對(duì)于模擬、MEMS和射頻芯片需求的暴增，制造商將新建300mm晶圓廠

對(duì)模擬、MEMS和射頻芯片的需求不斷增長(zhǎng)，將會(huì)繼續(xù)導(dǎo)致200mm晶圓廠產(chǎn)能和設(shè)備嚴(yán)重短缺，并且沒有任何緩和的跡象。

目前，200mm晶圓廠產(chǎn)能緊張，預(yù)計(jì)2018年下半年的情況類似，并可能持續(xù)到2019年。事實(shí)上，2018年可能是連續(xù)第三年200mm晶圓廠產(chǎn)能緊張的情況。 200mm設(shè)備也是如此。

雖然需求狀況似乎是該行業(yè)的一個(gè)亮點(diǎn)，但這種情況令許多客戶在幾方面感到焦慮。200mm的市場(chǎng)并不涉及300mm晶圓廠生產(chǎn)的前沿芯片，而是在成熟的節(jié)點(diǎn)上使用200mm晶圓廠制造大量器件。這些產(chǎn)品包括消費(fèi)類器件、通信IC和傳感器。

在200mm上，有一些復(fù)雜的變數(shù)。如下所述：

? IDM和無晶圓廠設(shè)計(jì)公司希望能夠滿足200mm晶圓廠生產(chǎn)芯片的需求。然而，供應(yīng)商是否能夠滿足所有需求尚不清楚，因?yàn)槿?00mm晶圓廠產(chǎn)能在現(xiàn)在和未來都將保持緊張。

? 作為回應(yīng)，GlobalFoundries、三星、中芯國際、TowerJazz、臺(tái)積電，聯(lián)電等都爭(zhēng)相增加200mm產(chǎn)能。與此同時(shí)，新的代工廠商SkyWater Technology也加入了200mm的競(jìng)爭(zhēng)。

? 即使擁有200mm的產(chǎn)能，行業(yè)仍然陷于困境，因?yàn)闊o法在市場(chǎng)上找到足夠的200mm晶圓廠設(shè)備。

? 其次，一些芯片制造商無法獲得足夠的200mm產(chǎn)能或設(shè)備，于是開始從長(zhǎng)計(jì)議他們建設(shè)新200mm工廠的計(jì)劃。相反，他們可能會(huì)建造300mm工廠。

對(duì)各方來說，這是一種復(fù)雜、焦慮的局面。聯(lián)電業(yè)務(wù)管理副總裁Walter Ng表示：“我們看到，200mm仍然供不應(yīng)求。要找到任何額外的產(chǎn)能是非常具有挑戰(zhàn)性的。這曾經(jīng)是一個(gè)周期性的事情?，F(xiàn)在，由于200mm被充分分配，它已經(jīng)成為新的規(guī)范。我們和業(yè)內(nèi)其他人士認(rèn)為，這是前進(jìn)的方向。這不是特殊情況，而是全行業(yè)的情況。”

令人驚訝的是，至少到2030年左右，200mm晶圓廠預(yù)計(jì)仍然可行。和以前一樣，我們面臨的挑戰(zhàn)是采購200mm設(shè)備，而這些設(shè)備仍然供不應(yīng)求。

事實(shí)上，200mm的設(shè)備需求一段時(shí)間以來一直保持強(qiáng)勁，盡管一些人認(rèn)為在2018年下半年會(huì)略有停頓，因?yàn)樾酒圃焐桃呀?jīng)對(duì)他們的200mm晶圓廠計(jì)劃進(jìn)行了權(quán)衡。地緣政治問題也是一個(gè)因素。Semico Research制造總經(jīng)理Joanne Itow表示：“200mm的產(chǎn)能仍然很緊張。有趣的是，對(duì)200mm二手設(shè)備的需求已經(jīng)減少了一些。”

200mm晶圓廠的繁榮

IC市場(chǎng)分為幾個(gè)部分。在行業(yè)前沿，芯片制造商正在以16nm/ 14nm和300mm晶圓廠生產(chǎn)芯片。在300mm晶圓廠，芯片制造商也在16nm/14nm以上的細(xì)分市場(chǎng)生產(chǎn)芯片。

300mm的兩個(gè)細(xì)分市場(chǎng)都在擴(kuò)大。Semico Research分析師Adrienne Downey表示：“除了代工廠增加的邏輯芯片產(chǎn)能之外，韓國和中國還增加了大量300mm產(chǎn)能用于存儲(chǔ)器生產(chǎn)?！?/p>

