对模拟、MEMS 和射频芯片的需求不断增长,将会继续导致 200mm 晶圆厂产能和设备严重短缺,并且没有任何缓和的迹象。
 
目前,200mm 晶圆厂产能紧张,预计 2018 年下半年的情况类似,并可能持续到 2019 年。事实上,2018 年可能是连续第三年 200mm 晶圆厂产能紧张的情况。 200mm 设备也是如此。
 
虽然需求状况似乎是该行业的一个亮点,但这种情况令许多客户在几方面感到焦虑。200mm 的市场并不涉及 300mm 晶圆厂生产的前沿芯片,而是在成熟的节点上使用 200mm 晶圆厂制造大量器件。这些产品包括消费类器件、通信 IC 和传感器。
 
在 200mm 上,有一些复杂的变数。如下所述:
 
• IDM 和无晶圆厂设计公司希望能够满足 200mm 晶圆厂生产芯片的需求。然而,供应商是否能够满足所有需求尚不清楚,因为全球 200mm 晶圆厂产能在现在和未来都将保持紧张。 
 
• 作为回应,GlobalFoundries、三星、中芯国际、TowerJazz、台积电,联电等都争相增加 200mm 产能。与此同时,新的代工厂商 SkyWater Technology 也加入了 200mm 的竞争。
 
• 即使拥有 200mm 的产能,行业仍然陷于困境,因为无法在市场上找到足够的 200mm 晶圆厂设备。
 
• 其次,一些芯片制造商无法获得足够的 200mm 产能或设备,于是开始从长计议他们建设新 200mm 工厂的计划。相反,他们可能会建造 300mm 工厂。
 
对各方来说,这是一种复杂、焦虑的局面。联电业务管理副总裁 Walter Ng 表示:“我们看到,200mm 仍然供不应求。要找到任何额外的产能是非常具有挑战性的。这曾经是一个周期性的事情。现在,由于 200mm 被充分分配,它已经成为新的规范。我们和业内其他人士认为,这是前进的方向。这不是特殊情况,而是全行业的情况。”
 
令人惊讶的是,至少到 2030 年左右,200mm 晶圆厂预计仍然可行。和以前一样,我们面临的挑战是采购 200mm 设备,而这些设备仍然供不应求。
 
事实上,200mm 的设备需求一段时间以来一直保持强劲,尽管一些人认为在 2018 年下半年会略有停顿,因为芯片制造商已经对他们的 200mm 晶圆厂计划进行了权衡。地缘政治问题也是一个因素。Semico Research 制造总经理 Joanne Itow 表示:“200mm 的产能仍然很紧张。有趣的是,对 200mm 二手设备的需求已经减少了一些。”
 
200mm 晶圆厂的繁荣
IC 市场分为几个部分。在行业前沿,芯片制造商正在以 16nm/ 14nm 和 300mm 晶圆厂生产芯片。在 300mm 晶圆厂,芯片制造商也在 16nm/14nm 以上的细分市场生产芯片。
 
300mm 的两个细分市场都在扩大。Semico Research 分析师 Adrienne Downey 表示:“除了代工厂增加的逻辑芯片产能之外,韩国和中国还增加了大量 300mm 产能用于存储器生产。”
 
但并非所有芯片都需要高级节点。模拟、MEMS、射频等都是在 200mm 和更小的晶圆上生产的。然而,对于许多这类器件来说,200mm 是最佳选择。
 
第一座 200mm 晶圆厂出现于 1990 年,晶圆尺寸成为多年的标准。随着时间的推移,当芯片制造商在 21 世纪初开始迁移到更先进的 300mm 晶圆厂时,200mm 应该会缩小。到 2007 年,200mm 达到顶峰,市场开始下滑。
 
图 1:晶圆尺寸来源的相对差异 (来源:ICE)
 
然而,2015 年末,行业看到了对 200mm 晶圆厂芯片的意外需求。这使 IC 供应链不堪重负,2016 年和 2017 年造成了 200mm 晶圆厂产能的短缺。进入 2018 年,200mm 产能仍然紧张,看不到缓和的迹象。
 
尽管如此,对 200mm 的需求已经让业界大吃一惊,并迫使芯片制造商和晶圆厂工具供应商更加重视该技术。例如,代工厂采用新的改进工艺增加了 200mm 的产能。然后,几家晶圆厂工具供应商开始构建新的 200mm 设备。
 
