(408) 844-7100 200mm 需要急増
SEMI Engineering
2020年12月17日
さまざまなチップに対する需要の急増は、200mmファウンドリの生産能力だけでなく、200mmファブ設備の不足をも引き起こしており、2021年になってもそれが収まる兆しはありません。
ファウンドリーの顧客は、少なくとも2021年前半、そしておそらくそれ以降、一部のファウンドリーで200mm生産能力の不足に直面するでしょう。これらの顧客は、2021年に十分な200mm生産能力を確保できるよう、前もって計画を立てる必要があります。そうでなければ、市場から完全に締め出されるか、その生産能力に対して割高な対価を支払わなければならなくなる可能性があります。
デバイスメーカーにとっても装置メーカーにとっても、200mm市場は大きなビジネスです。現在、世界中で200以上の工場が、直径200mm（8インチ）のウェハーを使ってチップを生産しています。チップメーカーは、これらの200mmファブを使用して、350nmから90nmノードまでの成熟したプロセスに基づくチップを製造しています。アナログ、ディスプレイ ドライバ、パワーマネージメントIC（PMIC）、RFデバイスは、200mmファブで製造されるチップのひとつです。
これらのデバイスの多くは、今日の最先端の300mmファブでは製造されていません。300mmファブは、65nmから28nmまでの成熟したノードのデバイスも製造しますが、最先端のチップを加工するために使用されます。
そこから、200mmおよび300mmファブ市場は、集積デバイスメーカー（IDM）とファウンドリーの2つのカテゴリーに細分化されました。IDMは自社ブランドのチップを設計し、自社ファブで製造します。ファウンドリは、競争力のある価格で、自社のファブで他社のチップを製造します。ほとんどのファウンドリは、200mmと300mmの両方のファブを持っています。
これは新しい問題ではありません。2015年から2019年にかけて、需要が供給を上回っていたため、業界全体で200mmファブの生産能力が不足していました。デバイスメーカーは200mmファブ能力の拡大を望んでいましたが、十分な200mm装置がありませんでした。その後、2020年初頭にCovid-19のパンデミックが発生し、200mm市場を含む半導体業界全体が減速しました。しかし、2020年半ばには、コンピューター、タブレット、テレビなどの需要が急増するなか、市場は立ち直りました。
200mm市場も2020年に回復しましたが、すべてのベンダーが同じように恩恵を受けたわけではありません。200mmと300mmの両方の生産能力を完売しているファウンドリもあれば、完売していないベンダーもあります。また、多くのIDMは200mm生産能力を過剰に保有しています。キャパシティの状況は製品ミックスに左右されます。
「今年は興味深い状況だ。200mmだけでなく、一般的に最先端製品や特殊製品の需要があります。パワー、CMOSイメージ センサ、RF、そういった製品です」とVLSI Researchのリスト プハッカ社長は述べました。TIやNXPのようなIDM、あるいは標準的なアナログメーカーであれば、2020年は厳しいことになります。産業、自動車、電力市場はコロナウィルスの影響を受けて厳しい状況にあります。しかし同時に、ファウンドリーは活況を呈しています。ファウンドリは、私がコンシューマー市場と呼んでいるものに取り組んでいます」
IDMは現在回復し始めていますが、ほとんどのファウンドリーは2021年も200mm生産能力に対する旺盛な需要を見続けるでしょう。「最先端ノードはファウンドリで非常に活発です」「何もなければ、加速しているだけです」とプハッカ氏は語ります。
また、以前と同様、ファウンドリーは生産能力の拡大を望んでいますが、現在および当分の間は200mm装置の不足に直面しています。
半導体の製造フローでは、シリコンウェーハメーカーが様々な直径サイズに基づいて未加工のウェーハを開発します。ウェハーはチップメーカーに販売され、チップメーカーはファブでチップに加工します。
