200mm Surtensions de la demande

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Semiingénierie

17 décembre 2020

L'explosion de la demande de puces diverses entraîne une pénurie de capacités de fonderie et d'équipements de fabrication de 200 mm, et rien n'indique que cette situation s'atténuera en 2021.

Les clients des fonderies seront confrontés à une pénurie de capacité de 200 mm dans certaines fonderies au moins au cours du premier semestre 2021, et peut-être au-delà. Ces clients devront planifier à l'avance pour s'assurer qu'ils obtiennent suffisamment de capacité de 200 mm en 2021. Dans le cas contraire, ils risquent d'être exclus du marché ou de devoir payer un supplément pour cette capacité.

Le marché du 200 mm est un marché important pour les fabricants d'appareils et d'équipements. Plus de 200 fabs en activité dans le monde produisent aujourd'hui des puces à partir de plaquettes de 200 mm de diamètre. Les fabricants de puces utilisent ces usines de 200 mm pour fabriquer des puces basées sur des processus matures, allant des nœuds de 350 nm aux nœuds de 90 nm. Les puces analogiques, les pilotes d'affichage, les circuits intégrés de gestion de l'énergie (PMIC) et les dispositifs RF figurent parmi les puces produites dans les fabs de 200 mm.

Bon nombre de ces dispositifs ne sont pas fabriqués dans les fabs de 300 mm qui sont aujourd'hui à la pointe de la technologie. Les fabs de 300 mm sont utilisés pour traiter les puces les plus avancées, bien qu'ils fabriquent également des dispositifs à des nœuds matures allant de 65 à 28 nm.

À partir de là, les marchés des fabriques de 200 mm et 300 mm se subdivisent en deux catégories : les fabricants de dispositifs intégrés (IDM) et les fonderies. Les IDM conçoivent leurs propres puces de marque et les fabriquent dans leurs propres fabs. Les fonderies fabriquent des puces pour d'autres sociétés dans leurs propres usines à des prix compétitifs. La plupart des fonderies disposent d'usines de 200 mm et de 300 mm.

Ce problème n'est pas nouveau. De 2015 à 2019, la capacité des fabriques de 200 mm a été insuffisante dans l'ensemble du secteur, simplement parce que la demande était supérieure à l'surfre. Les fabricants d'appareils voulaient augmenter leurs capacités de fabrication en 200 mm, mais il n'y avait pas assez d'équipements de 200 mm disponibles. Puis, début 2020, la pandémie de Covid-19 est apparue et a provoqué un ralentissement de l'ensemble de l'industrie des semi-conducteurs, y compris du marché du 200 mm. À la mi-2020, cependant, le marché a rebondi grâce à une augmentation de la demande d'ordinateurs, de tablettes, de téléviseurs et d'autres produits.

Le marché du 200 mm a également rebondi en 2020, même si tout le monde n'en a pas prsurité de la même manière. Certains fondeurs ont épuisé leur capacité de production en 200 mm et en 300 mm, alors que d'autres fournisseurs ne le font pas. Beaucoup d'IDM ont également des capacités excédentaires en 200 mm. La situation en matière de capacité dépend de la gamme de produits.

"La situation est intéressante cette année. Non seulement le 200 mm est demandé, mais il y a aussi une demande générale pour des produits de pointe et spécialisés. Il s'agit de puissance, de capteurs d'image CMOS, de RF et de ce type de produits", a déclaré Risto Puhakka, président de VLSI Research. "Il existe également une division sur le marché. Si vous êtes des IDM comme TI, NXP, ou les analogues standard, 2020 a été difficile. Les marchés de l'industrie, de l'automobile et de l'énergie ont connu une situation difficile, qui a été affectée par le coronavirus. Mais en même temps, les fonderies sont en plein essor. Les fondeurs s'attaquent à ce que j'appellerais les marchés de consommation".

Alors que les IDM commencent à se redresser, la plupart des fonderies continueront d'enregistrer une forte demande de capacité de 200 mm en 2021. "Les nœuds de pointe sont très actifs dans les fonderies", a déclaré M. Puhakka. "Si rien d'autre n'est fait, la situation s'accélère.

