8英寸晶圓產(chǎn)能短缺將持續多年

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市場(chǎng)對成熟制程工藝芯片的需求激增，導致200mm（8英寸）晶圓代工產(chǎn)能和200mm晶圓廠(chǎng)設備都出現短缺，而且沒(méi)有減弱的跡象。事實(shí)上，即使今年新產(chǎn)能上線(xiàn)，短缺可能會(huì )持續數年，推高價(jià)格并迫使整個(gè)半導體供應鏈發(fā)生重大變化。
200mm晶圓代工產(chǎn)能和設備的短缺已經(jīng)存在一段時(shí)間了，而且這種狀況仍然存在。例如，根據 Gartner 的數據，200mm晶圓代工產(chǎn)能在2022上半年被預訂滿(mǎn)。除此之外，對200mm晶圓代工產(chǎn)能的需求將繼續超過(guò)供應，這意味著(zhù)代工客戶(hù)需要提前計劃以確保他們在未來(lái)獲得足夠的 200mm晶圓產(chǎn)能。
有兩種類(lèi)型的半導體公司在晶圓廠(chǎng)制造芯片。集成設備制造商 ( IDM ) 設計自己的名牌芯片并在自己的晶圓廠(chǎng)中制造。與此同時(shí)，代工廠(chǎng)在自己的晶圓廠(chǎng)中為其他公司制造芯片。IDM 和代工廠(chǎng)都有200mm或300 mm的晶圓廠(chǎng)。
自 1990 年代以來(lái)，200 mm晶圓廠(chǎng)就已經(jīng)存在。許多芯片制造商運營(yíng)著(zhù) 200 mm晶圓廠(chǎng)，據最新統計，目前已有 200 多家。200mm 晶圓廠(chǎng)采用成熟的工藝技術(shù)制造器件，從 6μm 到 110nm 節點(diǎn)。在 200 mm晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)的芯片用于所有電子產(chǎn)品，包括模擬、顯示 IC、微控制器 (MCU)、電源管理 IC (PMIC) 和射頻。
這些芯片中的一些也可以在更先進(jìn)的 300 mm晶圓廠(chǎng)中生產(chǎn)。這些較大的晶圓廠(chǎng)處理從 90nm 到 5nm 節點(diǎn)的器件。
盡管如此，IDM 和代工廠(chǎng)在所有節點(diǎn)上都看到了前所未有的芯片需求。在 2020 年 Covid-19 爆發(fā)期間，各國實(shí)施了各種措施來(lái)緩解疫情，例如居家令。許多人開(kāi)始在家工作或遠程上學(xué)，助長(cháng)了購買(mǎi)新 PC 和電視的熱潮。然后，在 2021 年，對汽車(chē)、智能手機和其他產(chǎn)品的需求激增。所有這些都導致了多個(gè)市場(chǎng)的芯片短缺浪潮。
芯片短缺的情況已經(jīng)延續到 2022 年上半年。許多人認為，到 2022 年年中，供需情況將恢復相對正常，但部分汽車(chē)芯片全年仍將供不應求。不過(guò)，到 2022 年年中，許多芯片制造商應該有足夠的 300 mm晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能來(lái)滿(mǎn)足需求。
但 200 mm是另一回事。今天，幾家公司正在建設新的 200 mm晶圓廠(chǎng)。根據 SEMI 的數據，到 2021 年，該行業(yè)的 200 mm晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能每月增加超過(guò) 300,000 片晶圓 (wpm)，比 2020 年增長(cháng) 5%。這還不足以滿(mǎn)足需求。
“代工廠(chǎng)的 200 mm產(chǎn)能在 2022 年上半年售罄。我預計 200 mm代工廠(chǎng)產(chǎn)能的緊張局面將持續幾年，可能會(huì )持續到 2025 年，”Gartner 分析師 Samuel Wang 表示。Wang 表示，IDM 的情況稍好一些，200mm 產(chǎn)能的晶圓廠(chǎng)利用率高于 80%。
