京四中,1962年考入科大化学物理系,1968年被分配到兰州炼油厂。1980年获北大化学系硕士学位,赴美国加州大学洛杉矶分校攻读物理化学博士。

▲中微半导体创始人、董事长及总经理尹志尧博士

2004年,尹志尧60岁,此时的他,已经是半导体设备领域久经沙场的行业老兵,从业时长接近30年,曾在常年霸占全球半导体设备前三甲的泛林半导体和美国应用材料公司身居高位。

此时,心里那颗想要回国的种子,终于冒出了萌芽。

2004年,尹志尧带着30多人的优秀团队,返回中国,但回国之路远比想象更加艰辛——美国出手了。

人走可以,东西必须留下,美国安全部门将其600多万个文件和电脑资料全部没收。

没有工艺配方,没有设计图纸,尹志尧与团队回到祖国时,两手空空如也,一切从零开始。

就在这样的背景下,2004年5月31日,中微半导体在上海成立,深耕刻蚀机领域。

而这只是磨难的开端。

刚成立的中微半导体,遇到了集成电路工艺正从铝导线转移向铜导线的时间节点,金属刻蚀的需求逐渐萎缩,中微意识到介质刻蚀设备将成为未来的主流,于是以此为突破口投入大量研发。

这是一场不对称的竞争,中微起步之时,全球半导体设备已经被三大寡头割据超过90%的市场。

可即便如此,国际巨头们并没有对中微半导体的起势掉以轻心。

2007-2009年期间,正值中微半导体研发12英寸芯片刻蚀机,准备进入国际一流芯片生产线时,两家国际巨头芯片设备公司先后找上门来,起诉中微半导体专利侵权。

首先发难的是尹志尧的老东家——美国应用材料公司,起诉中微半导体侵权后,应用材料却始终拿不出有力的证据。

中微半导体适时反诉对方不正当竞争,令应用材料措手不及,最终撤诉求和。

2009年,另一巨头美国科林研发突然发难,在台湾起诉中微侵犯其发明专利。

科林研发比应用材料更加难缠,它先后多次在台湾向中微半导体提起专利诉讼,屡败屡战,屡战屡败。

有了前车之鉴的中微半导体未雨绸缪,已经做了大量知识产权预警分析和排查工作,面对科林研发的挑事更加游刃有余。

在科林研发第一次发起诉讼时,中微半导体仅用不到1个月的时间,就决定“以攻为守”,提交大量证据主张科林的两项专利无效。

2017年3月,中微半导体在诉科林研发侵犯商业秘密案一审判决中取胜,法院判科林赔偿中微90万元人民币。

然而风暴还未停息,2017年11月初,美国MOCVD设备巨头宣布,美国纽约东区地方法院同意了一项初步禁令请求,禁止SGL出售采用Veeco专利技术的MOCVD使用的晶圆承载器(即石墨盘),包括专为中国MOCVD设备商中微半导体设计的石墨盘。

Veeco此举针对的正是中微半导体。

中微半导体做了两手准备,一边积极发展第二、第三渠道供应商,另一边,同年7月在福建高院起诉Veeco上海专利侵权。12月,中微半导体胜诉。

长达11年的专利纠纷,最终以中微半导体的大获全胜告一段落。

2018年3月,在去年3月央视《中央财经报道》栏目中,尹志尧面带微笑,眉眼含着热情,看起来还像是四五十岁的样子:“我们给外国人做嫁衣,已经做了很多遍事情了,那我们应该给自己祖国的人民,做一些贡献。”