但并非所有芯片都需要高級(jí)節(jié)點(diǎn)。模擬、MEMS、射頻等都是在200mm和更小的晶圓上生產(chǎn)的。然而，對(duì)于許多這類器件來說，200mm是最佳選擇。

第一座200mm晶圓廠出現(xiàn)于1990年，晶圓尺寸成為多年的標(biāo)準(zhǔn)。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)芯片制造商在21世紀(jì)初開始遷移到更先進(jìn)的300mm晶圓廠時(shí)，200mm應(yīng)該會(huì)縮小。到2007年，200mm達(dá)到頂峰，市場(chǎng)開始下滑。

圖1：晶圓尺寸來源的相對(duì)差異 （來源：ICE）

然而，2015年末，行業(yè)看到了對(duì)200mm晶圓廠芯片的意外需求。這使IC供應(yīng)鏈不堪重負(fù)，2016年和2017年造成了200mm 晶圓廠產(chǎn)能的短缺。進(jìn)入2018年，200mm產(chǎn)能仍然緊張，看不到緩和的跡象。

盡管如此，對(duì)200mm的需求已經(jīng)讓業(yè)界大吃一驚，并迫使芯片制造商和晶圓廠工具供應(yīng)商更加重視該技術(shù)。例如，代工廠采用新的改進(jìn)工藝增加了200mm的產(chǎn)能。然后，幾家晶圓廠工具供應(yīng)商開始構(gòu)建新的200mm設(shè)備。

SEMI的分析師Christian Gregor Dieseldorff認(rèn)為，總體上200mm晶圓廠數(shù)量預(yù)計(jì)將從2016年的188個(gè)增加到2021年的202個(gè)。這個(gè)數(shù)字包括IDM和代工廠。

圖2：200mm晶圓廠數(shù)量的增長(zhǎng)。 （來源：SEMI）

大部分新的200mm晶圓廠都是中國建造的。Dieseldorff表示：“我們目前正在關(guān)注在中國建設(shè)的四座200mm晶圓廠。用于代工、功率芯片和MEMS。還有兩座已經(jīng)公布（用于MEMS和功率芯片）。我們預(yù)計(jì)這些晶圓廠的建設(shè)將在今年年底以及明年年底前開始?！?/p>

一座典型的200mm晶圓廠每月產(chǎn)生大約40，000個(gè)晶圓。這些工廠在各種節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)晶圓，范圍從6um到65nm不等。聯(lián)電的Ng表示：“180nm / 130nm / 110nm有很多動(dòng)作，這取決于特定的應(yīng)用。RF，特別是RF SOI，正在推動(dòng)大量的產(chǎn)能增長(zhǎng)。功率芯片也包括在內(nèi)。還有像BCD這樣的東西。”

在200mm，應(yīng)用正在激增。Applied Materials公司200mm設(shè)備產(chǎn)品部戰(zhàn)略和技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)Mike Rosa表示：“我們看到了擴(kuò)大的應(yīng)用空間，例如電動(dòng)汽車和ADAS，還有不斷添加新功能的智能手機(jī)?！?/p>

據(jù)Rosa說，在對(duì)這些器件的需求中，200mm晶圓廠的利用率在90%上下，有些報(bào)告為100％。

據(jù)Semico公司的Itow稱，2017年，200mm晶圓的需求增長(zhǎng)了9.2％。Itow表示：“模擬器件、分立器件、微控制器、光電子和傳感器都對(duì)200mm晶圓產(chǎn)能的需求增加起了推動(dòng)作用?！?/p>

2018年，市場(chǎng)在一定程度上降溫。Itow表示：“2018年200mm晶圓需求將恢復(fù)到4.2%增長(zhǎng)的歷史水準(zhǔn)?！?/p>

圖3：2018年200mm晶圓需求（按產(chǎn)品類別劃分）（來源：Semico Research）

降溫的原因之一是晶圓廠產(chǎn)能緊張，制造商無法擴(kuò)張。另外，即使器件制造商想要擴(kuò)張，也存在設(shè)備缺乏的問題。

盡管如此，200mm晶圓廠的產(chǎn)能緊張預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，特別是在代工廠。GlobalFoundries射頻業(yè)務(wù)部門高級(jí)副總裁Bami Bastani表示：“業(yè)內(nèi)200mm以上的產(chǎn)品被超量訂購。很多東西不需要高級(jí)節(jié)點(diǎn)。”