即使代工廠(chǎng)客戶(hù)有幸在 2022 年獲得足夠的 200 mm或 300 mm產(chǎn)能，他們也面臨著(zhù)另一組問(wèn)題。代工供應商預計今年將提高 200 mm和 300 mm晶圓的價(jià)格。

01200mm的興衰
1960 年代，在半導體行業(yè)的早期，半導體公司使用基本設備在工廠(chǎng)中制造相對簡(jiǎn)單的芯片。在那些日子里，芯片制造商制造自己的設備。
在 1960 年代初期，芯片制造商在這些早期工廠(chǎng)中使用 20 mm（0.75 英寸）的微小晶圓加工設備。在 30 年的時(shí)間里，他們遷移到晶圓尺寸更大的晶圓廠(chǎng)，例如 30mm/40mm、50mm、75mm、100mm、125mm 和 150mm。
通過(guò)轉向更大的晶圓尺寸，供應商可以在每個(gè)晶圓上生產(chǎn)大約 2.2 倍的裸片，從而使他們能夠降低晶圓廠(chǎng)的制造成本。
然后，在 1990 年代，出現了 200mm 晶圓廠(chǎng)。當時(shí)，建造一座 200 mm晶圓廠(chǎng)的成本為 7 億至 13 億美元。晶圓廠(chǎng)的大部分成本都圍繞著(zhù)用于制造芯片的設備。
多年來(lái)，200mm 晶圓廠(chǎng)被認為是最先進(jìn)的設施。然后，從 2000 年代開(kāi)始，許多芯片制造商從 200 mm晶圓廠(chǎng)遷移到 300 mm晶圓廠(chǎng)。最初，建造 300 mm晶圓廠(chǎng)的成本為 20 億至 30 億美元。
在此期間，200mm 晶圓廠(chǎng)仍在使用中。但 200 mm是一個(gè)被遺忘的市場(chǎng)，直到 2015 年，業(yè)界對基于更成熟工藝的芯片的需求激增。突然間，代工廠(chǎng)的 200mm 晶圓廠(chǎng)利用率徘徊在 100%。出現產(chǎn)能短缺。
從 2016 年到 2021 年，200mm 產(chǎn)能緊張。Onto Innovation產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Woo Young Han 表示：“在過(guò)去的三到四年里，200mm 代工廠(chǎng)一直以接近 100% 的產(chǎn)能運營(yíng)?！?“他們看到了 PMIC、顯示驅動(dòng)器 IC 和 MCU 的大幅增長(cháng)?！?/span>
到 2021 年底，大多數代工廠(chǎng)商的 200 mm代工產(chǎn)能已售罄?！罢雇谒募径?，我們預計晶圓出貨量和 ASP 趨勢將保持堅挺。聯(lián)電聯(lián)席總裁Jason Wang 表示，8 英寸和 12 英寸設施的產(chǎn)能利用率將繼續保持滿(mǎn)負荷。
盡管如此，一些代工廠(chǎng)客戶(hù)仍可以獲得足夠的 200 mm產(chǎn)能來(lái)滿(mǎn)足他們的要求。其他人則沒(méi)有那么幸運，尤其是汽車(chē)公司。2020年汽車(chē)銷(xiāo)量暴跌，很多車(chē)企停止購買(mǎi)芯片。到 2021 年，當汽車(chē)業(yè)務(wù)反彈時(shí)，汽車(chē)制造商的芯片庫存已經(jīng)不足。
然后，汽車(chē)制造商開(kāi)始瘋狂地訂購芯片。但芯片制造商沒(méi)有足夠的晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能，這反過(guò)來(lái)又導致汽車(chē)和其他領(lǐng)域的芯片短缺。其中許多芯片是在 200 mm晶圓廠(chǎng)中制造的。
