被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?

芯东西(公众号:aichip001)
作者 |  
高歌
编辑 |  
Panken

芯东西11月15日报道,近日,美国对半导体供应链各个厂商关键信息的要求期限刚刚截止,台积电、三星电子等晶圆制造商是否会提交敏感信息等引起了全网热议,晶圆厂商数据的重要性也得到了广泛的讨论。

在晶圆厂中,每片晶圆的生产、库存信息都要汇总到MES(Manufacturing Execution System,制造执行系统)中,供操作员、工艺工程师、设备工程师和晶圆厂管理层等晶圆厂工作人员对芯片生产进行查看、管理和调度。简单来说,MES系统就如同晶圆厂的大脑一样。

而在半导体MES领域,绝大部分12英寸晶圆厂系统恰恰被美国科技巨头IBM和美国半导体设备巨头应用材料所垄断。国产MES系统能否突围,打破IBM和应用材料两大巨头的垄断,无疑对国产芯片制造有着重要的意义。

被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?▲企业系统与控制系统集成国际ISA-95标准 (来源:应用材料)

一、上千步工序构成半导体MES壁垒,14nm产线年数据量超140TB

在晶圆厂中,MES系统需要负责从订货到最终芯片成品全过程的生产活动。简单来讲,MES就是晶圆厂生产管理的自动化系统,需要对工厂的实时事件进行反应、报告,并用数据对其进行指导和处理。

根据企业管理层次模型,MES系统是生产活动和管理活动信息沟通的桥梁,强调当前精确的实时数据。

具体来说,工厂产线不同工序线上每种产品的多少、型号、交货时间,产线和加工设备是否在空转、停转,产线上下料情况等都是MES系统需要跟踪和管理的问题。

而在半导体晶圆厂中,一颗芯片需要经过薄膜沉积、光刻胶涂敷、光刻显影、刻蚀、量测、清晰、离子注入等多个环节和工序,在12英寸产线中工序甚至可以达到上千步。因此每颗芯片在生产中的数据都十分庞大,其数据量级也随着制程演进而快速增长。根据应用材料的数据,45nm晶圆厂每年的数据量在50TB左右,而28nm晶圆厂年均数据量可以达到80TB,14nm晶圆厂每年的数据量则为141TB。

被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?▲晶圆制造流程(来源:上扬软件吕凌志)

对于MES系统来说,一方面,晶圆厂投资金额巨大,12英寸晶圆厂所耗费的金额超过百亿元,一旦停机损失巨大,需要整个系统有着非常高的稳定性;另一方面,MES系统也要采用大数据等技术对整个产线进行优化、分析,提升产线效率和良率。

同时,晶圆厂还有着客户数量多、产品类型多变、需要多品种小批量定制生产、自动化程度高等需求。除了技术壁垒高,一套新的MES系统想要被半导体制造厂商接受、信任也需要经过长时间的验证。

二、应用材料并购构建半导体MES王国,IBM系统获格芯、台积电青睐

纵观整个半导体MES系统发展史,Consilium、Promis、Fastech等厂商都曾成为过行业龙头,但是随着半导体周期以及激烈的并购,应用材料和IBM两家巨头最终成为了当前行业中的绝对霸主。

被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?▲世界晶圆厂MES系统发展史(来源:上扬软件吕凌志)

20世纪70年代,美国MES厂商Consilium开发出CAM(计算机辅助制造系统)Comet系统。该系统主要用于计算机数控机械,但是也包括工厂管理和制造控制,需要负责收集生产信息、辅助决策、传播指令和控制信息等。这一阶段的CAM软件已经十分接近MES的理念了。

之后,Consilium开发出第一款实际意义上的半导体MES系统Workstream。凭借低价销售策略,Consilium公司在半导体MES市场上极为成功,在相当长一段时间里都是全球第一大半导体MES供应商,其客户遍布世界各地,英飞凌、英特尔等厂商都采用了其产品。

但好景不长,1995年,由于半导体行业的萧条,Consilium连续六个季度业绩下滑,在1996年和1997年利润均为亏损态势。1998年10月,Consilium公司被应用材料以价值4200万美元的股票交换收购了Consilium。

Consilium被应用材料收购后,其推出了下一代MES FAB300系统,该系统可以支持超过50万个晶圆运行,具备晶圆可追溯性、集群工具模型和工艺控制等新的技术。

在Consilium发行Comet之后,加拿大MES供应商Promis也推出了自家的PROMIS MES产品。1996年,英国晶圆厂Newport Wafer Fab宣布采用PROMIS,其系统订购价超过100万美元;1997年,联电下属的8英寸晶圆厂宣布和Promis达成超过150万美元协议。此时,中国台湾地区排名前五的晶圆代工厂中联电、先进半导体、台积电、茂矽4家都采用了Promis的MES系统。

1998年6月,当时的半导体巨头摩托罗拉也采用Promis产品作为其全球晶圆厂及下一代12英寸晶圆厂整合的基础,进一步推动Promis成为半导体MES领域的龙头。

1999年,Promis被美国自动化系统厂商PRI Automaiton以4800万美元收购;2001年,PRI Automaiton又被Brooks Automation以70亿美元的价格收购。

2007年,应用材料以1.25亿美元收购Brooks Automation下属的事业部Brooks Software,该事业部也包含了此前的Promis。虽然Promis几经转手,但是其MES系统至今仍是全球8英寸晶圆厂选用最多的MES系统。

全球第三大半导体MES系统则是FASTech的FACTORYWork。FASTech成立于1986年,其代表性客户为三星电子和英特尔。1998年,FASTech被Brooks Software收购,之后也随之被应用材料收购。

至此,应用材料已经构建起一个覆盖PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系统的产品线。而除了各大主流MES系统外,作为全球半导体设备龙头,应用材料MES系统和自家设备的强大生态也是其产品竞争力的一部分。