例如，一款智能手機(jī)集成了前沿芯片，但這只占器件的一小部分。Bastani表示：“其余的是PMIC、模擬和BCD等技術(shù)。你并不想在這些產(chǎn)品中使用更小的幾何尺寸。顧客并不想遷移，直到它們被淘汰?！?/p>

一般來說，客戶樂于在廉價(jià)的200mm晶圓廠生產(chǎn)這些器件。但晶圓廠沒有足夠的200mm產(chǎn)能，而且利潤(rùn)低于300mm。

這給代工廠帶來了幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，供應(yīng)商必須繼續(xù)投資和升級(jí)200mm的各種工藝。比如在汽車領(lǐng)域，客戶想要更新的工藝，即便它是在200mm制造的。Applied Materials公司的Rosa表示：“行業(yè)需要繼續(xù)投資新技術(shù)，但似乎我們不能足夠快地開發(fā)這些技術(shù)。”

除了投資于新的200mm工藝，代工廠還必須找到增加200mm產(chǎn)能的方法。以下是一些選項(xiàng)：

? 收購擁有200mm晶圓廠的公司。

? 建造新的200mm晶圓廠。

? 增加200mm的產(chǎn)能。

? 將客戶從200mm遷移到300mm。

? 建造300mm的晶圓廠取而代之。

走收購路線是一個(gè)想法。多年來，代工廠已經(jīng)收購了一些公司，以獲得技術(shù)和產(chǎn)能。但這是一個(gè)昂貴的選擇。聯(lián)電的Ng表示：“任何一個(gè)擁有8英寸晶圓廠并且正在考慮出售的人都對(duì)它有很高的溢價(jià)?！?/p>

另一個(gè)選擇是新建200mm的晶圓廠。挑戰(zhàn)在于裝備設(shè)施，并獲得長(zhǎng)期回報(bào)。Ng 表示：“如果你打算投資增加產(chǎn)能，問題在于它是否有商業(yè)意義。有很多應(yīng)用推動(dòng)200mm的產(chǎn)能增長(zhǎng)。成本是它的重要組成部分。你可以支持產(chǎn)能增長(zhǎng)。但如果它不符合成本效益，那么它就不符合要求。”

許多代工廠不再走這些路線，而是將一些芯片從200mm移動(dòng)到300mm。這對(duì)一些產(chǎn)品來說是有意義的，但并非所有產(chǎn)品都是如此。Ng 表示：“我們正在努力為200mm的客戶找到解決方案。我們相信其中一部分解決方案將會(huì)把這些客戶遷移到有意義的300mm平臺(tái)上?！?/p>

對(duì)于某些芯片而言，將它們遷移到300mm毫無意義?！?00mm的很多應(yīng)用對(duì)成本非常敏感。所以，這對(duì)于做任何事情都是一個(gè)挑戰(zhàn)。舉例來說，一些功率分立元件永遠(yuǎn)不會(huì)遷移。”

然后，在200mm的所有問題中，有些人甚至重新考慮他們的200mm晶圓廠計(jì)劃。他們甚至正在考慮建造300mm的工廠，這也是一個(gè)昂貴的選擇。Applied Materials公司的Rosa表示：“如果你關(guān)注300mm，你的設(shè)備成本會(huì)增加，在你開始考慮你可能需要的技術(shù)的可用性和準(zhǔn)備性之前就會(huì)發(fā)現(xiàn)?！?/p>

同時(shí)，代工廠客戶也面臨一些挑戰(zhàn)。除了從供應(yīng)商那里獲得足夠的產(chǎn)能外，客戶還必須評(píng)估代工工藝。每個(gè)代工廠都不同，都會(huì)提供各種功能。

另外，競(jìng)爭(zhēng)中也有一些新玩家。去年，SkyWater收購了位于明尼蘇達(dá)州布盧明頓的賽普拉斯半導(dǎo)體的200mm晶圓廠。此前，賽普拉斯在布盧明頓的晶圓廠提供代工服務(wù)。

隨著這座晶圓廠的收購，SkyWater將提供代工服務(wù)。它將自己定位為專業(yè)代工廠，擁有CMOS工藝以及生物技術(shù)、硅光子學(xué)、量子計(jì)算和超導(dǎo)技術(shù)。