1960年代半ばの半導体産業の黎明期、チップメーカーは最先端のチップを1.25インチ（30mm）ウェハーのファブで加工していました。30mmはウェハーサイズの直径を示します。
長年にわたり、チップメーカーはより大きなウェハーサイズに移行してきました。より大きなウェーハサイズに移行することで、ベンダーはウェーハあたり2.2倍の数のダイを生産し、製造コストの削減を可能にしました。
1990年代、最先端のチップメーカーは150mmファブから200mmファブに移行しました。当時、200mmファブの建設コストはおよそ7億ドルから13億ドルでした。ファブのコストの大部分は、チップ製造に使用される装置を中心としたものです。エッチ装置、蒸着装置、リソグラフィ装置がファブで一般的な装置です。
200mmファブは何年にもわたって最先端標準となりました。SEMIのアナリストであるクリスチャン ディーセルドルフ氏によれば、1995年には65工場であった200mm工場は、2002年までに世界で186工場となりました。
2000年代に入り、多くのチップメーカーが200mmから300mmファブ（直径12インチのウェハー）に移行しました。当初、300mmファブの建設コストは20億ドルから30億ドルでした。
300mm工場への移行にもかかわらず、200mm工場は消滅しませんでした。それどころか、多くのチップメーカーが旧式の200mmファブでチップを生産し続けました。今日、多くのベンダーは、古い150mmや100mmファブでもチップを製造しています。
それにもかかわらず、200mmは2015年まで忘れられた市場でした。当時、アナログ、RF、MEMS、その他のデバイスタイプの需要が急増し、200mmファブの生産能力が不足しました。
2015年から2019年にかけて、200mmファブの生産能力は逼迫していました。2020年は、今年初めの小康状態を除いて、多くのベンダーでファウンドリーのキャパシティがタイトになっています。IDMの200mmキャパシティはまちまちです。
「200mm の生産能力に対する需要はかつては周期的でしたが、ここ数年でその力学は変化しました」と、 UMC のビジネス開発担当副社長である ウォルター ウン氏は述べています。「業界全体で 200mm の需要が供給を上回り続けています。多くのデバイスは長寿命製品であり、しばらくの間は既存の技術が維持されます。また、200mm 技術ノードの技術/コストのメリットを利用したいと考えている他の新しいアプリケーションも市場に登場しています。これにより、200mm の新しい標準が生まれ、当面は業界の需要が業界の供給を継続的に上回ります」
装置ベンダーも同様の傾向を見ています。「SPTSの200mmウェーハプロセス装置の見通しは、過去5年ほどと同様、非常に強い」と、KLA社 のSPTS Technologiesのエグゼクティブ バイスプレジデント兼ジェネラルマネージャー、デビッド バトラー氏は語りました。「小型ウェハー市場の活況は、当社の統計にも表れています。当社の全事業に占める200mm以下の売上高の割合は、2010年から2015年にかけて減少し、300mmとほぼ半々に近づきました。その後、トレンドは逆転し、200mm以下の割合は2010年のレベルに戻っています」
200mm容量の動向
200mm市場にはいくつかの見方があります。1つは、市場を3つの部分-ファウンドリーベンダーの基盤、ファブ生産能力、装置-に分割することです。
複数のファウンドリーベンダーが200mmファブで他社向けチップを製造しており、各社が提供するプロセスはそれぞれ異なります。GlobalFoundries、Hua Hong、Samsung、SkyWater、SMIC、Tower、TSMC、UMC、Vanguard、X-Fabなどが200mmファブを持つファウンドリ ベンダーです。
200mmファウンドリーの新たなプレーヤーであるKey Foundry社は、MagnaChip社からファウンドリー事業を買収し、9月に市場に参入しました。
一方、生産能力面では、IDMとファウンドリーが200mmファブの新設を続けています。SEMIのディーゼルドルフ氏は「2019年には5つの新しい200mmファブを数えました」「2020年には7つの200mmファブが建設工事を開始した。さらに 1 つ、あるいは 2 つが 2021 年に建設を開始する予定です」と述べました。
