(408) 844-7100 200mm 수요 급증
세미엔지니어링
2020년 12월 17일
다양한 칩에 대한 수요 급증으로 인해 200mm 팹 장비뿐만 아니라 일부 200mm 파운드리 용량이 부족해지고 있으며, 2021년에도 이러한 현상은 완화될 기미가 보이지 않고 있습니다.
파운드리 고객은 적어도 2021년 상반기와 그 이후에는 일부 파운드리에서 200mm 용량 부족에 직면하게 될 것입니다. 이러한 고객은 2021년에 충분한 200mm 용량을 확보할 수 있도록 미리 계획을 세워야 합니다. 그렇지 않으면 시장에서 완전히 퇴출되거나 해당 용량에 대해 프리미엄을 지불해야 할 수도 있습니다.
200mm 시장은 디바이스 및 장비 제조업체 모두에게 상당한 규모의 비즈니스입니다. 현재 전 세계에서 운영 중인 200개 이상의 팹에서 200mm(8인치) 직경의 웨이퍼를 사용하여 칩을 생산하고 있습니다. 칩 제조업체는 이러한 200mm 팹을 사용하여 350nm에서 90nm 노드에 이르는 성숙한 공정을 기반으로 칩을 제조합니다. 200mm 팹에서 생산되는 칩에는 아날로그, 디스플레이 드라이버, 전력 관리 IC(PMIC), RF 디바이스 등이 있습니다.
이러한 디바이스 중 상당수는 오늘날의 최첨단 300mm 팹에서 제조되지 않습니다. 300mm 팹은 최첨단 칩을 처리하는 데 사용되지만, 65nm에서 28nm의 성숙한 노드에서도 장치를 제조합니다.
여기에서 200mm 및 300mm 팹 시장은 통합 장치 제조업체(IDM)와 파운드리의 두 가지 카테고리로 세분화됩니다. IDM은 자체 브랜드 칩을 설계하고 자체 팹에서 제조합니다. 파운드리는 자체 팹에서 다른 회사를 위한 칩을 경쟁력 있는 가격으로 제조합니다. 대부분의 파운드리는 200mm 및 300mm 팹을 모두 보유하고 있습니다.
이는 새로운 문제가 아닙니다. 2015년부터 2019년까지 200mm 팹 용량은 공급보다 수요가 더 많았기 때문에 업계 전반적으로 공급이 부족했습니다. 디바이스 제조업체는 200mm 팹 용량을 확장하고 싶었지만 200mm 장비가 충분하지 않았습니다. 그러던 중 2020년 초 코로나19 팬데믹이 발생하면서 200mm 시장을 포함한 반도체 산업 전체가 침체되었습니다. 그러나 2020년 중반이 되자 컴퓨터, 태블릿, TV 및 기타 제품에 대한 수요가 급증하면서 시장이 다시 회복되었습니다.
200mm 시장도 2020년에 반등했지만, 모든 사람이 똑같이 혜택을 받지는 못했습니다. 일부 파운드리는 200mm와 300mm 용량이 모두 매진된 반면, 다른 공급업체는 그렇지 않았습니다. 또한 많은 IDM이 200mm 용량을 초과하고 있습니다. 용량 상황은 제품 믹스에 따라 달라집니다.
"올해는 흥미로운 상황입니다. 200mm의 수요뿐만 아니라 일반적으로 첨단 및 특수 제품에 대한 수요도 있습니다. 전력, CMOS 이미지 센서, RF, 그리고 그런 종류의 제품이 바로 그것입니다."라고 VLSI 리서치의 사장인 리스토 푸하카는 말합니다. "시장에도 구분이 있습니다. TI, NXP와 같은 IDM 업체나 표준 아날로그 업체들에게 2020년은 힘든 한 해였습니다. 산업, 자동차, 전력 시장은 코로나바이러스의 영향을 받아 힘든 시기를 보냈습니다. 하지만 동시에 파운드리는 호황을 누리고 있습니다. 파운드리는 제가 소비자 시장이라고 부르는 분야에 대응하고 있습니다."
