KLA的半導體檢測帝國
By Vince Liu
9 OCT 2021
講到半導體設備，很難不提到全球排名第五的檢測設備大廠KLA。現今最複雜的半導體製程已經超過1000道製程以上，而為了做到有效的製程控制，精準量測是其根本。不過，當半導體開始發展且製程沒有那麼複雜時，檢測的市場並不大，KLA的規模和現在相去甚遠。而KLA是如何從小眾的光罩檢測設備商，成為現在橫跨不同領域的半導體設備巨擘呢？
KLA是一家什麼樣的公司？
KLA在半導體，和其他延伸領域，比如說PCB或平面顯示器領域提供檢測設備及分析軟體，在各領域檢測設備的平均市佔達到五成以上。在半導體製程越來越複雜的情況下，KLA協助客戶做關鍵或是困難的製程量測，幫助客戶能夠加快解決製程問題的速度進而加速量產時程且維持高良率。
半導體有五大製程（黃光、蝕刻、擴散、薄膜、化學機械研磨），而一顆晶片可能會需要經過百道甚至超過一千道工序（製程)。因為這麼多道製程的關係，每一道製程的誤差累積下來可能會讓最終的良率近乎為0，所以我們會發現，檢測的重要程度越來越高，半導體廠必須讓每一道製程的品質都得到控制，才能確保最後的良率。
而KLA的優勢就在於他們能夠提供各種不同製程的量測方案甚至是串連各站不同製程的資料進行分析，幫助客戶有效進行製程的監控甚至是提前做好控制。而KLA能夠提供這麼完整產品線的原因是因為其從第一個光罩檢測產品開始，漸漸的延伸其檢測產品線，所以時至今日KLA在半導體檢測能夠提供各種不同量測並串連客戶資料的方式，幫助客戶更深入的解決製程問題。
圖1. KLA的主要產品及服務（Source: KLA）
而KLA的發展歷程跟一般專注單一製程的設備商不太一樣（像ASML就是比較專注深耕一個製程領域的設備商），KLA非常擅長策略併購延伸產品線。從1997年KLA和Tencor合併之後，KLA又再策略性的併購了27家額外的公司，使其在不同市場都有有非常完整的Metrology和Inspection的產品線，打造了其技術和市場上又寬又深的護城河。
圖2. KLA的策略併購歷程（Source: KLA）
KLA的策略併購
「KLA策略併購成功的關鍵其實是在於其優化並且輸出運營模式 (Operating Model) 的能力。」
靠著持續優化運營模式，策略性的選擇市場進行併購且輸出運營模式同時獲得互補技術的正循環，KLA持續的擴張其市場版圖並維持高毛利。在初期，KLA靠好的市場定位以及優異產品研發的能力獲得市場領導地位，運用這樣的能力取得市場領導地位以及高額利潤後，輸出其運營模式來優化被併購的公司。而輸出運營模式的關鍵在於對於其運營模式做良好的知識管理及經驗轉移，而其有下列好處：
優化被併購公司的毛利（透過良好的運營經驗轉移）
靠著其商業經驗優化被併購方的Revenue Model，如優化原本的Revenue模式變成現金流較穩定型的訂閱制Revenue模式
整合銷售渠道和供應商綜效
利用KLA品牌優勢定價，提高毛利
圖3. KLA的策略併購飛輪（Source: KLA）
而KLA也可以策略性的取得和其公司互補的技術，透過互補公司的併購，KLA可以進軍新的高成長的市場，並且和原有的技術一起打造更有優勢的產品組合。KLA就一直靠著這樣的模式一邊輸出運營模式一邊整合技術進入新的市場，逐年擴張至現在的規模並且維持超高的毛利（一直維持在60%左右，遠高於半導體產業平均的40%左右）。
不過，這個策略核心中的核心還是KLA能夠策略定位自己，找出高潛力市場，並且做出高差異化產品的能力，這也是能夠長期保持超高毛利的關鍵。
圖4. KLA的版圖擴張（Source: KLA）
主要版圖及產品組合
圖5. KLA的主要市場，以財務季度2021年Q4（2021年6月底發佈）為例（Source: KLA）
主要版圖：策略性的進入高成長潛力市場
KLA主要有三大市場，半導體檢測及製程控制、特別半導體製程和PCB / 面板及零組件檢測這三個領域，以下分別說明：
半導體檢測及製程控制（CAGR: 6-7% until 2023）：
這是KLA最早發跡的市場，從光罩檢測設備開始，延伸到晶圓檢測、薄膜檢測及製程分析控制軟體。KLA的產品組合專注在有價值的差異化，且能多種產品互相配合幫助客戶達到管理製程的目的。而其實在這幾年大數據分析領域展現出其價值的情況下，KLA的製程分析軟體也變得重要起來。(產品細節在底下講產品組合部分會有更多詳細說明）
特殊半導體製程（CAGR: 13% until 2023）：
KLA發展了真空沈積及蝕刻等製程機台，提供一些特特殊半導體製程客戶像是MEMS、RF、LED…...等等的客戶所使用。值得注意的是，KLA在這個領域就不是只提供檢測機台了，而是嘗試著提供製造機台給客戶。
圖6. KLA的特殊半導體製程市場（Source: KLA）
PCB / 面板（FPD）及零組件檢測（CAGR: 7% for PCB, 4% for FPD until 2023）：