SEMIによると、地域別では、中国が2020年に3つの新しい200mmファブを建設中で、米州、日本、東南アジア、台湾はそれぞれ1つの工場を建設中です。2021年に提案されている工場は米国にあります。
生産能力を見るもう一つの方法はファブ生産で、これは月産ウェーハ数（wpm）で測定されます。「wpmで見ると、2019年から2021年まで毎年約3％から4％の安定した成長が見込まれます」とディーゼルドルフ氏は言います。
2021年には、新たに22万wpm以上の200mm生産能力が追加される見込みです。SEMIによると、200mmファブ生産能力は合計で640万wpmに達する見込みです。200mm生産能力には、ディスクリート、エピ、LED、MEMS、半導体が含まれます。
200mmの生産能力は他の方法で測定されます。例えば、200mmファブの各プロセス ノードには独自の需給方程式があります。例えば、PMICとディスプレイ ドライバICは、200mmファブの180nmノードで需要があります。
その上に重なるのがマイグレーション要因です。チップの種類によっては、長い間200mm工場で生産され続けるものもあります。また、200mm工場から300mm工場に移行するチップもあります。
UMCのウン氏は、「200mmと300mmのファウンドリ キャパシティは、業界全体で非常にタイトであることは間違いありません」「ここ数年、200mmの生産能力は常に一杯になっており、多くのアプリケーションが300mmテクノロジー ノードに移行しています。そのため、PMIC、ディスプレイ・ドライバIC、RF-SOIの設計が80nm/90nmや65nm/55nmで行われています。私たちがレガシー300mmと呼んでいるものは、より先端的な200mmプロセス上の同じような大量生産の最終アプリケーションによって、ある程度推進されています」と述べました。
そして、多くのファウンドリでは、300mmファブで比較的成熟した40nmと28nmプロセスも需要があります。「これらのノードは、民生用および通信用アプリケーションに牽引されている。ゲーム、ワイヤレス通信、LEDドライバーなどのアプリケーションは、その一例です。さらに、5Gやミリ波関連のデバイスも急成長しています」とウン氏は述べています。
一方、2021年においても、多くのベンダーにとって200mmファウンドリの生産能力に対する需要は引き続き旺盛です。Gartnerのアナリストであるサミュエル ワン氏は、「200mmウェーハの需給逼迫は、少なくとも2021年第2四半期末まで続くとすべての台湾ファウンドリーで予想されている」「200mmウェーハ需要増加の主な理由の1つは、5Gスマートフォンと基地局の生産が継続的に増加していることである。このため、台湾ファウンドリーの200mmは2021年を通して高い利用率を維持するはずだ。台湾以外のファウンドリーの中には、自動車や産業用アプリケーションにサービスを提供しているところもあるが、200mmウェーハの需要がこれほど急増するとは考えていない」と述べています。
2020年には、一部のファウンドリーが顧客向けに200mmを値上げしました。「ファウンドリによる選択的な値上げはあるが、全面的な値上げではない」とワン氏は述べました。「TSMCは200mmの値上げはしないと公言しており、200mmの顧客には長期的な関係を維持するために300mmファブへの移行を促している。他の台湾ファウンドリーは、限定的な値上げを行っている。彼らは多くの顧客と契約しており、価格は安定している。しかし、一部の中・少量生産顧客は値上げを経験している」
200mm装置の動向
ある時点で、IDMとファウンドリは、新しい工場を建設するか、既存の工場を拡張することによって、200mm能力を拡大しなければいけません。いずれの場合も、デバイスメーカーは200mm装置を購入しなければいけません。
200mm装置を調達する方法はいくつかあります。例えば、OEMとして知られる装置ベンダーの多くは、新しい200mm装置を一から製造しています。OEMはまた、中古装置、いわゆる「コア」を入手し、使用可能なシステムに改修します。