현재 IDM이 회복세를 보이기 시작했지만, 대부분의 파운드리는 2021년에도 200mm 용량에 대한 강력한 수요를 계속 볼 수 있을 것입니다. 푸하카는 "파운드리에서 트레일링 에지 노드가 매우 활발하게 사용되고 있습니다."라고 말합니다. "다른 것이 아니라면 가속도가 붙고 있을 뿐입니다."
그리고 이전과 마찬가지로 파운드리는 생산 능력을 확장하고 싶지만 현재와 가까운 미래에 200mm 장비가 여전히 부족합니다.
반도체 생산 흐름에서 실리콘 웨이퍼 제조업체는 다양한 직경 크기의 가공되지 않은 웨이퍼 또는 원시 웨이퍼를 개발합니다. 웨이퍼는 칩 제조업체에 판매되며, 칩 제조업체는 이를 팹에서 칩으로 가공합니다.
1960년대 중반 반도체 산업 초창기에는 칩 제조업체들이 팹에서 1.25인치(30mm) 웨이퍼로 최첨단 칩을 처리했습니다. 30mm는 웨이퍼 크기의 직경을 나타냅니다.
수년에 걸쳐 칩 제조업체들은 더 큰 웨이퍼 크기로 마이그레이션했습니다. 더 큰 웨이퍼 크기로 전환함으로써 공급업체는 웨이퍼당 2.2배의 다이를 생산하여 제조 비용을 절감할 수 있었습니다.
1990년대에 첨단 칩 제조업체들은 150mm 팹에서 200mm 팹으로 마이그레이션했습니다. 당시 200mm 팹을 구축하는 데 드는 비용은 약 7억 달러에서 13억 달러였습니다. 팹 비용의 대부분은 칩 제조에 사용되는 장비와 관련이 있습니다. 에칭, 증착, 리소그래피 시스템은 팹에서 흔히 볼 수 있는 장비 유형입니다.
200mm 팹은 수년 동안 최첨단 표준이 되었습니다. SEMI의 분석가인 Christian Dieseldorff에 따르면 2002년에는 1995년의 65개에서 전 세계적으로 총 186개의 200mm 팹이 운영되고 있습니다.
2000년대부터 많은 칩 제조업체들이 200mm 팹(12인치 직경 웨이퍼)에서 300mm 팹으로 마이그레이션했습니다. 처음에 300mm 팹을 구축하는 데 드는 비용은 20억~30억 달러였습니다.
300mm 팹으로의 이전에도 불구하고 200mm 공장은 사라지지 않았습니다. 오히려 많은 칩 제조업체들이 구형 200mm 팹에서 칩을 계속 생산했습니다. 오늘날 많은 공급업체는 구형 150mm 및 100mm 팹에서도 칩을 생산하고 있습니다.
그럼에도 불구하고 200mm는 2015년까지 잊혀진 시장이었습니다. 당시 아날로그, RF, MEMS 및 기타 장치 유형에 대한 수요가 급증하면서 200mm 팹 용량이 부족해졌습니다.
2015년부터 2019년까지 200mm 팹 용량은 부족했습니다. 2020년에는 올해 초 소강상태를 제외하고는 많은 공급업체에서 파운드리 생산 능력이 부족했습니다. IDM의 200mm 용량은 혼재되어 있습니다.
"200mm 용량에 대한 수요는 주기적이었지만 지난 몇 년 동안 그 역학 관계가 바뀌었습니다."라고 UMC의 비즈니스 개발 담당 부사장인 Walter Ng는 말합니다. "우리는 업계 전반에서 200mm 수요가 공급을 계속 앞지르는 것을 목격했습니다. 많은 디바이스가 수명이 긴 제품이기 때문에 당분간은 기존 기술을 유지할 것입니다. 200mm 기술 노드의 기술/비용 이점을 활용하고자 하는 다른 새로운 애플리케이션도 시장에 출시되고 있습니다. 이로 인해 200mm의 새로운 표준이 만들어지고 있으며, 당분간 업계 수요가 지속적으로 업계 공급을 앞지를 것으로 예상됩니다."
