200mm需求激增
半工程
2020 年 12 月 17 日
对各种芯片的需求激增,导致部分 200mm 代工厂产能和 200mm 晶圆厂设备短缺,而且这种情况在 2021 年不会有任何缓解的迹象。
晶圆代工客户至少在 2021 年上半年将面临部分晶圆代工厂 200mm 产能不足的问题,甚至可能更久。这些客户需要未雨绸缪,确保在 2021 年获得足够的 200mm 产能。否则,他们可能会被完全排除在市场之外,或需要为该产能支付溢价。
200 毫米市场对于设备和器件制造商来说都是一个规模庞大的业务。目前,全球有 200 多座晶圆厂使用直径为 200 毫米(8 英寸)的晶圆生产芯片。芯片制造商利用这些 200mm 晶圆厂生产基于成熟工艺的芯片,工艺节点从 350 纳米到 90 纳米不等。模拟、显示驱动器、电源管理集成电路(PMIC)和射频器件都是 200 毫米晶圆厂生产的芯片。
其中许多设备并不是由当今最先进的 300mm 晶圆厂制造的。300mm 晶圆厂用于加工最先进的芯片,尽管它们也生产 65 纳米到 28 纳米等成熟节点的设备。
由此,200 毫米和 300 毫米晶圆厂市场又细分为两类--集成设备制造商(IDM)和代工厂。集成设备制造商设计自己的名牌芯片,并在自己的工厂生产。代工厂则以具有竞争力的价格在自己的工厂为其他公司生产芯片。大多数代工厂都拥有 200mm 和 300mm 晶圆厂。
这并不是一个新问题。从 2015 年到 2019 年,整个行业的 200mm 晶圆厂产能都供不应求,原因很简单,就是供大于求。设备制造商希望扩大其 200 毫米晶圆厂产能,但却没有足够的 200 毫米设备可用。然后,在 2020 年初,Covid-19 大流行病出现,导致整个半导体行业放缓,包括 200mm 市场。但到了 2020 年中期,随着电脑、平板电脑、电视和其他产品需求的激增,市场出现反弹。
2020 年,200 毫米市场也出现反弹,但并非每个人都能平等受益。一些代工厂的 200mm 和 300mm 产能已经售罄,而其他供应商却没有。许多 IDM 也有过剩的 200mm 产能。产能情况取决于产品组合。
"今年的情况很有趣。不仅对 200mm 有需求,而且对尖端和特殊产品也有普遍需求。这包括电源、CMOS 图像传感器、射频和这类产品,"VLSI Research 总裁 Risto Puhakka 说。"市场上也存在分化。如果你是像 TI、NXP 这样的 IDM 公司,或者是标准模拟公司,那么 2020 年将会很艰难。受冠状病毒的影响,工业、汽车和电源市场一直处于艰难的境地。但与此同时,代工厂却在蓬勃发展。代工厂正在应对我所说的消费市场。
虽然 IDM 目前正开始复苏,但大多数代工厂在 2021 年仍将看到对 200mm 产能的强劲需求。"Puhakka 说:"晶圆代工厂的前沿节点非常活跃。"不出意外的话,它正在加速发展。
和以前一样,代工厂希望扩大产能,但在目前和可预见的未来,仍面临 200 毫米设备短缺的问题。
在半导体生产流程中,硅晶圆制造商根据各种直径尺寸开发出未经加工的晶圆或原始晶圆。晶圆出售给芯片制造商,芯片制造商在晶圆厂将其加工成芯片。
在 20 世纪 60 年代中期半导体工业发展初期,芯片制造商在晶圆厂中用 1.25 英寸(30 毫米)晶圆加工最先进的芯片。30 毫米表示晶圆的直径。
多年来,芯片制造商开始采用更大尺寸的晶圆。由于采用了更大尺寸的晶圆,供应商在每个晶圆上生产的芯片数量增加了 2.2 倍,从而降低了制造成本。
20 世纪 90 年代,尖端芯片制造商从 150 毫米晶圆厂迁移到 200 毫米晶圆厂。当时,建造一座 200 毫米晶圆厂的成本约为 7 亿至 13 亿美元。晶圆厂成本的很大一部分围绕着用于制造芯片的设备。蚀刻、沉积和光刻系统是晶圆厂中常见的设备类型。
多年来,200 毫米晶圆厂已成为最先进的标准。据 SEMI 分析师 Christian Dieseldorff 称,到 2002 年,全球共有 186 座 200mm 晶圆厂投入运营,而 1995 年只有 65 座。
从 2000 年代开始,许多芯片制造商从 200mm 晶圆厂转向 300mm 晶圆厂(直径为 12 英寸的晶圆)。最初,建造一座 300 毫米晶圆厂的成本为 20 亿至 30 亿美元。
