8英寸晶圓產(chǎn)能短缺將持續(xù)多年

來源：內(nèi)容編譯自semiengineering

市場對成熟制程工藝芯片的需求激增，導(dǎo)致200mm（8英寸）晶圓代工產(chǎn)能和200mm晶圓廠設(shè)備都出現(xiàn)短缺，而且沒有減弱的跡象。事實(shí)上，即使今年新產(chǎn)能上線，短缺可能會持續(xù)數(shù)年，推高價格并迫使整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈發(fā)生重大變化。
200mm晶圓代工產(chǎn)能和設(shè)備的短缺已經(jīng)存在一段時間了，而且這種狀況仍然存在。例如，根據(jù) Gartner 的數(shù)據(jù)，200mm晶圓代工產(chǎn)能在2022上半年被預(yù)訂滿。除此之外，對200mm晶圓代工產(chǎn)能的需求將繼續(xù)超過供應(yīng)，這意味著代工客戶需要提前計劃以確保他們在未來獲得足夠的 200mm晶圓產(chǎn)能。
有兩種類型的半導(dǎo)體公司在晶圓廠制造芯片。集成設(shè)備制造商 ( IDM ) 設(shè)計自己的名牌芯片并在自己的晶圓廠中制造。與此同時，代工廠在自己的晶圓廠中為其他公司制造芯片。IDM 和代工廠都有200mm或300 mm的晶圓廠。
自 1990 年代以來，200 mm晶圓廠就已經(jīng)存在。許多芯片制造商運(yùn)營著 200 mm晶圓廠，據(jù)最新統(tǒng)計，目前已有 200 多家。200mm 晶圓廠采用成熟的工藝技術(shù)制造器件，從 6μm 到 110nm 節(jié)點(diǎn)。在 200 mm晶圓廠生產(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晶圓廠中生產(chǎn)。這些較大的晶圓廠處理從 90nm 到 5nm 節(jié)點(diǎn)的器件。
盡管如此，IDM 和代工廠在所有節(jié)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)施了各種措施來緩解疫情，例如居家令。許多人開始在家工作或遠(yuǎn)程上學(xué)，助長了購買新 PC 和電視的熱潮。然后，在 2021 年，對汽車、智能手機(jī)和其他產(chǎn)品的需求激增。所有這些都導(dǎo)致了多個市場的芯片短缺浪潮。
芯片短缺的情況已經(jīng)延續(xù)到 2022 年上半年。許多人認(rèn)為，到 2022 年年中，供需情況將恢復(fù)相對正常，但部分汽車芯片全年仍將供不應(yīng)求。不過，到 2022 年年中，許多芯片制造商應(yīng)該有足夠的 300 mm晶圓廠產(chǎn)能來滿足需求。
但 200 mm是另一回事。今天，幾家公司正在建設(shè)新的 200 mm晶圓廠。根據(jù) SEMI 的數(shù)據(jù)，到 2021 年，該行業(yè)的 200 mm晶圓廠產(chǎn)能每月增加超過 300,000 片晶圓 (wpm)，比 2020 年增長 5%。這還不足以滿足需求。
“代工廠的 200 mm產(chǎn)能在 2022 年上半年售罄。我預(yù)計 200 mm代工廠產(chǎn)能的緊張局面將持續(xù)幾年，可能會持續(xù)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)能的晶圓廠利用率高于 80%。
即使代工廠客戶有幸在 2022 年獲得足夠的 200 mm或 300 mm產(chǎn)能，他們也面臨著另一組問題。代工供應(yīng)商預(yù)計今年將提高 200 mm和 300 mm晶圓的價格。

01200mm的興衰
1960 年代，在半導(dǎo)體行業(yè)的早期，半導(dǎo)體公司使用基本設(shè)備在工廠中制造相對簡單的芯片。在那些日子里，芯片制造商制造自己的設(shè)備。
在 1960 年代初期，芯片制造商在這些早期工廠中使用 20 mm（0.75 英寸）的微小晶圓加工設(shè)備。在 30 年的時間里，他們遷移到晶圓尺寸更大的晶圓廠，例如 30mm/40mm、50mm、75mm、100mm、125mm 和 150mm。