장비 공급업체들도 비슷한 추세를 보입니다. "지난 5년여 동안 그랬던 것처럼 SPTS의 200mm 웨이퍼 처리 장비에 대한 전망은 매우 밝습니다."라고 KLA 회사 SPTS Technologies의 부사장 겸 총괄 매니저인 데이비드 버틀러는 말합니다. "소형 웨이퍼 시장의 호조는 우리 자체 통계에서도 잘 드러납니다. 전체 사업에서 200mm 이하의 매출은 2010년부터 2015년까지 감소하다가 300mm와 대략 50 대 50으로 비슷해졌습니다. 그 후 추세가 반전되어 200mm 이하의 비율이 2010년 수준으로 회복되었습니다."
200mm 용량 트렌드
200mm 시장을 바라보는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 하나는 시장을 파운드리 공급업체 기반, 팹 용량, 장비의 세 부분으로 나누는 것입니다.
여러 파운드리 공급업체가 200mm 팹에서 다른 업체를 위해 칩을 제조하며, 각 업체마다 제공하는 공정이 다릅니다. 200mm 팹을 보유한 파운드리 공급업체로는 GlobalFoundries, Hua Hong, Samsung, SkyWater, SMIC, Tower, TSMC, UMC, Vanguard 및 X-Fab이 있습니다.
새로운 200mm 파운드리 업체인 키 파운드리는 9월에 마그나칩으로부터 파운드리 사업을 인수한 후 시장에 진입했습니다.
한편, 용량 측면에서는 IDM과 파운드리가 계속해서 새로운 200mm 팹을 건설하고 있습니다. "2019년에 우리는 5개의 새로운 200mm 팹을 세었습니다."라고 SEMI의 디셀도르프가 말했습니다. "2020년에 7개의 200mm 팹이 건설 작업을 시작했습니다. 2021년에는 한 개 또는 두 개가 더 건설을 시작할 것입니다."
지역별로 보면 중국은 2020년에 3개의 새로운 200mm 팹을 건설 중이며, 미주, 일본, 동남아시아, 대만은 각각 1개의 팹을 보유하고 있다고 SEMI는 밝혔습니다. 2021년에 제안된 팹은 미국에 위치해 있습니다.
용량을 살펴보는 또 다른 방법은 월 웨이퍼 수(wpm)로 측정되는 팹 생산량입니다. 디셀도프는 "wpm의 경우 2019년부터 2021년까지 매년 약 3~4%의 꾸준한 성장세를 보이고 있습니다."라고 말합니다.
업계는 2021년에 220,000wpm 이상의 새로운 200mm 용량을 추가할 것으로 예상됩니다. SEMI에 따르면 200mm 팹 용량은 총 640만 wpm에 달할 것으로 예상됩니다. 200mm 팹 용량에는 디스크리트, 에피, LED, MEMS 및 반도체가 포함됩니다.
200mm 용량은 다른 방식으로 측정됩니다. 예를 들어 200mm 팹의 각 공정 노드에는 자체적인 공급/수요 방정식이 있습니다. 예를 들어, 200mm 팹의 180nm 노드에서는 PMIC와 디스플레이 드라이버 IC의 수요가 많습니다.
그 위에 마이그레이션 요인이 겹쳐져 있습니다. 일부 칩 유형은 오랫동안 200mm 팹에서 계속 생산될 것입니다. 또 다른 칩은 200mm 공장에서 300mm 공장으로 마이그레이션되고 있습니다.
"업계 전반의 파운드리 용량은 200mm와 300mm 모두 매우 타이트하다고 해도 과언이 아닙니다."라고 UMC의 Ng는 말합니다. "지난 몇 년 동안 200mm 용량이 지속적으로 가득 차면서 많은 애플리케이션이 300mm 기술 노드로 마이그레이션하게 되었습니다. 따라서 80nm/90nm는 물론 65nm/55nm에서도 PMIC, 디스플레이 드라이버 IC, RF-SOI 설계를 볼 수 있었습니다. 우리가 레거시 300mm라고 부르는 것은 최첨단 200mm 공정의 동일한 대량 최종 애플리케이션에 의해 어느 정도 주도되고 있습니다."