Et comme auparavant, les fonderies souhaiteraient accroître leurs capacités, mais restent confrontées à une pénurie d'équipements de 200 mm, aujourd'hui et dans un avenir prévisible.

Dans le flux de production des semi-conducteurs, un fabricant de plaquettes de silicium développe une plaquette non traitée ou brute en fonction de différentes tailles de diamètre. Les plaquettes sont vendues aux fabricants de puces, qui les transforment en puces dans une usine.

Au début de l'industrie des semi-conducteurs, au milieu des années 1960, les fabricants de puces traitaient les puces les plus avancées sur des plaquettes de 30 mm (1,25 pouce) dans une usine. 30 mm indique le diamètre de la tranche de silicium.

Au fil des ans, les fabricants de puces ont adopté des plaquettes de plus grande taille. Grâce à cette évolution, les fournisseurs ont multiplié par 2,2 le nombre de puces par plaquette, ce qui leur a permis de réduire leurs coûts de fabrication.

Dans les années 1990, les fabricants de puces de pointe sont passés d'une usine de 150 mm à une usine de 200 mm. À l'époque, le coût de construction d'une usine de 200 mm était compris entre 700 millions et 1,3 milliard de dollars. Une grande partie du coût d'une unité de fabrication est liée à l'équipement utilisé pour fabriquer les puces. Les systèmes de gravure, de dépôt et de lithographie sont les types d'équipement les plus courants dans les fabs.

Les fabriques de 200 mm sont devenues la norme de pointe pendant des années. En 2002, 186 fabs de 200 mm étaient en service dans le monde, contre 65 en 1995, selon Christian Dieseldorff, analyste chez SEMI.

À partir des années 2000, de nombreux fabricants de puces sont passés d'une usine de 200 mm à une usine de 300 mm (plaquettes de 12 pouces de diamètre). Au départ, le coût de construction d'une usine de 300 mm était de 2 à 3 milliards de dollars.

Malgré la migration vers les fabs de 300 mm, les usines de 200 mm n'ont pas disparu. Au contraire, un grand nombre de fabricants de puces ont continué à produire des puces dans d'anciennes fabs de 200 mm. Aujourd'hui, de nombreux fournisseurs fabriquent également des puces dans d'anciennes usines de 150 mm et de 100 mm.

Néanmoins, le marché du 200 mm a été oublié jusqu'en 2015. À cette époque, la demande de dispositifs analogiques, RF, MEMS et autres est montée en flèche, entraînant une pénurie de capacités de production en 200 mm.

De 2015 à 2019, la capacité des usines de 200 mm était limitée. En 2020, à l'exception d'une accalmie en début d'année, la capacité des fonderies a été serrée chez de nombreux fournisseurs. La capacité des IDM en 200 mm est mitigée.

"La demande de capacité de 200 mm était cyclique, mais au cours des dernières années, cette dynamique a changé", a déclaré Walter Ng, vice-président du développement commercial à UMC. "Nous avons constaté que la demande de capacité de 200 mm continue à dépasser l'surfre dans l'ensemble de l'industrie. De nombreux appareils sont des produits à longue durée de vie, qui resteront sur les technologies existantes pendant un certain temps. D'autres nouvelles applications arrivent également sur le marché, désireuses de prsuriter des avantages en termes de technologie et de coût des nœuds technologiques de 200 mm. Cela crée la nouvelle norme pour le 200 mm, la demande de l'industrie dépassant continuellement l'surfre de l'industrie dans un avenir prévisible".

Les fournisseurs d'équipements observent des tendances similaires. "Les perspectives pour l'équipement de traitement des plaquettes de 200 mm de SPTS sont très bonnes, comme c'est le cas depuis environ 5 ans", a déclaré David Butler, vice-président exécutif et directeur général de SPTS Technologies, une société KLA . "La vitalité du marché des petites plaquettes est très visible dans nos propres statistiques. En pourcentage de notre activité totale, les ventes de plaquettes de 200 mm ou moins ont diminué de 2010 à 2015, lorsqu'elles se sont rapprochées d'une répartition approximative de 50/50 avec les plaquettes de 300 mm. La tendance s'est ensuite inversée et le pourcentage de 200 mm ou moins est revenu aux niveaux de 2010."