通過轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸，供應(yīng)商可以在每個晶圓上生產(chǎn)大約 2.2 倍的裸片，從而使他們能夠降低晶圓廠的制造成本。
然后，在 1990 年代，出現(xiàn)了 200mm 晶圓廠。當(dāng)時，建造一座 200 mm晶圓廠的成本為 7 億至 13 億美元。晶圓廠的大部分成本都圍繞著用于制造芯片的設(shè)備。
多年來，200mm 晶圓廠被認(rèn)為是最先進(jìn)的設(shè)施。然后，從 2000 年代開始，許多芯片制造商從 200 mm晶圓廠遷移到 300 mm晶圓廠。最初，建造 300 mm晶圓廠的成本為 20 億至 30 億美元。
在此期間，200mm 晶圓廠仍在使用中。但 200 mm是一個被遺忘的市場，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，代工廠的 200mm 晶圓廠利用率徘徊在 100%。出現(xiàn)產(chǎn)能短缺。
從 2016 年到 2021 年，200mm 產(chǎn)能緊張。Onto Innovation產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Woo Young Han 表示：“在過去的三到四年里，200mm 代工廠一直以接近 100% 的產(chǎn)能運(yùn)營?！?“他們看到了 PMIC、顯示驅(qū)動器 IC 和 MCU 的大幅增長?！?/span>
到 2021 年底，大多數(shù)代工廠商的 200 mm代工產(chǎn)能已售罄?！罢雇谒募径?，我們預(yù)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(shè)施的產(chǎn)能利用率將繼續(xù)保持滿負(fù)荷。
盡管如此，一些代工廠客戶仍可以獲得足夠的 200 mm產(chǎn)能來滿足他們的要求。其他人則沒有那么幸運(yùn)，尤其是汽車公司。2020年汽車銷量暴跌，很多車企停止購買芯片。到 2021 年，當(dāng)汽車業(yè)務(wù)反彈時，汽車制造商的芯片庫存已經(jīng)不足。
然后，汽車制造商開始瘋狂地訂購芯片。但芯片制造商沒有足夠的晶圓廠產(chǎn)能，這反過來又導(dǎo)致汽車和其他領(lǐng)域的芯片短缺。其中許多芯片是在 200 mm晶圓廠中制造的。
預(yù)計 2022 年，汽車和非汽車芯片的需求都將強(qiáng)勁。“隨著越來越多的公司開始設(shè)計自己的設(shè)備，代工廠也看到了對小批量生產(chǎn)各種設(shè)備的高需求，”O(jiān)nto 的 Woo 說?！捌囆袠I(yè)是對小批量生產(chǎn)各種設(shè)備的高需求的一個很好的例子。特斯拉、福特、通用、大眾和現(xiàn)代等汽車公司宣布將開始設(shè)計自己的半導(dǎo)體芯片，這種趨勢正在推動 200 mm晶圓生產(chǎn)的高需求?！?/span>
除了 200 mm和 300 mm，100 mm和 150 mm的晶圓廠產(chǎn)能也有需求。許多功率半導(dǎo)體是在 150 mm晶圓廠中生產(chǎn)的，尤其是那些使用氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 材料的晶圓廠。GaN 和 SiC 功率半導(dǎo)體都是熱門市場。
02200mm晶圓廠成本
與此同時，在制造方面，幾家代工廠商在 200mm 晶圓廠為其他廠商制造芯片，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 晶圓廠的代工供應(yīng)商。
據(jù) SEMI 稱，總體而言，預(yù)計 2022 年將有 216 家 200 mm晶圓廠投入運(yùn)營，而 2016 年為 184 家。200mm晶圓廠整體產(chǎn)能方面，2020年臺積電以10%的份額領(lǐng)先，其次是意法半導(dǎo)體（6%）、聯(lián)電（6%）、英飛凌（6%）、德州儀器（6%）、中芯國際（5%）等，根據(jù) IC Insights 的說法。
今天，有幾家公司正在建造新的 200mm 晶圓廠或在現(xiàn)有 200mm 設(shè)施上增加生產(chǎn)線。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，我們目前有五座新的 200 mm晶圓廠將于 2021 年和 2022 年開始建設(shè)。這些是由 Rogue Valley Microdevices、OnMicro Electronics、英飛凌和傲松計劃的?！?/span>