もう1つの供給源は、二次業者または中古機器業者です。これらの会社はコアを入手し、改修します。中には、自社で有名ブランドの工具を製造しているところもあります。
ブローカーやeBayなどのオンラインサイトでも中古機器を販売しています。一部のチップメーカーも、中古の機材を一般市場で販売しています。
200mm機材を購入する手段はいくつかありますが、そう簡単ではありません。一つには、市場には使用可能な200mm再生装置が不足していることです。今年初め、業界は200mmファブの需要を満たすために2,000～3,000台以上の新品または再生品の200mmツールまたは「コア」を必要としていましたが、二次装置のサプライヤーであるSurplusGlobalによると、入手可能なコアは500台以下でした。
現在、200mmファウンドリー生産能力に対する需要が旺盛な中、利用可能なコアは以前よりも少なくなっています。「SurplusGlobalのブルース キム最高経営責任者（CEO）は「より深刻な状況だ」「どの200mmファウンドリーも忙しく、少なくとも来年末まではフル稼働している」と述べています。
中古装置が不足しているため、装置メーカーは多くの場合、装置メーカーに直接、比較的高価な新品の200mm装置を買いに行かなければいけません。「長年、200mm装置メーカーは中古装置を安く手に入れることができました。今はもう、そのような供給はありません。たとえ遊休ツールがあっても、まだ利益を生むため、販売は行われません」とVLSIリサーチ社のプハッカ氏は、「今は、OEMに行くしかない。Applied、Lam、TEL、Kokusai、ASMI、ASMLに行かなければなりません。これらのツールは決して手ごろな価格ではありません。投資をするハードルはずっと高いのです」
それでも、OEMからの200mm工具は需要があります。「再生用の中古200mmツールコアが不足しているのは確かです」と、Lam Researchの戦略マーケティング担当マネージング ディレクター、デビッド ヘインズ氏は言います。「しかしセンシング、パワー、RFの多くの確立されたアプリケーションにおいて、200mm装置に対する強い需要が残っています。パワー マネージメントや特殊なCMOSイメージ センサ アプリケーション向けのアナログIC容量に対する需要は特に強く、顧客の需要を牽引しています。同様に、ディスクリート パワーデバイスの製造ソリューションに対する需要も増加していますが、これらの技術は需要の増加に伴い300mmへの移行が続いています」
それにもかかわらず、2019年に少し小康状態になった後、200mm装置市場は再び離陸しつつあります。VLSI Researchによると、2019年の200mmウエ―ハファブ装置(WFE)売上高は合計36億ドルで、2018年から5%減少しました。2020年、VLSI Researchによると、200mm WFE市場は回復し、6%から7%の成長が見込まれます。2021年も同様の成長が見込まれるといいます。
工具の購入先
一方、いくつかの業者が新品および/または中古の200mm機材を販売しています。すべての会社とその製品をリストアップするのは難しいです。市場を見る1つの方法は、数社を取り上げ、目下の問題を探ることです。
ウェーハ上の特徴をパターン化するために使用されるリソグラフィ ツールは、しばしば市場で調達が最も困難な200mmシステムです。サプライヤーの1社であるCanonは、200mmウェーハサイズ以下の新しいi線および248nmリソグラフィ装置の開発を続けています。
「新品および中古の 200mm 装置の需要は旺盛ですが、Canonは新装置の製造スケジュールに柔軟性があるため、許容可能なリードタイムを維持しながら、特定のユニット数を増やして市場の需要を満たすことができます」とCanonのマーケティング マネージャー、ダグ シェルトンは述べています。「新しい装置は、予算が明確で、リソグラフィー システムの性能、生産性、機能、または製品寿命の要件がある企業にとって魅力的です。低価格の中古装置は、リソグラフィーの性能と出力が主な優先事項ではない、200mm 製造コストを最小限に抑えたい顧客にとって魅力的です。中古リソグラフィー装置の調達、改修、設置、サポートに関連するリスクは、新しいツール装置戦略によって最小限に抑えることができます」