尽管向 300mm 晶圆厂迁移,但 200mm 工厂并没有消失。相反,大量芯片制造商继续在老式的 200mm 晶圆厂生产芯片。如今,许多厂商也在老式的 150mm 和 100mm 晶圆厂生产芯片。
然而,在 2015 年之前,200 毫米市场一直被人遗忘。当时,模拟、射频、微机电系统(MEMS)和其他设备类型的需求激增,导致 200 毫米晶圆厂产能短缺。
从 2015 年到 2019 年,200 毫米晶圆厂产能一直很紧张。在 2020 年,除了今年早些时候的冷清之外,许多供应商的代工厂产能一直很紧张。IDM 的 200mm 产能喜忧参半。
" UMC 业务发展副总裁 Walter Ng 说:"过去,对 200mm 产能的需求是周期性的,但在过去几年中,这种态势发生了变化。"我们看到整个行业的 200mm 需求持续超过供应。许多设备都是长寿命产品,将在现有技术上使用一段时间。其他新的应用也正在进入市场,希望利用 200mm 技术节点的技术/成本优势。这就形成了 200mm 的新规范,在可预见的未来,行业需求将持续超过行业供应。
设备供应商也看到了类似的趋势。" KLA 公司 SPTS Technologies 的执行副总裁兼总经理 David Butler 说:"SPTS 的 200mm 晶圆加工设备前景非常强劲,过去 5 年左右一直如此。"小型晶圆市场的蓬勃发展在我们自己的统计数据中非常明显。从 2010 年到 2015 年,200 毫米或更小尺寸晶圆的销售额在我们总业务中所占的比例有所下降,与 300 毫米晶圆的比例接近 50/50。随后趋势逆转,200 毫米或更小尺寸晶圆的比例又回到了 2010 年的水平。
200 毫米产能趋势
看待 200mm 市场有几种方法。其一是将市场分为三个部分--代工供应商基础、晶圆厂产能和设备。
有几家代工厂商在 200mm 晶圆厂为其他厂商生产芯片,每家公司都有不同的工艺产品。GlobalFoundries, Hua Hong, Samsung, SkyWater, SMIC, Tower, TSMC, UMC, Vanguard 和 X-Fab 是拥有 200mm 晶圆厂的代工厂商。
9 月份,在收购了 MagnaChip 的代工业务后,一家新的 200mm 代工企业--Key Foundry 进入了市场。
与此同时,在产能方面,IDM 和代工厂继续新建 200mm 晶圆厂。"SEMI的Dieseldorff说:"2019年,我们统计了5座新的200毫米晶圆厂。"2020年,有7座200毫米晶圆厂开始建设工作。2021 年还将有一座或可能有两座开始建设。"
根据 SEMI 的数据,就地区而言,中国在 2020 年将新建三座 200mm 晶圆厂,而美洲、日本、东南亚和台湾则各有一座工厂。拟于 2021 年建成的工厂位于美国。
另一种衡量产能的方法是晶圆厂的产量,即每月晶圆产量(wpm)。"Dieseldorff说:"就wpm而言,我们认为从2019年到2021年,每年都会有约3%到4%的稳步增长。
预计到 2021 年,该行业新增的 200mm 产能将超过 220,000 瓦时/分。根据 SEMI 的数据,200 毫米晶圆厂的总产能预计将达到 640 万 wpm。200mm 晶圆厂产能包括分立器件、外延片、LED、MEMS 和半导体。
200mm 产能以其他方式衡量。例如,200 毫米晶圆厂的每个工艺节点都有自己的供需方程式。例如,在 200mm 晶圆厂中,180 纳米节点的 PMIC 和显示驱动 IC 需求量较大。
此外还有迁移因素。在很长一段时间内,一些芯片类型将继续在 200mm 晶圆厂生产。还有一些芯片正在从 200 毫米工厂向 300 毫米工厂迁移。
"联电的Ng表示:"可以肯定地说,整个行业的200毫米和300毫米晶圆代工产能都非常紧张。"过去几年来,200 毫米产能持续饱和,推动了许多应用向 300 毫米技术节点迁移。因此,我们看到了 80nm/90nm 和 65nm/55nm 的 PMIC、显示驱动 IC 和 RF-SOI 设计。我们所说的传统 300mm 在一定程度上是由那些采用更先进的 200mm 工艺的大批量终端应用所推动的。