SEMI 的分析师 Christian Gregor Dieseldorff 认为,总体上 200mm 晶圆厂数量预计将从 2016 年的 188 个增加到 2021 年的 202 个。这个数字包括 IDM 和代工厂。
 
图 2:200mm 晶圆厂数量的增长。 (来源:SEMI)
 
大部分新的 200mm 晶圆厂都是中国建造的。Dieseldorff 表示:“我们目前正在关注在中国建设的四座 200mm 晶圆厂。用于代工、功率芯片和 MEMS。还有两座已经公布(用于 MEMS 和功率芯片)。我们预计这些晶圆厂的建设将在今年年底以及明年年底前开始。”
 
一座典型的 200mm 晶圆厂每月产生大约 40,000 个晶圆。这些工厂在各种节点上生产晶圆,范围从 6um 到 65nm 不等。联电的 Ng 表示:“180nm / 130nm / 110nm 有很多动作,这取决于特定的应用。RF,特别是 RF SOI,正在推动大量的产能增长。功率芯片也包括在内。还有像 BCD 这样的东西。”
 
在 200mm,应用正在激增。Applied Materials 公司 200mm 设备产品部战略和技术营销总监 Mike Rosa 表示:“我们看到了扩大的应用空间,例如电动汽车和 ADAS,还有不断添加新功能的智能手机。”
 
据 Rosa 说,在对这些器件的需求中,200mm 晶圆厂的利用率在 90%上下,有些报告为 100%。
 
据 Semico 公司的 Itow 称,2017 年,200mm 晶圆的需求增长了 9.2%。Itow 表示:“模拟器件、分立器件、微控制器、光电子和传感器都对 200mm 晶圆产能的需求增加起了推动作用。”
 
2018 年,市场在一定程度上降温。Itow 表示:“2018 年 200mm 晶圆需求将恢复到 4.2%增长的历史水准。”
 
图 3:2018 年 200mm 晶圆需求(按产品类别划分)(来源:Semico Research)
 
降温的原因之一是晶圆厂产能紧张,制造商无法扩张。另外,即使器件制造商想要扩张,也存在设备缺乏的问题。
 
尽管如此,200mm 晶圆厂的产能紧张预计会持续一段时间,特别是在代工厂。GlobalFoundries 射频业务部门高级副总裁 Bami Bastani 表示:“业内 200mm 以上的产品被超量订购。很多东西不需要高级节点。”
 
例如,一款智能手机集成了前沿芯片,但这只占器件的一小部分。Bastani 表示:“其余的是 PMIC、模拟和 BCD 等技术。你并不想在这些产品中使用更小的几何尺寸。顾客并不想迁移,直到它们被淘汰。” 
 
一般来说,客户乐于在廉价的 200mm 晶圆厂生产这些器件。但晶圆厂没有足够的 200mm 产能,而且利润低于 300mm。
 
这给代工厂带来了几个挑战。首先,供应商必须继续投资和升级 200mm 的各种工艺。比如在汽车领域,客户想要更新的工艺,即便它是在 200mm 制造的。Applied Materials 公司的 Rosa 表示:“行业需要继续投资新技术,但似乎我们不能足够快地开发这些技术。”
 
除了投资于新的 200mm 工艺,代工厂还必须找到增加 200mm 产能的方法。以下是一些选项:
 
• 收购拥有 200mm 晶圆厂的公司。
 
• 建造新的 200mm 晶圆厂。
 
• 增加 200mm 的产能。
 
• 将客户从 200mm 迁移到 300mm。
 
• 建造 300mm 的晶圆厂取而代之。
 
走收购路线是一个想法。多年来,代工厂已经收购了一些公司,以获得技术和产能。但这是一个昂贵的选择。联电的 Ng 表示:“任何一个拥有 8 英寸晶圆厂并且正在考虑出售的人都对它有很高的溢价。”
 
另一个选择是新建 200mm 的晶圆厂。挑战在于装备设施,并获得长期回报。Ng 表示:“如果你打算投资增加产能,问题在于它是否有商业意义。有很多应用推动 200mm 的产能增长。成本是它的重要组成部分。你可以支持产能增长。但如果它不符合成本效益,那么它就不符合要求。”
 