預計 2022 年，汽車(chē)和非汽車(chē)芯片的需求都將強勁?！半S著(zhù)越來(lái)越多的公司開(kāi)始設計自己的設備，代工廠(chǎng)也看到了對小批量生產(chǎn)各種設備的高需求，”Onto 的 Woo 說(shuō)?！捌?chē)行業(yè)是對小批量生產(chǎn)各種設備的高需求的一個(gè)很好的例子。特斯拉、福特、通用、大眾和現代等汽車(chē)公司宣布將開(kāi)始設計自己的半導體芯片，這種趨勢正在推動(dòng) 200 mm晶圓生產(chǎn)的高需求?！?/span>
除了 200 mm和 300 mm，100 mm和 150 mm的晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能也有需求。許多功率半導體是在 150 mm晶圓廠(chǎng)中生產(chǎn)的，尤其是那些使用氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 材料的晶圓廠(chǎng)。GaN 和 SiC 功率半導體都是熱門(mén)市場(chǎng)。
02200mm晶圓廠(chǎng)成本
與此同時(shí)，在制造方面，幾家代工廠(chǎng)商在 200mm 晶圓廠(chǎng)為其他廠(chǎng)商制造芯片，每家公司都有不同的工藝產(chǎn)品。GlobalFoundries、華虹、三星、SK Hynix、SkyWater、SMIC、Tower、TSMC、UMC、Vanguard 和 X-Fab 都是擁有 200mm 晶圓廠(chǎng)的代工供應商。
據 SEMI 稱(chēng)，總體而言，預計 2022 年將有 216 家 200 mm晶圓廠(chǎng)投入運營(yíng)，而 2016 年為 184 家。200mm晶圓廠(chǎng)整體產(chǎn)能方面，2020年臺積電以10%的份額領(lǐng)先，其次是意法半導體（6%）、聯(lián)電（6%）、英飛凌（6%）、德州儀器（6%）、中芯國際（5%）等，根據 IC Insights 的說(shuō)法。
今天，有幾家公司正在建造新的 200mm 晶圓廠(chǎng)或在現有 200mm 設施上增加生產(chǎn)線(xiàn)。SEMI分析師克里斯蒂安·迪塞爾多夫 (Christian Dieseldorff) 表示：“看看新的 200 mm量產(chǎn)晶圓廠(chǎng)，我們目前有五座新的 200 mm晶圓廠(chǎng)將于 2021 年和 2022 年開(kāi)始建設。這些是由 Rogue Valley Microdevices、OnMicro Electronics、英飛凌和傲松計劃的?！?/span>
與此同時(shí)，在現有的 200 mm晶圓廠(chǎng)中，預計 2021 年至 2024 年將有約 17 200 mm生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)?！?021 年，包括 Cree、華潤微電子、中芯國際、羅門(mén)、Innoscience 和 SiEn，”Dieseldorff 說(shuō)。
這聽(tīng)起來(lái)像是很多新的 200 mm容量，但這還不夠?！皩鹘y節點(diǎn)的需求依然強勁。中國以外的 200 mm晶圓代工產(chǎn)能根本不夠，”Gartner 的王說(shuō)?！暗?22 年第三季度，整體 300mm 代工供應將趕上需求，而 200mm 供應緊張將持續多年?！?/span>
顯然，代工客戶(hù)和 IDM 需要更多的 200mm 容量。芯片制造商可以通過(guò)多種方式解決這個(gè)問(wèn)題，包括：

• 建造新的 200mm晶圓廠(chǎng)。
• 為現有晶圓廠(chǎng)增加新的生產(chǎn)線(xiàn)。
• 將一些在 200mm晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)的芯片轉移到更大的 300mm工廠(chǎng)。