這個市場為KLA在2019透過併購以色列的Orbotech所取得的領域，其實不管是PCB或是面板，其製程都跟半導體有相似之處，而且這個市場在未來和特殊半導體製程一起會在不管是車用電子或是先進封裝都有很好的成長潛力。
圖7. KLA的在車用市場的佈局（Source: KLA）
產品組合：策略性的產品組合來滿足半導體製程複雜需求
KLA長期投入產品研發創新，研發資本支出均高於業界平均，這讓其產品組合居於業界領先地位。而就產品來說，因為KLA的產品組合非常多，所以我們會以半導體製造領域來當作例子。KLA主要提供先進檢測產品，和搭配的良率分析軟體和服務，幫助客戶能夠更快速的找出製程需要改善之處，降低研發和導入風險。具體來說，KLA在半導體領域提供的產品組合非常廣泛，從圖8 中我們可以看到，KLA提供了各種不同的檢測機台，如：
Mask Metrology / Inspection
Overlay / Thin Film Metrology
Optical Pattern Wafer Inspection
Unpatterned Wafer Inspection
Micro Defect Inspection
應有盡有，在半導體製程精密度和複雜度都大幅度提升的現在，KLA在不同製程能夠提供很足夠的檢測solutioin。另外，再搭配分析軟體（Control Software），能夠萃取出量測資料裡的Insights，幫助客戶做到更好的製程控制。
具體來說，KLA能夠運用不同的科技和產品在R&D phase (研發階段) 還有HVM phase(量產階段) 幫助客戶：
R&D phase：在新製程研發的過程中，可能會需要更先進的檢測能力，找出製程問題並進行分析。KLA在這個階段會跟客戶一起合作，開發新的檢測技術加快客戶解決製程問題的速度。
HVM phase (量產階段)：在這個階段客戶需要監控製程變異，確保良率穩定以及製程問題能被快速解決。KLA會幫助客戶優化製程監控能力並改善整廠量產效能
而其實KLA也積極地去瞭解主要的製程技術，像EUV、材料演進等，使其檢測及分析能夠幫助客戶改善最後的製程控制結果，而不單止停留在檢測和分析的階段。
圖8. KLA的半導體製程產品線（Source: KLA）
結論：以製程控制為技術核心，搭配成熟的運營模式輸出擴張
半導體製造極為複雜，其實一般人很難想像。想想看，要在一平方毫米(mm^2)下塞入1億顆電晶體是多複雜的工程。而就目前先進半導體廠的自動化程度和使用資料的能力，半導體製造可以算是在智慧製造領域做得最頂尖的行業。而KLA在檢測設備的成長過程，也證明了檢測在要求高精度/複雜的製造領域的需求＆重要性。
而我認為從KLA的故事中，有一些重點是我們可以學習的：
從技術角度來看：長期打磨製程控制技術
1. 半導體智慧製造需要三大支柱整合來達成目標 - 量測、分析、控制：
要達成像半導體製造這樣高難度的量產其實有三大關鍵：量測、分析及控制，三者缺一不可。而從KLA的產品組合中，可以發現KLA一直是以最後製程控制結果作為目的來設計產品的。從高精密度的檢測做為開始，搭配能夠深度分析的軟體，為的是能夠建議客戶好的製程控制參數和幫助客戶改善製程。如果不是以最後的製程控制為出發點來設計檢測產品，可能會開發出對不符合客戶需求的檢測機台。因此，完成量測->分析->製程控制的閉環，才是半導體智慧製造的目的。
2. AI是智慧製造中的一塊拼圖，並不是目的：
從第一點可以看得出來，其實達成製程控制目標才是智慧製造的目的。其實現在國內在討論智慧製造大部分都以AI為核心議題，但都忽略了AI需要人來定義需要的資料/檢測inputs才能發揮最大效用，而AI的分析應該是以建議如何達成更好的製程控制為目的。當有辦法串連檢測、AI分析及製程控制，AI才有辦法發揮其最大價值。
從商業/管理角度來看：輸出運營模式＋策略性併購
3. KLA創造半導體檢測帝國的關鍵：打造並輸出頂尖運營模式
從KLA的故事可以看出，在1997年KLA和Tencor合併其互補的產品線後，KLA的視野提升了一個檔次。之後KLA便以累積的經驗和優化的運營模式（Operating Model）輸出對被併購企業進行商業優化，也策略性的取得關鍵技術和高成長市場。雖然這故事看起來簡單，但要達到成功的併購其實是一件非常難的事情，而能夠成功的輸出運營模式其實是需要對於知識管理、實務操作的管理、人才及文化的管理都做到高水準才有辦法辦到。另外，這也是因為檢測市場的本質跟單一製程技術的市場不一樣，不同製程會有不同公司平行研發不同檢測技術而讓併購變得適合KLA的策略。
而總結來看，我們發現KLA的成功其實不是單點，而是由很多層次疊加起來的。在其發展過程中，從定位、技術到商業都建構出其優勢，再層層疊加起來，才變成我們現在看到的半導體檢測帝國。
謝謝閱讀，這次嘗試從技術和商業的角度一起進行分析，希望從不同的角度都能帶給讀者一些啟發。