SkyWater擁有一座200mm工廠，擁有0.35um，90nm等工藝。SkyWater總裁Thomas Sonderman表示：“如果你看一些代工廠，它們的產(chǎn)量很高，但它們不喜歡定制。定制能力是你花很多錢才能買到的。鑒于你的規(guī)模，他們可能不會(huì)感興趣?！?/p>

Sonderman 表示：“我們有能力在高產(chǎn)能環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)。賽普拉斯擁有它時(shí)，晶圓廠掌握的其中一項(xiàng)功能就是可以做大量的低產(chǎn)量的產(chǎn)品，并且仍具有世界一流的產(chǎn)量。以我們的模式，我們可以以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格為客戶提供合適的產(chǎn)品種類。但我們?cè)谀撤N程度上提供了ASIC能力和專業(yè)技術(shù)能力?！?/p>

行業(yè)急需的：200mm設(shè)備

同時(shí)，IDM和代工廠希望擴(kuò)大200mm的產(chǎn)能。那么你可以在哪里購買200mm的設(shè)備？

芯片制造商可以從晶圓廠設(shè)備制造商、二手設(shè)備公司、經(jīng)紀(jì)商或通過eBay等在線網(wǎng)站購買二手設(shè)備。一些芯片制造商也在公開市場(chǎng)銷售二手設(shè)備。

近來，Applied Materials、ASML、KLA-Tencor、Lam Research、TEL和其他設(shè)備制造商已經(jīng)在制造新的200mm設(shè)備。

據(jù)二手設(shè)備供應(yīng)商SurplusGlobal稱，在2018年初，該行業(yè)需要大約2，000種新的或翻新的200mm工具來滿足工廠的需求。但是，到2018年初，市場(chǎng)上只有500種可用的200mm工具。

SurplusGlobal的美洲和歐洲執(zhí)行副總裁Emerald Greig表示：“我們?nèi)匀徽J(rèn)為這是事實(shí)。我們繼續(xù)看到200mm的需求沒有得到滿足。盡管我們看到美國和歐洲的需求也在增長(zhǎng)，但I(xiàn)DM和中國確實(shí)在推動(dòng)這一趨勢(shì)?！?/p>

這一周期的不同之處在于，在2018年下半年，200mm設(shè)備的需求前景并不明朗。Greig表示：“由于地緣政治因素，我們預(yù)計(jì)下半年將略有放緩，我們會(huì)看到市場(chǎng)暫停，因?yàn)橐匦略u(píng)估安裝200mm或300mm設(shè)備?！?/p>

其他人則更為樂觀。Rosa表示：“市場(chǎng)非常強(qiáng)勁。在200mm，我們將至少度過我們最強(qiáng)的一年?！?/p>

無論短期前景如何，200mm預(yù)計(jì)將在一段時(shí)間內(nèi)保持可行，所以晶圓廠經(jīng)理必須采購設(shè)備和備件以滿足需求。從供應(yīng)商購買200mm工具歸結(jié)為幾個(gè)因素——質(zhì)量、信譽(yù)和服務(wù)。即便如此，無論是從OEM，二手設(shè)備供應(yīng)商還是其他地方購買設(shè)備都面臨挑戰(zhàn)。

Rosa表示：“二手市場(chǎng)上的核心可以在任何一個(gè)國家。譜線的一端可以是新設(shè)備。另一端可以是原始設(shè)備，中間是一切。然后，我們看到200mm平臺(tái)的可用性正在枯竭。這會(huì)如何？這增加了交貨時(shí)間，迫使二手設(shè)備的價(jià)格上漲。”

并非所有200mm設(shè)備供應(yīng)商都是一樣的。一些提供新的工具，而另一些則翻新現(xiàn)有的工具。甚至有一些公司銷售的系統(tǒng)是不合格的，或者根本就不工作。

Rosa表示：“工具需求有兩種。有純粹的產(chǎn)能增加工具。如果只是單一的產(chǎn)能增加，就會(huì)很簡(jiǎn)單。如果是一項(xiàng)需要新技術(shù)的產(chǎn)能增加，那么它就在二手市場(chǎng)上無法找到?！?/p>

與此同時(shí)，Applied Materials公司也在制造新的200mm設(shè)備，并在各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)進(jìn)行翻新。通常情況下，這是一項(xiàng)按訂單生產(chǎn)的業(yè)務(wù)，交付周期從12周到16周不等。

在某些情況下，Applied Materials公司將從頭開始構(gòu)建新的200mm工具。Rosa表示：“這增加了交貨時(shí)間和價(jià)格。當(dāng)Applied Materials公司只做200mm的時(shí)候，我們會(huì)看到工具ASP接近成型?！?/p>