建立新的 200 mm晶圓廠(chǎng)是一個(gè)明顯的解決方案。幾家公司正在擴大他們的 200 mm產(chǎn)能，但這是一個(gè)昂貴的提議。據 SEMI 稱(chēng)，新建 200 mm晶圓廠(chǎng)的成本從 MEMS 工廠(chǎng)的 4.5 億美元到功率半導體工廠(chǎng)的 13 億美元不等。SEMI 的 Dieseldorff 說(shuō)：“如果你想概括一下，我會(huì )說(shuō)一個(gè)新的 50,000 wpm 的 200 mm晶圓廠(chǎng)平均成本高達 10 億美元，包括建筑和設備?！?“這取決于產(chǎn)能、產(chǎn)品類(lèi)型和位置?！?/span>
即使你建立一個(gè)新的 200 mm產(chǎn)能，芯片制造商也會(huì )遇到另一個(gè)問(wèn)題。在市場(chǎng)上很難找到新的 200mm 設備。
還有另一種選擇。幾家芯片制造商正在將一些芯片產(chǎn)品從較小的 200 mm晶圓廠(chǎng)轉移到更大的 300 mm工廠(chǎng)。這適用于某些但不是所有產(chǎn)品?？蛻?hù)必須愿意為昂貴的 300 mm晶圓支付更多費用?！霸S多客戶(hù)沒(méi)有看到將傳統芯片遷移到 300 mm晶圓廠(chǎng)的 ROI 合理性，”王說(shuō)。
03尋找 200mm 設備
在 200mm 和 300mm 晶圓廠(chǎng)中，很大一部分成本用于設備。每個(gè)晶圓廠(chǎng)都由一個(gè)封閉的潔凈室組成，配備各種設備類(lèi)型，例如沉積系統、蝕刻機、檢查/計量設備和光刻掃描儀。
使用這些和其他設備類(lèi)型，每種芯片類(lèi)型都遵循不同的工藝流程。在任何情況下，找到合適的 200mm 設備都很重要。有缺陷的系統會(huì )導致芯片出現缺陷。
有幾個(gè)不同的實(shí)體銷(xiāo)售 200 mm工具，包括設備供應商、二手/翻新工具公司、經(jīng)紀人、拍賣(mài)商和在線(xiàn)網(wǎng)站。
許多實(shí)體都享有盛譽(yù)。但是該領(lǐng)域也有許多恐怖故事，其中芯片制造商會(huì )在不知不覺(jué)中購買(mǎi)無(wú)法使用或缺少零件的二手工具。
SurplusGlobal 首席執行官 Bruce Kim 表示，新設備或舊設備的購買(mǎi)者應遵循一些簡(jiǎn)單的規則以避免任何問(wèn)題：1）盡早開(kāi)始尋找；2) 與信譽(yù)良好的公司合作；3) 準備好為使用過(guò)的 200mm 工具支付幾乎新的價(jià)格。
盡管如此，如果您需要 200mm 齒輪，第一步是聯(lián)系設備制造商。一些設備供應商構建了具有最新功能的新 200mm 系統。
“全新 200 mm刀具的交貨時(shí)間非常長(cháng)，”Kim 說(shuō)?！按送?，200 mm全新工具的價(jià)格有時(shí)與 300 mm全新工具的價(jià)格相似?！?/span>
一些設備供應商也將使用稱(chēng)為核心的使用過(guò)的工具并對其進(jìn)行翻新。有時(shí)，供應商無(wú)法翻新系統，因為它已經(jīng)過(guò)時(shí)或無(wú)法使用。也很難為過(guò)時(shí)的工具找到備件。
聯(lián)系二手/翻新設備供應商是另一種選擇。有些攜帶 200 mm和/或 300 mm的二手齒輪。一些甚至制造自己的設備。
一般來(lái)說(shuō)，很難從所有供應商那里找到翻新的 200 mm系統。據二次設備供應商 SurplusGlobal 稱(chēng)，目前，全球市場(chǎng)上所有實(shí)體的 200 mm核心工具不到 250 件。