专利超950件,打破技术垄断

中微半导体在专利拉锯战中的不败战绩,与其长期雄厚的技术实力密不可分。

中微向科创板提交的招股书显示,截至到2019年2月28日,中微半导体已申请1201项专利,获得951项专利授权,其中发明专利800项。

仅是创始人尹志尧,就已经是89项美国专利和200多项其他海内外专利的主要发明人。

根据中国半导体行业协会披露的《2017年半导体十大名单》显示,中微半导体入围“2017年中国半导体设备五强企业”,名列第三。

中微半导体首席专家、副总裁倪图强博士说过,刻蚀机曾是一些发达国家出口管制产品。

而在2015年,美国商务部称,因为在中国已有一个非美国的设备公司做出了和美国设备公司有相同质量和相当数量的等离子体刻蚀机,所以取消了对中国的刻蚀机的出口管制。

2016年,两家大陆半导体设备商获得国家集成电路产业基金(大基金)投资,其中是上海微电子设备(SMEE),另一家便是中微半导体。

中微半导体拿到大基金4.8亿元投资,成为中国芯片制造领域的国家队。

根据招股书,中微半导体研发的高端刻蚀设备已在国际知名客户最先进的生产线上,用于7nm器件中若干关键步骤的加工。

另外,中微半导体已经在研发5nm及更先进的刻蚀设备和工艺。

在3D NAND芯片制造环节,公司的电容性等离子体刻蚀设备技术可应用于64层的量产,同时公司根据存储器厂商的需求正在开发96层及更先进的刻蚀设备和工艺。

其MOCVD设备能实现单腔14片4英寸和单腔34片4英寸外延片加工能力。

尤其是Prismo A7设备,技术实力突出, 已在全球氮化镓基 LED MOCVD 市场中占据主导地位。

中微半导体正在开发更大尺寸 MOCVD 设备,他们正在研发的MOCVD设备也覆盖了紫外光LED、Mini LED市场。

去年,全球领先的半导体行业市场研究机构美国VLSI Research,发布2018年度客户满意度调查排行。

中微半导体在芯片制造设备专业型供应商中排名第二,在全球晶圆制造设备供应商中排名第三,在专用芯片制造供应商中排名第四。

这是自1988年VLSI启动客户满意度调查以来,迄今为止第一个上榜的中国本土装备供应商。

在去年VLSI的全球评比中,中微公司董事长尹志尧博士与英特尔董事长、格罗方德 CEO 一起被评为 2018 年国际半导体产业十大领军明星(All Stars)。

两大主营业务营收与研发投入

中微半导体主营两大业务,一是半导体业内熟知的刻蚀设备,二是发展十分迅猛的MOVCD设备,另外也销售少量VOC设备。

在2016年,中微半导体的营收大头还是刻蚀设备,占了总营收的77.11%,而MOCVD设备仅占总营收的2.55%。

到2017年,中微的营收占比已经大变天,MOCVD设备跃居第一大营收来源,占比超过一半,而刻蚀设备退居近30%。

2018年,MOCVD设备继续稳居一位,刻蚀设备占比略有增加。

中微半导体的营收占比变化其实令人稍感意外,根据SEMI的数据,全球半导体刻蚀设备从2011年就开始持续增长。

而中微半导体在2017年的刻蚀设备营收以及营收占比都在下滑,不过2018年刻蚀设备的营收又有所回涨。

在报告期内,中微半导体的总资产规模分别为10.79亿元、22.76亿元、35.33亿元。由此可见该公司的资产规模与营收规模均快速增长。

2016-2018年期间,中微半导体投入累计研发投入达到10.37亿元,占营业收入的比重平均为 32%。

在这三年间,该公司归属于母公司股东的净利润也由由负转正。

对于中微半导体而言,这样的年增长率和研发占比已经算高了,但相比2017年年研发经费就超过10亿美元的应用材料和泛林研发,中微半导体还有很大的进步空间。

不过,在营收连年增长的同时,中微半导体也在面临着依赖几家头部客户的风险。

招股书报告期内,中微半导体每年前五名客户包括台积电、中芯国际、海力士、华力微电子、联华电子、长江存储、三安光电、华灿光电、乾照光电、璨扬光电等,以及前述客户同一控制下的关联企业。

2016年至2018年,中微半导体向前五名客户合计销售额占当期销售总额的比例分别为85.74%、74.52%和60.55%。

虽然占比逐年降低,也不存在向单个客户销售比例超过公司当年销售总额50%或严重依赖少数客户的情况,但总体对前五名客户的依赖较为严重。

从人才梯队来看,除了创始人尹志尧外,中微半导体组建资深的技术专家阵容,杜志游博士、倪图强博士、麦仕义博士、杨伟先生、李天笑先生等160多位各专业领域的专家。

其中很多是在国际半导体设备产业耕耘数十年,为行业发展做杰出贡献的资深技术和管理专家。

中微半导体2016、2017、2018年底的在职员工人数分别为497人、574人、653人。

而在中微半导体2018年的653名在职员工中,240人为研发人员,占比36.75%;141名为工程技术人员,占比21.59%;121名为管理人员,占比18.53%。这三类员工占总员工数量的76.77%。

从人才比例来看,大学本科学历员工最多,占47.47%,硕士和博士分别占26.19%和7.35%。

光刻机/MOVCD背后的市场格局

中微半导体主营的半导体设备,是半导体芯片制造的基石,亦是半导体行业的基础和核心。

半导体设备属于半导体产业链的上游核心环节,根据业内“一代设备,一代工艺,一代产品”的经验,半导体产品制造要超前电子系统开发新一代工艺,半导体设备又要超前半导体产品制造开发新一代产品。