一方、200mm蒸着・エッチング装置を製造・販売している企業もいくつかあります。蒸着は表面に薄膜を形成し、エッチング装置は材料を除去します。
「Lamは常に新しい200mm蒸着装置、エッチング装置、枚葉式クリーン装置を作り続けてきました」「当社には積極的なコア取得プログラムがあります。しかし、再生ツールを供給できない場合、当社のチームは代替品として新製品を提供できる体制を整えています」とLamのヘインズ氏は述べています。
また、300mmシステムの再生品の需要も高まっています。「このセグメントでは、高度なプロセス要件を満たしながら、これらの市場で事業を展開する顧客の設備投資目標を満たすことができる300mmツールの再生品に対する大きな需要があると見ています」とヘインズ氏は述べました。
他の成膜/エッチングサプライヤーも同様の傾向を見ていますが、いくつかの課題もあります。SPTSのバトラー氏は、「大まかに言えば、200mm以下の装置を供給することに特別な課題はありません」「サプライチェーンは成熟し、安定しています。計測システムは容易に入手可能です。200mm以下のウェーハの課題は、多種多様な市場に対応することであり、それぞれが非常に異なる技術的ニーズを持っています。例えば、RFフィルタリング用の圧電膜、電力用のGaN(窒化ガリウム)層のナノメートル単位の除去、MEMS用の200℃未満で成膜される高ブレークダウン誘電体では、均一な厚さと応力制御が異なります」と述べています。
実際、200mmファブのチップに対する要件は単純だという認識があります。それどころか、要件は時に複雑で、デバイスメーカーはより精密なプロセスと高速スループットを備えたツールを求めています。
「当社では、鋳物工場向けに200mmの全表面検査システムを数多く出荷しています。当社の顧客の中には、既存の検査システムを置き換えるために、当社の新しい検査システムを購入する人もいます。新しいツールは、より優れた欠陥感度を提供するからです」と、Onto Innovationの検査製品管理ディレクター、デイモン ツァイは語りました。「今後、フロントサイド、バックサイド、エッジ検査のスループットを向上させる必要があります。裏面検査は、特殊半導体アプリケーションの歩留まり管理にとってより重要になるため、裏面感度をいかに向上させるかが鍵となります」
KLA社やOnto社などは、200mmファブでも重要な検査・計測装置を販売しています。検査装置はチップの欠陥を見つけ、計測装置は構造を測定するために使用されます。
KLAの副社長兼ジェネラル マネージャーであるウィルバート オディショ氏は、「2020年には、200mmファブの生産能力が拡大し、2021年にはさらなる成長が見込まれます」「5G、車載、ディスプレイパネル、AR/VRによる旺盛な需要があります。今後2年間で10カ所以上の新しい工場や拡張工事が稼動すると予想されます。SiC（シリコンカーバイト）とGaNも200mm容量の需要を牽引している」と述べています。
KLAは200mm検査・計測ツールの幅広いポートフォリオを有しています。「KLAでは、200mmのKLA製ツールの再生品を市場に供給しており、他の成熟した製品ラインも再生しています。また、いくつかの現行モデルにも200mm対応機種を追加しました」「場合によっては、大きく成長する成熟市場の需要に応えるため、特定の200mm製品製造を再開しました。200mmは、システムの追加だけでなく、性能とスループットの向上アップグレードにおいても、力強い成長を続けています。また、陳腐化緩和による供給の継続性を確保するため、エンジニアリング・サポートを倍増することで、製品の保守性という課題にも対応しています」とオディショ氏は述べています。
結論
確かに、200mmは成熟した技術を持つ古いファブだが、今後も存在し続けるでしょう。
ファウンドリーや装置ベンダーにとっての課題は、200mmの生産能力需要を満たすことです。しかし、それは「言うは易く行うは難し」です。