與此同時，在現(xiàn)有的 200 mm晶圓廠中，預(yù)計 2021 年至 2024 年將有約 17 200 mm生產(chǎn)線投產(chǎn)。“2021 年，包括 Cree、華潤微電子、中芯國際、羅門、Innoscience 和 SiEn，”Dieseldorff 說。
這聽起來像是很多新的 200 mm容量，但這還不夠。“對傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的需求依然強(qiáng)勁。中國以外的 200 mm晶圓代工產(chǎn)能根本不夠，”Gartner 的王說?！暗?22 年第三季度，整體 300mm 代工供應(yīng)將趕上需求，而 200mm 供應(yīng)緊張將持續(xù)多年?！?/span>
顯然，代工客戶和 IDM 需要更多的 200mm 容量。芯片制造商可以通過多種方式解決這個問題，包括：

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

建立新的 200 mm晶圓廠是一個明顯的解決方案。幾家公司正在擴(kuò)大他們的 200 mm產(chǎn)能，但這是一個昂貴的提議。據(jù) SEMI 稱，新建 200 mm晶圓廠的成本從 MEMS 工廠的 4.5 億美元到功率半導(dǎo)體工廠的 13 億美元不等。SEMI 的 Dieseldorff 說：“如果你想概括一下，我會說一個新的 50,000 wpm 的 200 mm晶圓廠平均成本高達(dá) 10 億美元，包括建筑和設(shè)備?！?“這取決于產(chǎn)能、產(chǎn)品類型和位置?！?/span>
即使你建立一個新的 200 mm產(chǎn)能，芯片制造商也會遇到另一個問題。在市場上很難找到新的 200mm 設(shè)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晶圓廠轉(zhuǎn)移到更大的 300 mm工廠。這適用于某些但不是所有產(chǎn)品。客戶必須愿意為昂貴的 300 mm晶圓支付更多費(fèi)用?！霸S多客戶沒有看到將傳統(tǒng)芯片遷移到 300 mm晶圓廠的 ROI 合理性，”王說。
03尋找 200mm 設(shè)備
在 200mm 和 300mm 晶圓廠中，很大一部分成本用于設(shè)備。每個晶圓廠都由一個封閉的潔凈室組成，配備各種設(shè)備類型，例如沉積系統(tǒng)、蝕刻機(jī)、檢查/計量設(shè)備和光刻掃描儀。
使用這些和其他設(shè)備類型，每種芯片類型都遵循不同的工藝流程。在任何情況下，找到合適的 200mm 設(shè)備都很重要。有缺陷的系統(tǒng)會導(dǎo)致芯片出現(xiàn)缺陷。
有幾個不同的實(shí)體銷售 200 mm工具，包括設(shè)備供應(yīng)商、二手/翻新工具公司、經(jīng)紀(jì)人、拍賣商和在線網(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，其中芯片制造商會在不知不覺中購買無法使用或缺少零件的二手工具。
SurplusGlobal 首席執(zhí)行官 Bruce Kim 表示，新設(shè)備或舊設(shè)備的購買者應(yīng)遵循一些簡單的規(guī)則以避免任何問題：1）盡早開始尋找；2) 與信譽(yù)良好的公司合作；3) 準(zhǔn)備好為使用過的 200mm 工具支付幾乎新的價格。
盡管如此，如果您需要 200mm 齒輪，第一步是聯(lián)系設(shè)備制造商。一些設(shè)備供應(yīng)商構(gòu)建了具有最新功能的新 200mm 系統(tǒng)。
“全新 200 mm刀具的交貨時間非常長，”Kim 說?！按送?，200 mm全新工具的價格有時與 300 mm全新工具的價格相似。”
一些設(shè)備供應(yīng)商也將使用稱為核心的使用過的工具并對其進(jìn)行翻新。有時，供應(yīng)商無法翻新系統(tǒng)，因?yàn)樗呀?jīng)過時或無法使用。也很難為過時的工具找到備件。