“我們可能需要 1,500 到 3,000 個(gè)核心工具來(lái)滿(mǎn)足需求，”Kim 說(shuō)?！?00mm 工具實(shí)際上更容易獲得。但是，由于供應鏈問(wèn)題，翻新有點(diǎn)困難。有趣的是，越來(lái)越多的 300mm 工具轉換為 200mm 系統?！?/span>
梳理 200mm 市場(chǎng)的一種方法是突出一些主要工藝步驟并探討手頭的設備問(wèn)題。不可能列出所有提供 200mm 工具的設備供應商。突出幾個(gè)供應商肯定會(huì )強調挑戰。
對于所有芯片，第一步都在硅晶圓供應商處進(jìn)行。這些供應商使用各種設備制造各種直徑尺寸的未加工硅晶片，例如 150 mm、200 mm和 300 mm。
對 200 mm晶圓的需求依然強勁。SEMI 高級研究經(jīng)理 Sungho Yoon 表示：“前五名晶圓供應商不追求 200mm 產(chǎn)能擴張，因此 200mm 晶圓供應預計將在 2022 年保持緊張?！?/span>
同時(shí)，在生產(chǎn)出晶圓后，它們會(huì )被運送到芯片制造商，在晶圓廠(chǎng)進(jìn)行加工。對于許多邏輯芯片，第一步是在晶圓上沉積一層二氧化硅，然后是氮化物層。取決于應用，可以使用其他材料。

然后將晶圓插入稱(chēng)為涂層機/顯影機的系統中。在該系統中，將光刻膠（一種光敏材料）倒在晶圓上。
然后將晶圓發(fā)送到另一個(gè)稱(chēng)為光刻掃描儀或步進(jìn)器的系統。在操作中，晶片和光掩模被放置在光刻工具中。光掩模是給定 IC 設計的模板。
然后，掃描儀/步進(jìn)器產(chǎn)生光，通過(guò)掩模投射到晶圓上，根據給定的設計在晶圓上創(chuàng )建微小的圖案。
對于 200mm 晶圓，芯片制造商使用 365nm（i-line）或 248nm 光刻系統。根據尼康的說(shuō)法，使用各種技術(shù)，i-line 光刻系統可以實(shí)現低至 280nm 的分辨率，而 248nm 約為 110nm。
ASML、佳能和尼康是 200mm 光刻系統的主要供應商。而 200mm 光刻系統通常是市場(chǎng)上最難找到的工具。佳能營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Doug Shelton 表示：“200 mm設備需求的增加和全球設備短缺導致設備交付周期比平常更長(cháng)?！?/span>
所有光刻供應商都銷(xiāo)售具有最新功能的新的或翻新的 200mm 工具?！凹涯芾^續生產(chǎn)新的 200mm 兼容 i-line 和 DUV 步進(jìn)器和掃描儀，我們正在努力優(yōu)化我們的生產(chǎn)能力以滿(mǎn)足 200mm 市場(chǎng)需求，”Shelton 說(shuō)?！凹涯苓€開(kāi)發(fā)了 200mm 版本的 DUV 掃描儀和 i-line 步進(jìn)器，可提供 200mm 基板上的 300mm 高性能計算應用所需的分辨率、覆蓋和吞吐量性能?！?/span>
佳能還翻新舊的 200 mm光刻設備?！斑m用于翻新的候選光刻系統供應有限，并受市場(chǎng)定價(jià)影響，”他說(shuō)。
同時(shí)，在光刻步驟之后，晶片經(jīng)歷各種沉積和蝕刻步驟?；瘜W(xué)氣相沉積 ( CVD ) 是晶圓廠(chǎng)中常用的沉積工具類(lèi)型。在 CVD 系統中，晶圓被插入腔室?；瘜W(xué)物質(zhì)流入腔室并撞擊晶片，在表面形成所需的材料。
芯片制造商使用蝕刻系統在所需位置去除這些材料。反應離子蝕刻 (RIE) 是最常見(jiàn)的蝕刻系統，可連續去除器件中的材料。
需要 200 mm蝕刻和沉積系統。Lam Research戰略營(yíng)銷(xiāo)董事總經(jīng)理 David Haynes 表示：“總體而言，市場(chǎng)上用于滿(mǎn)足產(chǎn)能增長(cháng)需求的專(zhuān)用翻新 200 mm工具嚴重短缺?！?/span>