许多代工厂不再走这些路线,而是将一些芯片从 200mm 移动到 300mm。这对一些产品来说是有意义的,但并非所有产品都是如此。Ng 表示:“我们正在努力为 200mm 的客户找到解决方案。我们相信其中一部分解决方案将会把这些客户迁移到有意义的 300mm 平台上。”
 
对于某些芯片而言,将它们迁移到 300mm 毫无意义。“200mm 的很多应用对成本非常敏感。所以,这对于做任何事情都是一个挑战。举例来说,一些功率分立元件永远不会迁移。”
 
然后,在 200mm 的所有问题中,有些人甚至重新考虑他们的 200mm 晶圆厂计划。他们甚至正在考虑建造 300mm 的工厂,这也是一个昂贵的选择。Applied Materials 公司的 Rosa 表示:“如果你关注 300mm,你的设备成本会增加,在你开始考虑你可能需要的技术的可用性和准备性之前就会发现。”
 
同时,代工厂客户也面临一些挑战。除了从供应商那里获得足够的产能外,客户还必须评估代工工艺。每个代工厂都不同,都会提供各种功能。
 
另外,竞争中也有一些新玩家。去年,SkyWater 收购了位于明尼苏达州布卢明顿的赛普拉斯半导体的 200mm 晶圆厂。此前,赛普拉斯在布卢明顿的晶圆厂提供代工服务。
 
随着这座晶圆厂的收购,SkyWater 将提供代工服务。它将自己定位为专业代工厂,拥有 CMOS 工艺以及生物技术、硅光子学、量子计算和超导技术。
 
SkyWater 拥有一座 200mm 工厂,拥有 0.35um,90nm 等工艺。SkyWater 总裁 Thomas Sonderman 表示:“如果你看一些代工厂,它们的产量很高,但它们不喜欢定制。定制能力是你花很多钱才能买到的。鉴于你的规模,他们可能不会感兴趣。”
 
Sonderman 表示:“我们有能力在高产能环境中进行开发。赛普拉斯拥有它时,晶圆厂掌握的其中一项功能就是可以做大量的低产量的产品,并且仍具有世界一流的产量。以我们的模式,我们可以以极具竞争力的价格为客户提供合适的产品种类。但我们在某种程度上提供了 ASIC 能力和专业技术能力。”
 
行业急需的:200mm 设备
同时,IDM 和代工厂希望扩大 200mm 的产能。那么你可以在哪里购买 200mm 的设备?
 
芯片制造商可以从晶圆厂设备制造商、二手设备公司、经纪商或通过 eBay 等在线网站购买二手设备。一些芯片制造商也在公开市场销售二手设备。 
 
近来,Applied Materials、ASML、KLA-Tencor、Lam Research、TEL 和其他设备制造商已经在制造新的 200mm 设备。
 
据二手设备供应商 SurplusGlobal 称,在 2018 年初,该行业需要大约 2,000 种新的或翻新的 200mm 工具来满足工厂的需求。但是,到 2018 年初,市场上只有 500 种可用的 200mm 工具。
 
SurplusGlobal 的美洲和欧洲执行副总裁 Emerald Greig 表示:“我们仍然认为这是事实。我们继续看到 200mm 的需求没有得到满足。尽管我们看到美国和欧洲的需求也在增长,但 IDM 和中国确实在推动这一趋势。”
 
这一周期的不同之处在于,在 2018 年下半年,200mm 设备的需求前景并不明朗。Greig 表示:“由于地缘政治因素,我们预计下半年将略有放缓,我们会看到市场暂停,因为要重新评估安装 200mm 或 300mm 设备。”
 
其他人则更为乐观。Rosa 表示:“市场非常强劲。在 200mm,我们将至少度过我们最强的一年。”
 
无论短期前景如何,200mm 预计将在一段时间内保持可行,所以晶圆厂经理必须采购设备和备件以满足需求。从供应商购买 200mm 工具归结为几个因素——质量、信誉和服务。即便如此,无论是从 OEM,二手设备供应商还是其他地方购买设备都面临挑战。
 
Rosa 表示:“二手市场上的核心可以在任何一个国家。谱线的一端可以是新设备。另一端可以是原始设备,中间是一切。然后,我们看到 200mm 平台的可用性正在枯竭。这会如何?这增加了交货时间,迫使二手设备的价格上涨。”
 
