200毫米晶圓芯片需求旺盛 模擬器件、MEMS和射頻芯片領(lǐng)域大有可為

200毫米晶圓芯片制造產(chǎn)能需求旺盛，在模擬器件、MEMS和射頻芯片領(lǐng)域大有可為，但設備短缺限制產(chǎn)能增加

  觀(guān)點(diǎn)來(lái)源：半導體工程網(wǎng)制造部執行主編MARK LAPEDUS

  模擬器件、微機電系統(MEMS)和射頻芯片需求量的持續增加帶來(lái)對直徑是200毫米晶圓的芯片制造廠(chǎng)產(chǎn)能和設備需求的大增，且沒(méi)有停止的跡象。

  成本考慮

  200毫米晶圓制造包含大量在老舊200毫米晶圓廠(chǎng)成熟節點(diǎn)上制造的器件，這些產(chǎn)品包括消費類(lèi)器件、通信集成電路和傳感器，不包括在300毫米晶圓廠(chǎng)中制造的先進(jìn)芯片。

  并不是所有的芯片都需要先進(jìn)節點(diǎn)的生產(chǎn)工藝。模擬、射頻等器件都是在200毫米和更小尺寸晶圓上制造。對于很多這樣的器件，200毫米晶圓是最有效的成本點(diǎn)。格羅方德公司射頻業(yè)務(wù)單元高級副總裁Bami Bastani說(shuō)：“大量產(chǎn)品并不需要先進(jìn)節點(diǎn)工藝?！崩?，智能手機包含先進(jìn)芯片，但是這只占據了器件的一小部分。Bastani說(shuō)，“其他部分是PMIC、模擬和BCD級技術(shù)。直到他們停產(chǎn)，用戶(hù)都沒(méi)有打算改變他們?！?

  需求旺盛

  典型的200毫米晶圓在開(kāi)始時(shí)每個(gè)月生產(chǎn)4萬(wàn)片晶圓，可以生產(chǎn)從6微米到65納米的多種節點(diǎn)的晶圓。UMC的Ng說(shuō)：“有大量在180nm/130nm/110nm的活動(dòng)，依賴(lài)特定的應用。射頻，尤其是RF SOI，正在驅動(dòng)大量的需求增長(cháng)，功耗也是考慮因素?！?

  應用材料公司的200毫米設備產(chǎn)品組策略和技術(shù)市場(chǎng)主任Mike Rosa說(shuō)：“我們看到了一個(gè)廣闊的應用空間，有電動(dòng)車(chē)和ADAS、不斷增加新功能的智能手機?！备鶕osa表示，在這些器件的需求中，200毫米晶圓的使用率從“高端的80%到中低端的90%”到今天一些報道的100%。

  Semico的Itow表示，在2017年，200毫米晶圓需求增長(cháng)了9.2%。Itow表示：“模擬器件、分立器件、微控制器、光電器件和傳感器都給200毫米晶圓能力的增長(cháng)貢獻了力量?！痹?018，市場(chǎng)有所冷卻?！?018年對200毫米晶圓的需求將返回到歷史標準的4.2%?！爆F在冷靜期的一個(gè)原因是，代工廠(chǎng)能力收緊，制造商無(wú)法拓展。而且，器件制造商希望擴展，但缺乏設備。

圖 | 根據產(chǎn)品分類(lèi)的2018年200mm晶圓需求(來(lái)源Semico Research)

  產(chǎn)能變遷

  首個(gè)200毫米晶圓制造廠(chǎng)出現在1990年，晶圓尺寸在數年中都是標準。隨著(zhù)時(shí)間推移，芯片制造商開(kāi)始在2000年后遷移至更先進(jìn)的300毫米晶圓制造能力，200毫米晶圓制造能力的建設力度減小。到2007年，200毫米晶圓制造廠(chǎng)數量達到其頂峰。

  2015年末，產(chǎn)業(yè)開(kāi)始看到對于200毫米晶圓制造廠(chǎng)出乎意料的需求。IC供應鏈的大舉發(fā)展，導致在2016、2017年200毫米晶圓制造能力仍處于短缺。進(jìn)入2018年后，200毫米能力仍然緊張，并尚未看到結束。200毫米晶圓制造廠(chǎng)預期將至少在2030年前保持生命力。