在许多代工厂,300 毫米晶圆厂中相对成熟的 40 纳米和 28 纳米工艺也有需求。"消费和通信应用正在推动这些节点的发展。游戏、无线通信和 LED 驱动器等应用只是其中的一些驱动应用。此外,5G 和毫米波相关设备也在快速增长。
与此同时,2021年许多厂商对200毫米晶圆代工产能的需求仍将保持强劲。"Gartner分析师Samuel Wang表示:"所有台湾代工厂都预计,200毫米晶圆供应紧张的局面至少会持续到2021年第二季度末。Gartner分析师Samuel Wang说:"200毫米晶圆需求增长的主要原因之一是5G智能手机和基站的产量持续上升。这将使台湾代工厂的 200mm 晶圆在整个 2021 年都保持较高的利用率。一些服务于汽车和工业应用的非台湾晶圆代工厂并没有看到 200mm 晶圆需求如此激增。"
2020 年,一些代工厂为客户提高了 200mm 的价格。"Wang说:"代工厂会有选择性地提价,但不会一刀切。"台积电已公开宣布不会提高 200mm 价格,并鼓励 200mm 客户升级使用 300mm 晶圆厂,以维持长期合作关系。其他台湾代工厂的提价幅度有限。它们与许多客户签订了保持价格稳定的合同协议。但部分中小批量客户的价格涨幅较大。
200mm 设备发展趋势
在某些时候,IDM 和代工厂必须通过建设新工厂或扩建现有工厂来扩大其 200mm 产能。无论哪种情况,设备制造商都必须购买 200mm 设备。
采购 200mm 设备有几种方法。例如,许多设备供应商(也称为 OEM)从头开始制造新的 200mm 工具。原始设备制造商也会利用二手设备或所谓的 "核心",将其翻新成可用的系统。
另一个来源是二手设备公司。这些公司会获取核心并进行翻新。有些公司甚至制造自己的名牌工具。
经纪人和 eBay 等在线网站也出售二手设备。一些芯片制造商也在公开市场上出售二手设备。
购买 200 毫米设备有几种途径,但并不那么简单。首先,市场上可用的 200 毫米翻新设备短缺。据二手设备供应商 SurplusGlobal 称,今年早些时候,该行业需要 2,000 至 3,000 多台全新或翻新的 200mm 工具或 "核心",以满足 200mm 晶圆厂的需求,但只有不到 500 台核心可供使用。
如今,在对 200 毫米晶圆代工产能需求旺盛的情况下,可用的晶圆核心比以前更少了。"SurplusGlobal首席执行官布鲁斯-金(Bruce Kim)说:"情况更加严重了。"至少在明年年底之前,每家 200mm 代工厂都忙得不可开交,而且都在全力运作。"
由于二手工具短缺,设备制造商在很多情况下必须直接向设备制造商购买新的 200 毫米工具,而新工具的价格相对较高。"多年来,200 毫米设备制造商能够以低廉的价格获得二手设备。现在,你不再有这样的供应了。VLSI Research 的 Puhakka 说:"即使人们有闲置的工具,他们也不会出售,因为他们仍然可以用这些工具赚钱。"现在,你必须去找原始设备制造商。你必须去找 Applied、Lam、TEL、Kokusai、ASMI 和 ASML。这些工具并不便宜。投资的门槛要高得多。
尽管如此,原始设备制造商的 200 毫米工具仍然供不应求。" Lam Research 公司战略营销总经理 David Haynes 说:"用于翻新的二手 200mm 工具核心肯定会短缺。"但在传感、电源和射频领域的许多成熟应用中,对 200mm 设备的需求仍然很旺盛。电源管理和专业 CMOS 图像传感器应用对模拟 IC 容量的需求尤为强劲,推动了客户的需求。同样,我们看到对分立功率器件制造解决方案的需求也在不断增长,尽管随着需求的增长,这些技术将继续向 300mm 迁移"。
尽管如此,在经历了 2019 年的小幅低迷之后,200 毫米设备市场正在重新起飞。VLSI Research公司的数据显示,2019年200毫米晶圆厂设备(WFE)的总销售额为36亿美元,比2018年下降了5%。VLSI Research称,2020年,200毫米WFE市场有望反弹,并增长6%至7%。该公司称,预计 2021 年市场也将出现类似的增长。