Tendances de la capacité de production en 200 mm
Il y a plusieurs façons d'envisager le marché du 200 mm. L'une d'entre elles consiste à le diviser en trois parties : la base des fournisseurs de fonderie, la capacité des fabriques et l'équipement.

Plusieurs fournisseurs de fonderie fabriquent des puces pour d'autres dans des fabs de 200 mm, et chaque société est différente avec des surfres de processus variées. GlobalFoundries, Hua Hong, Samsung, SkyWater, SMIC, Tower, TSMC, UMC, Vanguard et X-Fab figurent parmi les fournisseurs de fonderie disposant de fabs de 200 mm.

Un nouvel acteur de la fonderie de 200 mm, Key Foundry, est entré sur le marché en septembre après avoir racheté les activités de fonderie de MagnaChip.

En ce qui concerne la capacité, les IDM et les fonderies continuent de construire de nouvelles fabs de 200 mm. "En 2019, nous avons compté cinq nouvelles fabs de 200 mm", a déclaré Dieseldorff de SEMI. "Sept fabs de 200 mm ont commencé leurs travaux de construction en 2020. Une autre, ou peut-être deux, commenceront à être construites en 2021."

Au niveau régional, la Chine a trois nouvelles usines de 200 mm en préparation pour 2020, tandis que les Amériques, le Japon, l'Asie du Sud-Est et Taïwan ont chacun une usine, selon SEMI. Les usines proposées pour 2021 sont situées aux États-Unis.

Une autre façon de considérer la capacité est la production de l'usine, qui est mesurée en wafers par mois (wpm). "En termes de wpm, nous prévoyons une croissance régulière d'environ 3 à 4 % par an entre 2019 et 2021", a déclaré M. Dieseldorff.

L'industrie devrait ajouter plus de 220 000 wpm à la nouvelle capacité de 200 mm en 2021. Au total, la capacité des usines de 200 mm devrait atteindre 6,4 millions de wpm, selon SEMI. La capacité de production de 200 mm comprend les discrets, les épis, les LED, les MEMS et les semi-conducteurs.

La capacité de 200 mm est mesurée d'autres manières. Par exemple, chaque nœud de processus dans une usine de 200 mm a sa propre équation surfre/demande. Par exemple, les PMIC et les circuits intégrés de commande d'écran sont demandés au niveau du nœud 180 nm dans les fabriques de 200 mm.

À cela s'ajoute un facteur de migration. Certains types de puces continueront à être produits dans des usines de 200 mm pendant longtemps. D'autres encore migrent des usines de 200 mm vers celles de 300 mm.

"On peut dire sans risque de se tromper que la capacité des fonderies dans l'ensemble de l'industrie, tant en 200 mm qu'en 300 mm, est très limitée", a déclaré M. Ng d'UMC. "La capacité de 200 mm s'est constamment remplie au cours des dernières années, ce qui a poussé un certain nombre d'applications à migrer vers les nœuds technologiques de 300 mm. Nous avons ainsi vu des PMIC, des circuits intégrés de commande d'écran et des conceptions RF-SOI en 80nm/90nm, ainsi qu'en 65nm/55nm. Ce que nous appelons l'ancien 300 mm est, dans une certaine mesure, stimulé par ces mêmes applications finales à haut volume sur les processus 200 mm plus avancés".

Ensuite, dans de nombreuses fonderies, les procédés 40 nm et 28 nm relativement matures dans des fabs de 300 mm sont également demandés. "Ces nœuds sont motivés par les applications de consommation et de communication. Des applications telles que les jeux, les communications sans fil et les pilotes de LED ne sont que quelques-unes des applications motrices. En outre, les dispositifs liés à la 5G et aux ondes millimétriques se développent rapidement", a déclaré M. Ng.

