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200mm晶圆厂的困境

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。

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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。

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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。”

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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。

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