多年來(lái)，Lam 一直在生產(chǎn) 200 mm沉積和蝕刻工具。它還開(kāi)發(fā)橋接工具?！斑@意味著(zhù)我們可以為 200mm 生產(chǎn)重新配置 300mm 工藝工具，”Haynes 說(shuō)?！拌b于 300mm 內核的可用性?xún)?yōu)于專(zhuān)用 200mm 工具，這為我們提供了滿(mǎn)足客戶(hù)要求的好方法。它為他們提供了與更新的 300 mm平臺相關(guān)的改進(jìn)的工藝能力和生產(chǎn)力?！?/span>
其他沉積和蝕刻供應商也看到了類(lèi)似的趨勢?！霸谶^(guò)去 10 年中，對 ≤200mm 工藝設備的需求一直保持強勁并不斷增長(cháng)，”應用材料公司首席營(yíng)銷(xiāo)官 Mike Rosa 說(shuō)。[1] “可以肯定地說(shuō)，我們今天看到的不僅僅是對 IC 短缺的回應，而是幾年前開(kāi)始的趨勢的延續?！?/span>
與許多公司一樣，Applied 制造新的 200mm 工具或翻新舊系統?！皩τ谖覀儺a(chǎn)品組合中的許多主機和腔室技術(shù)，一段時(shí)間以來(lái)，我們一直在構建全新或部分新的 200mm 系統，”Rosa 說(shuō)?！盀榱藨獙?200 mm系統不斷增長(cháng)的需求，應用材料公司已采取措施顯著(zhù)擴大其在美國以及我們預計將持續強勁需求的地區的制造能力。隨著(zhù)需求的不斷增加，200mm 系統的可用性仍然具有挑戰性，我們還積極與希望評估將其工藝移植到更自動(dòng)化和更高規模的 300mm 生產(chǎn)的客戶(hù)合作?！?/span>
同時(shí)，在工藝流程中，檢查芯片是否存在缺陷。為此，芯片制造商使用晶圓檢測系統來(lái)發(fā)現缺陷。他們還使用不同的計量設備來(lái)測量結構。
檢查/計量設備供應商看到了對 200mm 工具的巨大需求。KLA副總裁兼總經(jīng)理 Wilbert Odisho 表示：“200 mm晶圓廠(chǎng)一直收到穩定的客戶(hù)訂單，并且正在滿(mǎn)負荷運轉?！翱蛻?hù)要求加快設備發(fā)貨日期以支持這一需求?！?/span>
對于 300 mm晶圓廠(chǎng)中的前沿芯片，器件中的特征尺寸很小。缺陷也是如此。芯片制造商需要先進(jìn)的檢測/計量系統來(lái)發(fā)現這些微小的缺陷。
相比之下，在 200 mm晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)的芯片具有更大的特征尺寸。缺陷更大，更容易被發(fā)現。無(wú)論大小如何，找到缺陷都至關(guān)重要，尤其是用于汽車(chē)應用的芯片。汽車(chē)供應商想要沒(méi)有缺陷的芯片。
多年前，芯片制造商可以通過(guò)使用較舊的 200mm 檢查/計量工具來(lái)獲得。許多應用程序不再是這種情況。鑒于當今汽車(chē)和其他應用程序的缺陷要求，許多芯片制造商需要功能更強大的 200 mm檢測/計量設備。
“除了翻新和重新認證以前擁有的設備外，KLA 還重新推出了許多產(chǎn)品線(xiàn)來(lái)支持不斷增長(cháng)的需求，”Odisho 說(shuō)?！拔覀兺ㄟ^(guò)在我們的生產(chǎn)線(xiàn)上重新推出 200mm 成熟設備來(lái)滿(mǎn)足這一需求，使新一代系統能夠兼容 200mm，并提供增強功能以提高已使用系統的吞吐量和性能?！?/span>
04結論
顯然，200mm 是一個(gè)充滿(mǎn)活力的市場(chǎng)。在 200mm 代工廠(chǎng)方面，跟蹤產(chǎn)能情況很重要。了解誰(shuí)在制造 200mm 晶圓廠(chǎng)設備也很重要。
但動(dòng)態(tài)總是在變化，在復雜的環(huán)境中增加了挑戰。