En 2021, la demande de capacité de fonderie de 200 mm restera forte pour de nombreux fournisseurs. "Tous les fondeurs taïwanais s'attendent à ce que le resserrement de l'surfre de plaques de 200 mm dure au moins jusqu'à la fin du deuxième trimestre 2021", a déclaré Samuel Wang, analyste chez Gartner. "L'une des principales raisons de l'augmentation de la demande de plaquettes de 200 mm est l'augmentation continue de la production de smartphones et de stations de base 5G. Cela devrait permettre aux fonderies taïwanaises de continuer à utiliser largement les plaques de 200 mm tout au long de l'année 2021. Certaines fonderies non taïwanaises servant des applications automobiles et industrielles ne voient pas une telle augmentation de la demande de plaquettes de 200 mm."

En 2020, certains fondeurs ont augmenté les prix de leurs produits de 200 mm pour les clients. "Il y a des augmentations de prix sélectives de la part des fonderies, mais elles ne sont pas généralisées", a déclaré M. Wang. "TSMC a ouvertement déclaré qu'il n'y aurait pas d'augmentation des prix des produits de 200 mm et a encouragé les clients de 200 mm à passer à des fabs de 300 mm pour maintenir leurs relations à long terme. D'autres fonderies taïwanaises ont procédé à des augmentations de prix limitées. Ils ont conclu des accords contractuels avec de nombreux clients qui maintiennent les prix stables. Mais certains clients à volume moyen ou faible ont subi des augmentations de prix plus importantes".

Tendances en matière d'équipement 200 mm
À un moment donné, les IDM et les fonderies doivent augmenter leurs capacités 200 mm en construisant de nouvelles fabs ou en agrandissant leurs usines existantes. Dans les deux cas, les fabricants d'appareils doivent acheter des équipements 200 mm.

Il existe plusieurs façons de se procurer des équipements de 200 mm. Par exemple, de nombreux fournisseurs d'équipement, également connus sous le nom d'OEM, construisent de nouveaux outils de 200 mm à partir de zéro. Les équipementiers récupèrent également des équipements usagés, appelés "cores", et les remettent à neuf pour en faire des systèmes utilisables.

Les entreprises de matériel secondaire ou d'occasion constituent une autre source d'approvisionnement. Ces entreprises obtiennent des noyaux et les remettent à neuf. Certaines construisent même leurs propres outils de marque.

Les courtiers et les sites en ligne tels qu'eBay vendent également du matériel d'occasion. Certains fabricants de puces vendent également du matériel d'occasion sur le marché libre.

Il existe plusieurs possibilités d'acheter du matériel de 200 mm, mais ce n'est pas si simple. Tout d'abord, il y a une pénurie d'équipements remis à neuf utilisables sur le marché. Au début de l'année, l'industrie avait besoin de plus de 2 000 à 3 000 outils ou "noyaux" de 200 mm, neufs ou remis à neuf, pour répondre à la demande des fabriques de 200 mm, mais moins de 500 noyaux étaient disponibles, selon SurplusGlobal, un fournisseur d'équipements secondaires.

Aujourd'hui, alors que la demande de capacité de fonderie de 200 mm est en plein essor, il y a moins de noyaux disponibles qu'auparavant. "La situation est plus grave", a déclaré Bruce Kim, directeur général de SurplusGlobal. "Toutes les fonderies de 200 mm sont occupées et pleinement opérationnelles au moins jusqu'à la fin de l'année prochaine.

En raison d'une pénurie d'outils d'occasion, un fabricant d'appareils doit souvent s'adresser directement à un fabricant d'équipements pour acheter de nouveaux outils de 200 mm, qui sont relativement coûteux. "Pendant de nombreuses années, les fabricants d'appareils de 200 mm ont pu se procurer du matériel d'occasion à bon marché. Aujourd'hui, ce n'est plus le cas. Même si les gens ont des outils inutilisés, ils ne les vendent pas, parce qu'ils peuvent encore gagner de l'argent avec", a déclaré M. Puhakka de VLSI Research. "Aujourd'hui, vous devez vous adresser aux OEM. Vous devez vous adresser à Applied, Lam, TEL, Kokusai, ASMI et ASML. Ces outils ne sont pas vraiment abordables. L'obstacle à l'investissement est beaucoup plus important.