1、中国建厂潮催生巨大半导体设备市场

目前,全球半导体设备市场主要由国外厂商主导,呈现高度垄断的竞争格局,前五大半导体设备制造商因起步较早,占据了全球半导体设备市场65%的市场份额。

其中,阿斯麦(ASML)在光刻机设备领域形成寡头垄断,应用材料、东京电子和泛林半导体是提供等离子体刻蚀和薄膜沉积等工艺设备的三强,科天半导体是检测设备的龙头。

2018年,全球半导体设备销售额达621亿美元,从需求量来看,半导体设备在中国效率达128亿美元,约占全球半导体设备市场的21%,排名仅次于韩国。

不过,国产半导体设备的销售额并不乐观,预计为109亿元,自给率仅为5%,在全球市场市场1-2%。

由于中国对半导体器件产品的需求持续旺盛,市场规模持续扩张,带动全球产能中心逐步向大陆转移,大陆正涌现晶圆厂建厂热潮,这为半导体设备行业提供了巨大的市场空间。

据SEMI统计数据,中国预计2019年成为全球最大的半导体设备市场,这有望促进中国半导体产业专业人才的培养及配套行业的发展。

2、刻蚀设备:美日巨头割据

晶圆制造设备的市场规模占比超过集成电路(IC)设备整体市场规模的 80%。

刻蚀、光刻、薄膜沉积是IC前道生产工艺中最重要的三类晶圆制造设备。

随着芯片制造工艺的进步,晶圆制造向7纳米、5纳米以及更先进的工艺发展。

由于关键的浸没式光刻机受波长限制,14nm及以下逻辑器件微观结构的加工,将通过等离子体刻蚀和薄膜沉积的工艺组合——多重模板效应来实现。

这使得相关设备的加工步骤增多, 刻蚀设备和薄膜沉积设备有望正成为更关键且投资占比最高的设备。

刻蚀设备领域行业集中度较高,泛林半导体独占半壁江山,前三大公司在2017年占据该领域总市场份额的94%。

中微招股书显示,中微半导体在国内刻蚀设备市场中有突出市场竞争力。

近期两家国内知名存储芯片制造企业采购的刻蚀设备台数订单份额情况如下:

半导体设备产业经过数十年的发展,寡头竞争的局面相对稳定,半导体技术的不断突破带来应用迭代,催生了互联网、智能手机、人工智能、物联网等新兴产业。

而这些新兴产业的蓬勃发展,将释放出大量芯片制造的需求,将进一步推动上游半导体 设备行业的稳步增长。

3、MOCVD:打破垄断

LED外延片的制备是LED芯片生产的重要步骤,主要通过MOCVD单种设备实现。

MOCVD设备作为LED制造中最重要的设备,其采购金额一般占 LED 生产线总投入的一半以上, 因此 MOCVD 设备的数量成为衡量 LED 制造商产能的直观指标。

近年,MOVCD设备需求量快速增长。根据 LED inside 统计,中国已成全球 MOCVD 设备最大的需求市场,MOCVD 设备保有量占全球比例已超 40%。

2017年以前,MOCVD设备主要由维易科和爱思强两家国际厂商垄断。后来,中微半导体的MOCVD设备逐步打破了这些垄断,在全球氮化镓基LED MOCVD设备市场占据主导地位(来源:IHS Markit)。

中微半导体自主研发的MOCVD设备已被三安光电、华灿光电、乾照光电等多家一流LED 制造厂商大批量采购。

在光电子LED产业中,以LED新型显示为代表的新兴产业逐渐成为热点,有望成为继LED照明产业后MOCVD应用产业发展最迅速的版块之一。

未来LED行业逐步形成LED照明和LED新型显示双轮驱动的发展模式,为MOCVD设备行业提供了增量空间。

募资10亿元扩产高端半导体设备

中微半导体于2004年5月19日成立,截至招股书说明书签署日,中微半导体前两大股东是上海创投(20.02%)和巽鑫投资( 19.39%),创始人尹志尧持股1.29%。

另外,中微半导体还有少部分的高通持股,只不过比例不高,仅为1.14%。

2018年,公司向现任董事、监事、高级管理人员及核心技术人员支付的薪酬总数为1849.09万元,占公司总利润的17.76%。

招股书中写道,中微半导体拟发行53,486,224股,募资10亿元。

这些募集资金将被用于可以巩固和加强公司行业地位的项目,包括高端半导体设备扩产升级项目、技术研发中心建设升级项目和补充流动资金。

结语:国产IC设备前程似海,道阻且长

无论是在强手如林的半导体设备沙场中异军突起,还是在国际巨头的专利围剿中从容应对,中微半导体15年每一次跨越逆境和每一次研发突破,无不在印证自主创新、手握核心技术和建立严密知识产权保护体系的重要价值。

除了中微半导体外,还有很多国产半导体设备厂商在一些国际领先的技术上取得突破,而随着这些国产化厂商的努力,以及日益增大的中国半导体市场需求的助攻下,中国队有望在国际市场中赢得更多的份额。

进步值得庆贺,但差距仍然明显。国产半导体设备厂商在市占率、研发投入等方面都难以与全球三大半导体设备巨头抗衡。这也意味着改变市场格局的道路依然艰辛,依赖头部客户、高端人才匮乏等问题都是技术突破、产品创新与市场拓展的阻力。

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