그리고 많은 파운드리에서 300mm 팹의 비교적 성숙한 40nm 및 28nm 공정에 대한 수요도 증가하고 있습니다. "이러한 노드는 소비자 및 통신 애플리케이션에 의해 주도되고 있습니다. 게임, 무선 통신, LED 드라이버와 같은 애플리케이션은 이러한 노드를 주도하는 애플리케이션 중 일부에 불과합니다. 또한 5G 및 밀리미터파 관련 디바이스도 빠르게 성장하고 있습니다."라고 응은 말합니다.
한편, 2021년에도 많은 공급업체의 200mm 파운드리 용량에 대한 수요는 견조할 것입니다. 가트너의 애널리스트인 사무엘 왕은 "모든 대만 파운드리 업체들은 200mm 공급 부족이 적어도 2021년 2분기 말까지 지속될 것으로 예상하고 있습니다."라고 말했습니다. "200mm 웨이퍼 수요 증가의 주요 원인 중 하나는 5G 스마트폰과 기지국의 생산량이 지속적으로 증가하고 있기 때문입니다. 이로 인해 2021년 내내 대만 파운드리의 200mm 활용도가 높게 유지될 것입니다. 자동차 및 산업용 애플리케이션에 서비스를 제공하는 일부 비대만 파운드리에서는 200mm 웨이퍼에 대한 수요가 급증하지 않을 것으로 예상됩니다."
2020년에는 일부 파운드리에서 고객을 위해 200mm 가격을 인상했습니다. "파운드리에서 선별적으로 가격을 인상한 것은 사실이지만 전반적으로 인상한 것은 아닙니다."라고 왕은 말했습니다. "TSMC는 200mm 가격 인상이 없을 것이라고 공개적으로 선언했으며, 200mm 고객이 장기적인 관계를 유지하기 위해 300mm 팹을 사용하도록 권장하고 있습니다. 다른 대만 파운드리는 가격 인상이 제한적입니다. 이들은 많은 고객과 계약을 체결하여 가격을 안정적으로 유지하고 있습니다. 하지만 일부 중-소량 고객들은 더 많은 가격 인상을 경험했습니다."
200mm 장비 동향
언젠가는 IDM과 파운드리는 새로운 팹을 건설하거나 기존 공장을 확장하여 200mm 용량을 확장해야 합니다. 어떤 경우든 디바이스 제조업체는 200mm 장비를 구매해야 합니다.
200mm 장비를 조달하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 예를 들어, OEM이라고도 하는 많은 장비 공급업체는 처음부터 새로운 200mm 도구를 제작합니다. 또한 OEM은 중고 장비, 이른바 '코어'를 가져와서 사용 가능한 시스템으로 개조하기도 합니다.
또 다른 공급원은 2차 또는 중고 장비 회사입니다. 이 회사들은 코어를 구입하여 리퍼브합니다. 일부는 자체적으로 유명 브랜드 도구를 제작하기도 합니다.
브로커와 eBay와 같은 온라인 사이트에서도 중고 장비를 판매합니다. 일부 칩 제조업체는 오픈 마켓에서 중고 장비를 판매하기도 합니다.
200mm 장비를 구매할 수 있는 방법은 여러 가지가 있지만 그렇게 간단하지 않습니다. 우선, 시장에 사용 가능한 200mm 리퍼브 장비가 부족합니다. 2차 장비 공급업체인 SurplusGlobal에 따르면 올해 초 업계에서는 200mm 팹 수요를 충족하기 위해 2,000~3,000개 이상의 신규 또는 리퍼브 200mm 툴 또는 '코어'가 필요했지만, 공급 가능한 코어는 500개 미만이었습니다.
오늘날 200mm 파운드리 용량에 대한 수요가 급증하는 가운데, 이전보다 더 적은 코어를 사용할 수 있습니다. 서플러스글로벌의 최고 경영자인 브루스 킴은 "더 심각한 상황입니다."라고 말합니다. "모든 200mm 파운드리는 바쁘게 돌아가고 있으며 적어도 내년 말까지는 풀가동 상태입니다."