Pourtant, les outils de 200 mm des équipementiers sont très demandés. "Il y a certainement une pénurie de noyaux d'outils de 200 mm usagés pour la remise à neuf", a déclaré David Haynes, directeur général du marketing stratégique à Lam Research. "Mais la demande d'équipements de 200 mm reste forte pour de nombreuses applications établies dans les domaines de la détection, de la puissance et des radisurréquences. La demande de capacité de circuits intégrés analogiques pour la gestion de l'énergie et les applications spécialisées de capteurs d'images CMOS est particulièrement forte et stimule la demande des clients. De même, nous avons constaté une augmentation de la demande de solutions de fabrication de dispositifs de puissance discrets, bien que ces technologies continuent à migrer vers le 300 mm au fur et à mesure de l'augmentation de la demande.

Néanmoins, après une légère accalmie en 2019, le marché des équipements 200 mm redécolle. Au total, les ventes d'équipements wafer fab (WFE) de 200 mm se sont élevées à 3,6 milliards de dollars en 2019, soit une baisse de 5 % par rapport à 2018, selon VLSI Research. En 2020, le marché des WFE de 200 mm devrait rebondir et connaître une croissance de 6 à 7 %, selon VLSI Research. Le marché devrait connaître une croissance similaire en 2021, selon le cabinet.

Où acheter des outils
Entre-temps, plusieurs vendeurs proposent du matériel de 200 mm neuf et/ou d'occasion. Il est difficile d'énumérer toutes les entreprises et leurs surfres. Une façon d'envisager le marché est de mettre en évidence quelques entreprises et d'explorer les questions qui se posent.

Les outils de lithographie, utilisés pour dessiner des caractéristiques sur les plaquettes, sont souvent les systèmes de 200 mm les plus difficiles à obtenir sur le marché. Un fournisseur, Canon, continue de développer de nouveaux systèmes de lithographie i-line et 248nm pour des tailles de plaquettes de 200 mm et moins.

"La demande d'équipements 200 mm neufs et d'occasion est forte, mais Canon dispose d'une flexibilité dans son calendrier de construction de nouveaux équipements qui nous permet d'augmenter les volumes d'unités spécifiques pour répondre à la demande du marché, tout en maintenant des délais acceptables", a déclaré Doug Shelton, directeur du marketing chez Canon. "Les nouveaux équipements sont intéressants pour les entreprises qui ont des budgets bien définis et des exigences en matière de performance, de productivité, de fonctionnalité ou de durée de vie des produits. Les équipements d'occasion moins coûteux sont intéressants pour les clients qui cherchent à minimiser les coûts d'une usine de 200 mm et dont les performances et le rendement de la lithographie ne sont pas les principales priorités. Les risques associés à l'approvisionnement, à la remise en état, à l'installation et à l'entretien des équipements de lithographie d'occasion peuvent être minimisés grâce à une stratégie d'équipement en outils neufs".

Plusieurs entreprises fabriquent et vendent des équipements de dépôt et de gravure de 200 mm. Le dépôt consiste à déposer des couches minces sur des surfaces. Les outils de gravure enlèvent les matériaux.

"Lam a toujours continué à construire de nouveaux outils de dépôt, de gravure et de nettoyage de plaquettes de 200 mm", a déclaré M. Haynes. "Nous disposons d'un programme proactif d'acquisition de matériel de base. Mais si nous ne sommes pas en mesure de fournir un outil remis à neuf, notre équipe est en mesure de proposer un nouveau produit comme alternative."