  根據SEMI的分析師Christian Gregor Dieseldorff表示，處于開(kāi)工狀態(tài)的200毫米晶圓制造廠(chǎng)的數量預計將從2016年188個(gè)增長(cháng)到2021年的202個(gè)。包括IDM和代工廠(chǎng)在內的200毫米晶圓制造能力的數據如下：

  產(chǎn)能吃緊

  當下200毫米制造產(chǎn)能緊張，預計在2018年下半年保持緊張態(tài)勢，且這種緊張可能到2019年會(huì )有所緩解。事實(shí)上，2018年可能是200毫米晶圓制造產(chǎn)能持續緊張的第三年。200毫米晶圓制造設備需求已穩健地持續有一段時(shí)間了，盡管一些人看到在2018年下半年隨著(zhù)一些芯片制造商衡量其200毫米制造廠(chǎng)計劃，以及地緣政治的影響，對200毫米晶圓制造設備的需求已有所下降。Semico研究的制造部管理總監Joanne Itow說(shuō)：“200毫米能力持續緊張。有意思的是對于200毫米二手設備的需求有些下降?！?

  積極應對

  對于200毫米晶圓制造的需求使產(chǎn)業(yè)驚奇，并且驅動(dòng)制造廠(chǎng)和制造設備供應商更嚴肅地對待技術(shù)。例如，制造廠(chǎng)增加帶有新的和改進(jìn)工藝的200毫米制造能力。幾個(gè)制造設備供應商也開(kāi)始生產(chǎn)新的200毫米設備。

  IDM和無(wú)晶圓設計商希望使用200毫米晶圓制造廠(chǎng)制造芯片的需求能得到滿(mǎn)足，但不確定是否能滿(mǎn)足所有需求，因為全球200毫米晶圓產(chǎn)能預計在現在和未來(lái)仍然保持緊張。

  作為回應，格羅方德、三星、中芯國際、TowerJazz、中國臺灣地區的臺積電(TSMC)和聯(lián)華電子(UMC)和其他代工廠(chǎng)都在增加或尋找200毫米晶圓制造能力。與此同時(shí)，美國SkyWater技術(shù)公司作為一個(gè)新的制造能力供應商也已經(jīng)進(jìn)入200毫米晶圓制造的競爭中。與此同時(shí)，一些芯片制造商正在重新考慮其建造新200毫米制造廠(chǎng)的計劃，取而代之的是，他們可能制造300毫米建造廠(chǎng)。

  UMC商業(yè)管理副總裁Walter Ng說(shuō)：“我們看到對200毫米晶圓制造能力保持超量訂購。充滿(mǎn)挑戰的是找到更多的產(chǎn)能。這在過(guò)去是一個(gè)周期循環(huán)的事情，然而隨著(zhù)200毫米晶圓產(chǎn)能被完全分配，它現在變成一個(gè)新的規范。我們和產(chǎn)業(yè)中的人相信一些事情正在以這種方式持續推進(jìn)。這并不是UMC獨有的情況，是產(chǎn)業(yè)界普遍存在的情況?！?

  中國是新增200毫米制造能力的主力

  新建的200毫米晶圓廠(chǎng)中中國占了大多數。SEMI的分析師Christian Gregor Dieseldorff表示：“我們現在跟蹤中國4個(gè)正在建設的200毫米晶圓廠(chǎng)，這些是用于代工，及功率器件和MEMS器件的制造。還將有兩個(gè)(MEMS和功率集成電路)制造廠(chǎng)要建設。我們預計這些廠(chǎng)的建設將在今年年底或明年年底開(kāi)始建設?！?

  300毫米晶圓制造也在擴張

  集成電路市場(chǎng)劃分為幾個(gè)部分。在先進(jìn)節點(diǎn)上，芯片制造商增建16/14納米及以上節點(diǎn)和300毫米晶圓制造廠(chǎng)。Semico研究的分析師Adrienne Downey說(shuō)：“除了新增的邏輯器件能力，300毫米晶圓制造能力主要增加在韓國和中國，用于存儲器的制造?！?