聯(lián)系二手/翻新設(shè)備供應(yīng)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(shè)備。
一般來說，很難從所有供應(yīng)商那里找到翻新的 200 mm系統(tǒng)。據(jù)二次設(shè)備供應(yīng)商 SurplusGlobal 稱，目前，全球市場上所有實(shí)體的 200 mm核心工具不到 250 件。
“我們可能需要 1,500 到 3,000 個核心工具來滿足需求，”Kim 說。“300mm 工具實(shí)際上更容易獲得。但是，由于供應(yīng)鏈問題，翻新有點(diǎn)困難。有趣的是，越來越多的 300mm 工具轉(zhuǎn)換為 200mm 系統(tǒng)?！?/span>
梳理 200mm 市場的一種方法是突出一些主要工藝步驟并探討手頭的設(shè)備問題。不可能列出所有提供 200mm 工具的設(shè)備供應(yīng)商。突出幾個供應(yīng)商肯定會強(qiáng)調(diào)挑戰(zhàn)。
對于所有芯片，第一步都在硅晶圓供應(yīng)商處進(jìn)行。這些供應(yīng)商使用各種設(shè)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(qiáng)勁。SEMI 高級研究經(jīng)理 Sungho Yoon 表示：“前五名晶圓供應(yīng)商不追求 200mm 產(chǎn)能擴(kuò)張，因此 200mm 晶圓供應(yīng)預(yù)計將在 2022 年保持緊張?！?/span>
同時，在生產(chǎn)出晶圓后，它們會被運(yùn)送到芯片制造商，在晶圓廠進(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(yīng)用，可以使用其他材料。

然后將晶圓插入稱為涂層機(jī)/顯影機(jī)的系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，將光刻膠（一種光敏材料）倒在晶圓上。
然后將晶圓發(fā)送到另一個稱為光刻掃描儀或步進(jìn)器的系統(tǒng)。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(shè)計的模板。
然后，掃描儀/步進(jìn)器產(chǎn)生光，通過掩模投射到晶圓上，根據(jù)給定的設(shè)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(tǒng)。根據(jù)尼康的說法，使用各種技術(shù)，i-line 光刻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低至 280nm 的分辨率，而 248nm 約為 110nm。
ASML、佳能和尼康是 200mm 光刻系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。而 200mm 光刻系統(tǒng)通常是市場上最難找到的工具。佳能營銷經(jīng)理 Doug Shelton 表示：“200 mm設(shè)備需求的增加和全球設(shè)備短缺導(dǎo)致設(shè)備交付周期比平常更長?！?/span>
所有光刻供應(yīng)商都銷售具有最新功能的新的或翻新的 200mm 工具?！凹涯芾^續(xù)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)能力以滿足 200mm 市場需求，”Shelton 說。“佳能還開發(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(yīng)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(shè)備?！斑m用于翻新的候選光刻系統(tǒng)供應(yīng)有限，并受市場定價影響，”他說。
同時，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 ) 是晶圓廠中常用的沉積工具類型。在 CVD 系統(tǒng)中，晶圓被插入腔室。化學(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(tǒng)在所需位置去除這些材料。反應(yīng)離子蝕刻 (RIE) 是最常見的蝕刻系統(tǒng)，可連續(xù)去除器件中的材料。