La demande de systèmes de 300 mm remis à neuf augmente également. "Dans ce segment, nous constatons une forte demande d'outils de 300 mm remis à neuf qui peuvent répondre aux exigences des processus avancés tout en satisfaisant les objectifs d'investissement de nos clients opérant sur ces marchés", a déclaré M. Haynes.

D'autres fournisseurs d'équipements de déposition et de gravure constatent des tendances similaires, mais aussi quelques difficultés. "D'une manière générale, il n'y a pas de défi spécifique à la fourniture d'équipements de 200 mm ou moins", a déclaré M. Butler de SPTS. "Les chaînes d'approvisionnement sont matures et stables. Les systèmes de métrologie sont facilement disponibles. Les défis posés par les plaquettes de 200 mm et moins résident dans la grande variété de marchés qu'elles soutiennent, chacun ayant des besoins techniques très différents. Par exemple, l'épaisseur uniforme et le contrôle des contraintes sont différents pour les films piézoélectriques destinés au filtrage RF, l'enlèvement au nanomètre des couches deGaN (nitrure de gallium) pour l'énergie, et les diélectriques à rupture élevée déposés à moins de 200°C pour les MEMS."

En effet, on a l'impression que les exigences sont simples pour les puces dans les fabs de 200 mm. Au contraire, les exigences sont parfois complexes et les fabricants d'appareils veulent des outils avec des processus plus précis et des cadences plus rapides.

"Nous expédions beaucoup de systèmes d'inspection de 200 mm pour les fonderies. Certains de nos clients achètent nos nouveaux systèmes d'inspection pour remplacer les systèmes d'inspection existants, car le nouvel outil surfre une meilleure sensibilité aux défauts", a déclaré Damon Tsai, directeur de la gestion des produits d'inspection à Onto Innovation. "À l'avenir, nous devrons améliorer le débit pour l'inspection de la face avant, de la face arrière et des bords, car les taux d'échantillonnage requis pour l'inspection ne cessent d'augmenter. L'inspection de la face arrière devient de plus en plus critique pour le contrôle du rendement dans les applications de semi-conducteurs spécialisés, de sorte que l'amélioration de la sensibilité de la face arrière est également essentielle."

KLA, Onto et d'autres vendent des équipements d'inspection et de métrologie, qui sont également essentiels dans les fabriques de 200 mm. Les équipements d'inspection détectent les défauts dans les puces, tandis que les outils de métrologie sont utilisés pour mesurer les structures.

"En 2020, nous avons vu des fabs de 200 mm fonctionner à pleine capacité et nous prévoyons une croissance supplémentaire en 2021", a déclaré Wilbert Odisho, vice-président et directeur général de KLA. "La demande est soutenue par la 5G, l'automobile, les panneaux d'affichage et l'AR/VR. La croissance régionale la plus importante provient de la Chine, où nous prévoyons la mise en service de plus de dix nouvelles fabriques et expansions au cours des deux prochaines années. Le SiC (carbure de silicium) et le GaN stimulent également la demande de capacités de production de 200 mm.

KLA dispose d'un large portefeuille d'outils d'inspection et de métrologie de 200 mm. "Nous desservons le marché avec des outils KLA de 200 mm remis à neuf et nous remettons à neuf d'autres lignes de produits matures. Nous avons également ajouté une capacité de 200 mm à plusieurs modèles d'outils actuels", a déclaré M. Odisho. "Dans certains cas, nous avons relancé la fabrication de produits spécifiques de 200 mm pour répondre à la demande croissante du marché mature. Nous continuons à observer une forte croissance dans le domaine du 200 mm, tant pour les systèmes ajoutés que pour les mises à niveau visant à améliorer les performances et le débit. Nous relevons également le défi de la facilité d'entretien des produits en doublant notre soutien technique afin d'assurer la continuité de l'approvisionnement en limitant l'obsolescence.

Conclusion
Certes, les usines de 200 mm sont plus anciennes et utilisent des technologies matures, mais elles sont là pour durer.

Pour les fonderies et les fournisseurs d'équipements, le défi consiste à répondre à la demande de capacité de 200 mm. Mais c'est plus facile à dire qu'à faire.