其他人也看到了市場(chǎng)的發(fā)展。Lam Research副總裁兼Reliant產(chǎn)品部總經(jīng)理Evan Patton表示：“在可預(yù)見的未來，我們將看到200mm業(yè)務(wù)持續(xù)增長(zhǎng)。我們的規(guī)劃目標(biāo)是2030年，有一些跡象表明，日期還會(huì)進(jìn)一步推遲。這就是為什么我們繼續(xù)大力投資于支持技術(shù)、提高生產(chǎn)率和淘汰解決方案的原因?！?/p>

盡管Lam正在跟上訂單的速度，但200mm工具的需求依然旺盛。Patton表示：“雖然二手市場(chǎng)上可能缺少二手工具，但Lam的產(chǎn)品組合中并不缺少200mm設(shè)備?！?/p>

Lam正在開發(fā)新的和翻新的200mm工具，如蝕刻、沉積和清洗。Patton表示：“我們正在投資開發(fā)新的工具，以支持汽車、物聯(lián)網(wǎng)和射頻市場(chǎng)的先進(jìn)設(shè)備?！?/p>

至于200mm設(shè)備的繁榮將持續(xù)多久仍是個(gè)問題。就目前而言，今年和明年的業(yè)務(wù)看起來不錯(cuò)。TEL高級(jí)副總裁兼副總經(jīng)理Kevin Chasey表示：“我們認(rèn)為2019年對(duì)于設(shè)備供應(yīng)商和IDM來說是又一個(gè)強(qiáng)勁的一年。由于IDM試圖將新工具擠入他們的生產(chǎn)車間，晶圓廠空間變得緊張起來?！?/p>

Chasey 表示：“TEL通過解決工具效率和可用性來滿足這一需求。為了提高效率，TEL正在發(fā)布OEE（整體設(shè)備效率）硬件和軟件升級(jí)，旨在改善傳統(tǒng)安裝基礎(chǔ)。此外，TEL正在重新發(fā)布更新的工具平臺(tái)，以確保我們的客戶在未來10年乃至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)擁有現(xiàn)代化的、完全支持的工具集。”

TEL提供一系列200mm系統(tǒng)，如沉積，蝕刻和清洗等。許多平臺(tái)都能夠運(yùn)行100mm / 200mm晶圓襯底。

雖然200mm的設(shè)備需求看起來很正常，但供應(yīng)商們正密切關(guān)注可能影響訂單率的情況。KLA-Tencor公司市場(chǎng)營(yíng)銷，成熟服務(wù)，系統(tǒng)和改進(jìn)的高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)Ian O‘Leary表示：“由于200mm晶圓預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)到2021年，我們預(yù)計(jì)未來幾年將持續(xù)需求200mm的產(chǎn)能?！?/p>

O ’Leary表示：“最終，在200mm細(xì)分市場(chǎng)中，一些需求驅(qū)動(dòng)因素目前與更大的設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)備相關(guān)聯(lián)，可能會(huì)轉(zhuǎn)向300mm晶圓和前沿節(jié)點(diǎn)。一個(gè)例子是對(duì)各種汽車芯片的需求迅速增長(zhǎng)，跨越了低端到高端的應(yīng)用。對(duì)于汽車芯片而言，從成本分析的角度來看，從200mm向300mm的遷移一直很緩慢，但我們繼續(xù)密切關(guān)注這些趨勢(shì)，以便我們的業(yè)務(wù)與市場(chǎng)需求保持一致?！?/p>

汽車設(shè)備制造商仍然需要200mm，特別是在缺陷檢測(cè)領(lǐng)域。 在汽車領(lǐng)域，OEM廠商要求芯片零缺陷。

通常，設(shè)備制造商使用晶圓檢測(cè)設(shè)備來檢測(cè)缺陷。O ‘Leary表示：“在這個(gè)領(lǐng)域，200mm晶圓廠也需要300mm晶圓廠所需的許多工具模型。”

為了找到110nm工藝中的潛在缺陷，工廠需要65nm的缺陷檢測(cè)能力。所以，KLA-Tencor需要建立具有300mm能力的200mm檢測(cè)工具。

很明顯，200mm需要保留。很多芯片需要長(zhǎng)時(shí)間在200mm工廠中使用成熟工藝。然而仍然有待觀察的是，行業(yè)是否能在供應(yīng)鏈中獲得一席之地。