在哪里购买工具
同时,有几家供应商出售新的和/或二手 200mm 设备。很难列出所有公司及其产品。审视市场的一种方法是突出几家公司并探讨当前的问题。
用于在晶圆上绘制特征图案的光刻工具通常是市场上最难采购的 200 毫米系统。佳能公司是其中一家供应商,它不断开发新的 i 线和 248 纳米光刻系统,适用于 200 毫米及更小的晶圆尺寸。
"佳能营销经理道格-谢尔顿(Doug Shelton)表示:"市场对全新和二手200毫米设备的需求十分强劲,但佳能在新设备制造计划方面具有灵活性,这使我们能够增加具体的设备数量以满足市场需求,同时保持可接受的交付周期。"新设备对预算明确、对平版印刷系统性能、生产率、功能或产品使用寿命有要求的公司很有吸引力。价格较低的二手设备对那些寻求最大限度降低 200mm 工厂成本的客户具有吸引力,因为光刻性能和产量并不是主要优先考虑的因素。与采购、翻新、安装和支持二手光刻设备相关的风险可通过新工具设备战略降至最低"。
同时,有几家公司生产和销售 200 毫米沉积和蚀刻设备。沉积包括在表面上形成薄膜。蚀刻工具可去除材料。
"Lam 的 Haynes 说:"Lam 一直在不断制造新的 200mm 沉积、蚀刻和单晶片清洁工具。"我们有一个积极的核心收购计划。但如果我们无法提供翻新工具,我们的团队也会提供新产品作为替代。
翻新 300mm 系统的需求也在增加。"海恩斯说:"在这一细分市场,我们看到对翻新的 300mm 工具的需求很大,这些工具既能满足先进的工艺要求,又能满足我们在这些市场经营的客户的资本投资目标。
其他沉积/蚀刻供应商也看到了类似的趋势和一些挑战。"SPTS 的 Butler 说:"从广义上讲,在供应 200 毫米或更小的设备方面没有具体的挑战。"供应链成熟稳定。计量系统随时可用。200 毫米或更小的晶圆面临的挑战在于其支持的市场种类繁多,每个市场都有非常不同的技术需求。例如,用于射频滤波的压电薄膜、用于电源的 GaN (氮化镓)层的纳米移除、以及用于 MEMS 的低于 200°C 的高击穿电介质沉积,都需要不同的均匀厚度和应力控制。
事实上,人们认为 200mm 晶圆厂对芯片的要求很简单。恰恰相反,这些要求有时很复杂,设备制造商需要工艺更精确、吞吐量更快的工具。
"我们为铸造厂提供了大量 200 毫米全表面检测系统。 Onto Innovation 检测产品管理总监 Damon Tsai 说:"我们的一些客户正在购买我们的新检测系统,以取代现有的检测系统,因为新工具能提供更好的缺陷灵敏度。"展望未来,我们需要提高正面、背面和边缘检测的吞吐量,因为所需的检测采样率在不断提高。背面检测对于特种半导体应用中的良率控制变得更加重要,因此如何提高背面灵敏度也是一个关键。"
KLA、Onto 等公司销售检测和计量设备,这在 200mm 晶圆厂中也至关重要。检测设备可发现芯片中的缺陷,而计量工具则用于测量结构。
"KLA 副总裁兼总经理 Wilbert Odisho 表示:"2020 年,我们看到 200mm 晶圆厂满负荷运转,预计 2021 年还会有更多增长。"5G、汽车、显示面板和 AR/VR 驱动着强劲的需求。最大的区域增长来自中国,我们预计未来两年将有十多个新的晶圆厂和扩建项目在中国投产。SiC(碳化硅)和 GaN 也在推动 200mm 产能需求。
KLA 拥有广泛的 200 毫米检测和计量工具产品组合。"我们正在用翻新的 200 毫米 KLA 工具为市场提供服务,并正在重新制造其他成熟的产品系列。我们还为当前的几种工具型号增加了 200mm 功能,"Odisho 说。"在某些情况下,我们重新推出了特定的 200 毫米产品制造,以满足不断增长的成熟市场的巨大需求。无论是新增系统,还是性能和吞吐量提升升级,我们都看到了 200mm 领域的强劲增长势头。我们还通过加倍努力提供工程支持,以确保通过减少报废来保证供应的连续性,从而应对产品可维护性方面的挑战。
结论
可以肯定的是,200 毫米晶圆厂是技术成熟的老式晶圆厂,但它们将继续存在。
对于代工厂和设备供应商来说,如何满足 200mm 的产能需求是一项挑战。但说起来容易做起来难。