중고 공구의 부족으로 인해 많은 경우 장치 제조업체는 상대적으로 비싼 새 200mm 공구를 구입하기 위해 장비 제조업체에 직접 방문해야 합니다. "수년 동안 200mm 장비 제조업체는 중고 장비를 저렴하게 공급받을 수 있었습니다. 하지만 이제는 더 이상 그런 공급이 없습니다. 사람들이 유휴 공구를 가지고 있어도 여전히 돈을 벌 수 있기 때문에 팔지 않고 있습니다."라고 VLSI Research의 푸하카는 말합니다. "이제 OEM에 가야 합니다. Applied, Lam, TEL, Kokusai, ASMI, ASML을 찾아가야 합니다. 이러한 툴은 가격이 저렴하지 않습니다. 투자에 대한 장벽이 훨씬 높습니다."
그럼에도 불구하고 OEM의 200mm 공구는 수요가 많습니다.램리서치( )의 전략 마케팅 담당 상무이사 데이비드 헤인즈(David Haynes)는 "리퍼브용 중고 200mm 공구 코어가 부족한 것은 사실입니다."라고 말합니다. "하지만 감지, 전력, RF 분야의 많은 기존 애플리케이션에서 200mm 장비에 대한 수요가 여전히 높습니다. 특히 전력 관리 및 특수 CMOS 이미지 센서 애플리케이션을 위한 아날로그 IC 용량에 대한 수요가 강세를 보이며 고객 수요를 견인하고 있습니다. 마찬가지로 개별 전력 소자 제조 솔루션에 대한 수요도 증가하고 있지만, 이러한 기술은 수요가 증가함에 따라 300mm로 계속 마이그레이션되고 있습니다."
하지만 2019년에 다소 주춤했던 200mm 장비 시장이 다시 활기를 되찾고 있습니다. VLSI Research에 따르면 2019년 200mm 웨이퍼 팹 장비(WFE) 매출은 총 36억 달러로 2018년보다 5% 감소했습니다. 2020년에는 200mm WFE 시장이 반등하여 6~7% 성장할 것으로 예상됩니다. 2021년에도 이 시장은 비슷한 성장세를 보일 것으로 예상됩니다.
도구 구매처
한편, 여러 공급업체에서 새 장비 및/또는 중고 200mm 장비를 판매하고 있습니다. 모든 업체와 제품을 나열하기는 어렵습니다. 시장을 살펴보는 한 가지 방법은 몇 개의 회사를 집중 조명하고 당면한 문제를 살펴보는 것입니다.
웨이퍼에 피처를 패턴화하는 데 사용되는 리소그래피 도구는 시장에서 가장 조달하기 어려운 200mm 시스템인 경우가 많습니다. 한 공급업체인 Canon은 200mm 웨이퍼 크기 이하의 새로운 i-line 및 248nm 리소그래피 시스템을 계속 개발하고 있습니다.
"신규 및 중고 200mm 장비에 대한 수요가 강하지만, 캐논은 시장 수요를 충족하기 위해 특정 단위 수량을 늘리면서도 허용 가능한 리드 타임을 유지할 수 있는 유연한 신규 장비 제작 일정을 갖추고 있습니다."라고 Canon의 마케팅 매니저인 Doug Shelton은 말합니다. "새 장비는 예산이 잘 정의되어 있고 인쇄 시스템 성능, 생산성, 기능 또는 제품 수명 요구 사항이 있는 기업에게 매력적입니다. 리소그래피 성능과 출력이 주요 우선 순위가 아닌 200mm 팹 비용을 최소화하려는 고객에게는 저렴한 중고 장비가 매력적입니다. 새로운 툴 장비 전략을 통해 중고 리소그래피 장비의 조달, 리퍼비시, 설치 및 지원과 관련된 위험을 최소화할 수 있습니다."
한편, 여러 회사에서 200mm 증착 및 식각 장비를 제작 및 판매하고 있습니다. 증착은 표면에 얇은 막을 씌우는 작업입니다. 식각 장비는 재료를 제거합니다.
"램리서치는 항상 새로운 200mm 증착, 식각 및 단일 웨이퍼 세정 툴을 지속적으로 개발해 왔습니다."라고 램리서치의 헤인즈는 말합니다. "우리는 선제적인 코어 확보 프로그램을 운영하고 있습니다. 하지만 리퍼브 툴을 공급할 수 없는 경우, 램리서치 팀은 새로운 제품을 대안으로 제공할 수 있는 준비가 되어 있습니다."