并非所有 200mm 设备供应商都是一样的。一些提供新的工具,而另一些则翻新现有的工具。甚至有一些公司销售的系统是不合格的,或者根本就不工作。
 
Rosa 表示:“工具需求有两种。有纯粹的产能增加工具。如果只是单一的产能增加,就会很简单。如果是一项需要新技术的产能增加,那么它就在二手市场上无法找到。”
 
与此同时,Applied Materials 公司也在制造新的 200mm 设备,并在各个细分市场进行翻新。通常情况下,这是一项按订单生产的业务,交付周期从 12 周到 16 周不等。 
 
在某些情况下,Applied Materials 公司将从头开始构建新的 200mm 工具。Rosa 表示:“这增加了交货时间和价格。当 Applied Materials 公司只做 200mm 的时候,我们会看到工具 ASP 接近成型。”
 
其他人也看到了市场的发展。Lam Research 副总裁兼 Reliant 产品部总经理 Evan Patton 表示:“在可预见的未来,我们将看到 200mm 业务持续增长。我们的规划目标是 2030 年,有一些迹象表明,日期还会进一步推迟。这就是为什么我们继续大力投资于支持技术、提高生产率和淘汰解决方案的原因。”
 
尽管 Lam 正在跟上订单的速度,但 200mm 工具的需求依然旺盛。Patton 表示:“虽然二手市场上可能缺少二手工具,但 Lam 的产品组合中并不缺少 200mm 设备。”
 
Lam 正在开发新的和翻新的 200mm 工具,如蚀刻、沉积和清洗。Patton 表示:“我们正在投资开发新的工具,以支持汽车、物联网和射频市场的先进设备。”
 
至于 200mm 设备的繁荣将持续多久仍是个问题。就目前而言,今年和明年的业务看起来不错。TEL 高级副总裁兼副总经理 Kevin Chasey 表示:“我们认为 2019 年对于设备供应商和 IDM 来说是又一个强劲的一年。由于 IDM 试图将新工具挤入他们的生产车间,晶圆厂空间变得紧张起来。”
 
Chasey 表示:“TEL 通过解决工具效率和可用性来满足这一需求。为了提高效率,TEL 正在发布 OEE(整体设备效率)硬件和软件升级,旨在改善传统安装基础。此外,TEL 正在重新发布更新的工具平台,以确保我们的客户在未来 10 年乃至更长时间内拥有现代化的、完全支持的工具集。”
 
TEL 提供一系列 200mm 系统,如沉积,蚀刻和清洗等。许多平台都能够运行 100mm / 200mm 晶圆衬底。
 
虽然 200mm 的设备需求看起来很正常,但供应商们正密切关注可能影响订单率的情况。KLA-Tencor 公司市场营销,成熟服务,系统和改进的高级营销总监 Ian O'Leary 表示:“由于 200mm 晶圆预计将持续增长到 2021 年,我们预计未来几年将持续需求 200mm 的产能。”
 
O 'Leary 表示:“最终,在 200mm 细分市场中,一些需求驱动因素目前与更大的设计规则设备相关联,可能会转向 300mm 晶圆和前沿节点。一个例子是对各种汽车芯片的需求迅速增长,跨越了低端到高端的应用。对于汽车芯片而言,从成本分析的角度来看,从 200mm 向 300mm 的迁移一直很缓慢,但我们继续密切关注这些趋势,以便我们的业务与市场需求保持一致。”
 
汽车设备制造商仍然需要 200mm,特别是在缺陷检测领域。 在汽车领域,OEM 厂商要求芯片零缺陷。
 
通常,设备制造商使用晶圆检测设备来检测缺陷。O 'Leary 表示:“在这个领域,200mm 晶圆厂也需要 300mm 晶圆厂所需的许多工具模型。”
 
为了找到 110nm 工艺中的潜在缺陷,工厂需要 65nm 的缺陷检测能力。所以,KLA-Tencor 需要建立具有 300mm 能力的 200mm 检测工具。
 
很明显,200mm 需要保留。很多芯片需要长时间在 200mm 工厂中使用成熟工艺。然而仍然有待观察的是,行业是否能在供应链中获得一席之地。