需要 200 mm蝕刻和沉積系統(tǒng)。Lam Research戰(zhàn)略營銷董事總經(jīng)理 David Haynes 表示：“總體而言，市場上用于滿足產(chǎn)能增長需求的專用翻新 200 mm工具嚴(yán)重短缺?！?/span>
多年來，Lam 一直在生產(chǎn) 200 mm沉積和蝕刻工具。它還開發(fā)橋接工具?！斑@意味著我們可以為 200mm 生產(chǎn)重新配置 300mm 工藝工具，”Haynes 說?！拌b于 300mm 內(nèi)核的可用性優(yōu)于專用 200mm 工具，這為我們提供了滿足客戶要求的好方法。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。”
其他沉積和蝕刻供應(yīng)商也看到了類似的趨勢?！霸谶^去 10 年中，對 ≤200mm 工藝設(shè)備的需求一直保持強(qiáng)勁并不斷增長，”應(yīng)用材料公司首席營銷官 Mike Rosa 說。[1] “可以肯定地說，我們今天看到的不僅僅是對 IC 短缺的回應(yīng)，而是幾年前開始的趨勢的延續(xù)?！?/span>
與許多公司一樣，Applied 制造新的 200mm 工具或翻新舊系統(tǒng)。“對于我們產(chǎn)品組合中的許多主機(jī)和腔室技術(shù)，一段時間以來，我們一直在構(gòu)建全新或部分新的 200mm 系統(tǒng)，”Rosa 說?！盀榱藨?yīng)對對 200 mm系統(tǒng)不斷增長的需求，應(yīng)用材料公司已采取措施顯著擴(kuò)大其在美國以及我們預(yù)計將持續(xù)強(qiáng)勁需求的地區(qū)的制造能力。隨著需求的不斷增加，200mm 系統(tǒng)的可用性仍然具有挑戰(zhàn)性，我們還積極與希望評估將其工藝移植到更自動化和更高規(guī)模的 300mm 生產(chǎn)的客戶合作?！?/span>
同時，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(tǒng)來發(fā)現(xiàn)缺陷。他們還使用不同的計量設(shè)備來測量結(jié)構(gòu)。
檢查/計量設(shè)備供應(yīng)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晶圓廠一直收到穩(wěn)定的客戶訂單，并且正在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。“客戶要求加快設(shè)備發(fā)貨日期以支持這一需求?！?/span>
對于 300 mm晶圓廠中的前沿芯片，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(tǒng)來發(fā)現(xiàn)這些微小的缺陷。
相比之下，在 200 mm晶圓廠生產(chǎn)的芯片具有更大的特征尺寸。缺陷更大，更容易被發(fā)現(xiàn)。無論大小如何，找到缺陷都至關(guān)重要，尤其是用于汽車應(yīng)用的芯片。汽車供應(yīng)商想要沒有缺陷的芯片。
多年前，芯片制造商可以通過使用較舊的 200mm 檢查/計量工具來獲得。許多應(yīng)用程序不再是這種情況。鑒于當(dāng)今汽車和其他應(yīng)用程序的缺陷要求，許多芯片制造商需要功能更強(qiáng)大的 200 mm檢測/計量設(shè)備。
“除了翻新和重新認(rèn)證以前擁有的設(shè)備外，KLA 還重新推出了許多產(chǎn)品線來支持不斷增長的需求，”O(jiān)disho 說?！拔覀兺ㄟ^在我們的生產(chǎn)線上重新推出 200mm 成熟設(shè)備來滿足這一需求，使新一代系統(tǒng)能夠兼容 200mm，并提供增強(qiáng)功能以提高已使用系統(tǒng)的吞吐量和性能。”
04結(jié)論
顯然，200mm 是一個充滿活力的市場。在 200mm 代工廠方面，跟蹤產(chǎn)能情況很重要。了解誰在制造 200mm 晶圓廠設(shè)備也很重要。
但動態(tài)總是在變化，在復(fù)雜的環(huán)境中增加了挑戰(zhàn)。