被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?▲应用材料MES系统产品(来源:应用材料)

相比于应用材料的并购扩张,IBM的MES系统则借助了自家晶圆厂和软件研发上的实力。1995年,IBM推出了POSEIDEN系统,1999年又基于POSEIDEN系统发布了SiView系统。

IBM宣称,SiView系统可实现全自动化的单晶圆控制,并处理在同一产线中多批次的产品。此外,SiView系统可以在不影响晶圆厂生产的情况下进行安装,并能够在安装后立即开始运行。

SiView系统发布后,IBM将其用于自己的12英寸产线,之后,SiView系统又被格芯、台积电等厂商所采用。半导体MES两大巨头鼎立的局势基本形成。

三、国产替代推动中国半导体MES厂商发展

与半导体设备产业一样,半导体MES系统也存在着技术壁垒高、验证时间长等特性,使其被应用材料和IBM两大巨头所主导。

但是和半导体设备只影响一个工序不同,同样价值数千万元的MES系统影响的却是价值数十亿乃至百亿晶圆厂的全产线。这也造成了半导体MES行业市场份额极为集中,且行业壁垒极高,新玩家很难进入这一市场。

随着晶圆尺寸从4英寸变为6英寸、8英寸、12英寸,芯片性能和制造要求在不断提升,晶圆厂的自动化水平也在不断提升,从人工产线变为半自动产线、自动产线,MES系统对晶圆厂生产越来越重要。国产MES系统的成长对中国半导体行业有着切实地意义。

上扬软件是成立时间最久的一家国产半导体MES厂商。2000年,曾在新加坡国立制造技术研究院研究MES系统的吕凌志回国创立上扬软件。在他创业的前十五六年里,上扬软件做得都是4、5、6英寸晶圆厂的MES系统。因为不去做4、5、6英寸晶圆厂,就无法获得8英寸晶圆厂的信任;没有拿下8英寸晶圆厂,更谈不上12英寸。

被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?▲上扬软件发展史(来源:上扬软件吕凌志)

尽管上扬软件已经拿下了中芯绍兴的8英寸产线合同,并且其产量在1年内达到5万片/月,是国内冲量产最快的8英寸产线。但在2019-2020年,上扬软件连续三次在国内12英寸产线评估中失败。

虽然失望,但吕凌志也清楚这就是行业的现实:“投资百亿的晶圆厂,如果你为几千万的软件冒险,那是想都不敢想象的。”

被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?▲上扬软件CIM/MES系统方案架构(来源:上扬软件吕凌志)

由于国产替代浪潮,国产半导体MES玩家也迎来了新的发展。

今年5月,上扬软件获得了华为哈勃的战略投资。10月份,上扬软件又完成了由大基金二期领投,中芯聚源、浦东科投等跟投的新一轮数亿元融资。在资金支持下,上扬软件拿下了国内CMOS晶圆代工厂商长光圆辰和存储厂商杭州驰拓的12英寸产线。

除了上扬软件,赛美特、芯享科技、哥瑞利等半导体MES/CIM领域的国产厂商凭借其专业人才、技术实力也在今年完成了新一轮融资。

芯享科技成立于2018年,其首席战略发展官邱崧恒曾主导长江存储和泉芯的CIM系统整合;晶圆事业部技术专家张镇浩则参与过韩国三星电子、SK海力士自动化体系研发。

据报道,在封测领域的TOP10中,芯享科技的客户占比近1/3,其还拥有9家晶圆厂商客户。今年3月,芯享科技获得红杉中国、高瓴资本、华登国际联合领投的近亿元A轮融资。

赛美特于2020年成立,合并了“上海特劢丝”和“固耀SEMI Integration”两家公司,其产品已用于50余座工厂。赛美特总经理闵东植曾任三星SDS常务理事及SK海力士半导体CIM研发负责人。今年5月,赛美特宣布完成5000万元A轮融资。

哥瑞利软件成立于2007年,其专注于半导体领域的智能制造解决方案,研发服务团队超过300人,拥有21项专利和111项软件著作权(含申请中)。在半导体前道领域,其客户有中芯国际等。根据企查查信息,哥瑞利于11月12日获得由招商资本、国新风投深圳领投的3亿元新一轮融资。

在大基金、中芯聚源、华登国际、高瓴资本等各类资金的支持下,上扬软件等老牌玩家获得了更大的支持,芯享科技等新兴玩家也开始浮现,国产半导体MES行业发展正步入快车道。

结语:工业4.0时代来临,MES系统为IC制造关键

工业化4.0时代的到来,无疑也加速了半导体晶圆厂的自动化、无人化进程。在这一趋势下,晶圆厂产线需要支持更多的数据接口,云计算、大数据、人工智能、机器人、物联网等技术将成为重要的组成部分。

对晶圆厂商来说,如何顺应这一趋势,整合各类技术、优化晶圆厂良率、合理分配产线,都离不开先进的MES系统。各类资本的涌入无疑会加快行业的发展速度,起到推动作用。

但从半导体MES行业的发展历史来看,MES系统厂商的整合、并购十分剧烈,厂商发展也受半导体周期影响较大。如何抓住当前行业快速发展的窗口,在行业增速放缓时,做好研发投入和营收的平衡,将会是国产半导体MES厂商需要面对的挑战。

参考信源:《半导体行业MES的研究与应用》何月华、《集成CAM和过程仿真,增强集成电路制造的分析和控制(Integrating CAM and Process Simulation to Enhance the Analysis and Control of IC Fabrication)》Angus Joseph MacDonald、《晶圆厂MES发展历程和实践感悟》吕凌志演讲、应用材料/IBM官网博客、企查查/36氪等融资信息