리퍼비시 300mm 시스템에 대한 수요도 증가하고 있습니다. "이 부문에서는 고급 공정 요구 사항을 충족하면서도 해당 시장에서 운영 중인 고객의 자본 투자 목표를 충족할 수 있는 리퍼브 300mm 공구에 대한 수요가 매우 높습니다."라고 헤인즈는 말합니다.
다른 증착/식각 공급업체들도 비슷한 추세를 보이지만 몇 가지 과제를 안고 있습니다. SPTS의 버틀러는 "크게 보면 200mm 이하 장비를 공급하는 데 특별한 어려움은 없습니다."라고 말합니다. "공급망은 성숙하고 안정적입니다. 계측 시스템도 쉽게 구할 수 있습니다. 200mm 이하 웨이퍼의 도전 과제는 각각 매우 다른 기술적 요구 사항을 가진 다양한 시장을 지원한다는 점입니다. 예를 들어 RF 필터링용 압전 필름, 전력용 GaN (질화 갈륨) 층의 나노미터 제거, MEMS용 200°C 미만에서 증착된 고파괴 유전체의 경우 균일한 두께와 응력 제어가 다릅니다."
실제로 200mm 팹의 칩에 대한 요구 사항은 단순하다는 인식이 있습니다. 반대로 요구 사항은 때때로 복잡하며 디바이스 제조업체는 더 정밀한 공정과 더 빠른 처리량을 갖춘 툴을 원합니다.
"우리는 파운드리용 200mm 전체 표면 검사 시스템을 많이 출하합니다. 일부 고객은 새로운 툴이 더 나은 결함 감도를 제공하기 때문에 기존 검사 시스템을 대체하기 위해 새로운 검사 시스템을 구매하고 있습니다."라고 의 검사 제품 관리 디렉터인 Damon Tsai는 말합니다. "앞으로는 필요한 검사 샘플링 속도가 계속 증가하기 때문에 전면, 후면 및 가장자리 검사의 처리량을 개선해야 합니다. 특수 반도체 애플리케이션에서 수율 관리를 위해 후면 검사가 더욱 중요해지고 있으므로 후면 감도를 개선하는 방법도 핵심입니다."
KLA, Onto 등은 검사 및 계측 장비를 판매하며, 이는 200mm 팹에서도 매우 중요합니다. 검사 장비는 칩의 결함을 찾아내고 계측 도구는 구조를 측정하는 데 사용됩니다.
"2020년에는 200mm 팹의 가동률이 증가했으며 2021년에는 추가 성장이 예상됩니다."라고 KLA의 부사장 겸 총괄 매니저인 윌버트 오디쇼는 말합니다. "5G, 자동차, 디스플레이 패널, AR/VR이 주도하는 견고한 수요가 있습니다. 가장 큰 지역적 성장은 중국에서 이루어지고 있으며, 향후 2년 동안 10곳 이상의 새로운 팹과 확장이 가동될 것으로 예상됩니다. SiC(실리콘 카바이드)와 GaN도 200mm 용량 수요를 견인하고 있습니다."
KLA는 200mm 검사 및 계측 도구의 광범위한 포트폴리오를 보유하고 있습니다. "우리는 리퍼브 200mm KLA 공구를 시장에 공급하고 있으며 다른 성숙한 제품 라인을 재제조하고 있습니다. 또한 현재 여러 도구 모델에 200mm 기능을 추가했습니다."라고 Odisho는 말합니다. "어떤 경우에는 성장하고 있는 성숙한 시장 수요를 충족하기 위해 특정 200mm 제품 제조를 다시 시작하기도 했습니다. 우리는 추가 시스템과 성능 및 처리량 향상 업그레이드 모두에서 200mm의 강력한 성장을 계속 보고 있습니다. 또한 노후화 완화를 통해 공급의 연속성을 보장하기 위해 엔지니어링 지원을 두 배로 늘려 제품 서비스 가능성이라는 과제를 해결하고 있습니다."
결론
확실히 200mm는 성숙한 기술을 갖춘 오래된 팹이지만, 여전히 존재할 것입니다.
파운드리 및 장비 공급업체의 경우 200mm 용량 수요를 충족해야 하는 과제를 안고 있습니다. 하지만 이는 말처럼 쉬운 일이 아닙니다.