  增加200毫米制造產(chǎn)能建議

  這對代工廠(chǎng)而言意味著(zhù)幾個(gè)挑戰。首先，生產(chǎn)商必須持續投資和升級200毫米的各種工藝。一個(gè)例子是汽車(chē)，客戶(hù)系統有一個(gè)升級的工藝，即使采用的是200毫米。應用材料的Rosa說(shuō)：“產(chǎn)業(yè)界希望持續投資新的技術(shù)。似乎是我們無(wú)法足夠快地研發(fā)這些技術(shù)?！?

  除了投資新的200毫米工藝，制造廠(chǎng)必須找到方式來(lái)增加200毫米產(chǎn)能。這有一些建議。

  收購一個(gè)帶有200毫米晶圓廠(chǎng)的企業(yè)

  建造新的200毫米晶圓廠(chǎng)

  增加新的200毫米能力

  將客戶(hù)從200毫米遷移至300毫米

  建造一個(gè)300毫米晶圓廠(chǎng)作為替代。

  選擇收購方式是一種方法。在過(guò)去的多年中，代工廠(chǎng)已經(jīng)收購了不少公司來(lái)獲取技術(shù)和制造能力。但這是一個(gè)昂貴的選擇。UMC的Ng說(shuō)：“任何有8寸代工廠(chǎng)并考慮出售的企業(yè)都要了高價(jià)?！?

  另一個(gè)選擇是建立新的200毫米代工廠(chǎng)。挑戰就是購買(mǎi)設備，以及在長(cháng)期運轉中回本。Ng說(shuō)：“如果我們打算投資更多產(chǎn)能，問(wèn)題是這樣做是否有商業(yè)意義。有很多應用驅動(dòng)200毫米制造能力的增長(cháng)。成本是很重要的一部分。如果這并不是一個(gè)成本-效益點(diǎn)，那就無(wú)法滿(mǎn)足這些要求?！?

  除了這些方式外，很多代工廠(chǎng)正在將一些芯片制造從200毫米晶圓遷移到300毫米晶圓。這對于一些產(chǎn)品有意義，但并非所有。Ng說(shuō)：“我們嘗試為200毫米晶圓的客戶(hù)尋找到解決方案。我們相信一部分是將一些客戶(hù)轉移至300毫米平臺，這將有意義。但大量在200毫米的應用對成本非常敏感。因此，在做很多事情的時(shí)候都意味著(zhù)挑戰，如一些功率分立器件就不會(huì )遷移至300毫米?！?

  由于在200毫米的所有問(wèn)題，一些人甚至在重新考慮他們的200毫米代工廠(chǎng)計劃，并考慮建造300毫米代工廠(chǎng)的計劃，這也是一個(gè)昂貴的選擇。應用材料的Rosa說(shuō)：“如果你考慮300毫米，你的工廠(chǎng)成本在增加。這些還不涉及對所需技術(shù)的可用性和成熟度的考慮?！蓖瑫r(shí)，代工廠(chǎng)的客戶(hù)也面臨一些挑戰。除了保證他們的供應商有足夠的供應能力外，客戶(hù)必須衡量代工廠(chǎng)的能力范疇。每個(gè)代工廠(chǎng)都不同，都提供多種能力。

  新進(jìn)入者-SkyWater

  在這個(gè)領(lǐng)域還有一些新進(jìn)入的企業(yè)。去年，SkyWater收購了Cypress公司位于美國印第安納州布盧明頓的200毫米晶圓制造廠(chǎng)。該制造廠(chǎng)此前提供代工服務(wù)。隨著(zhù)收購了該制造廠(chǎng)，SkyWater繼續提供代工服務(wù)。他將其置于一個(gè)特定的代工廠(chǎng)，既可以提供CMOS工藝，也可提供生物科學(xué)、硅光電、量子計算和超導技術(shù)。

  SkyWater有一個(gè)200毫米代工廠(chǎng)，包括0.35微米、90nm和其他工藝。SkyWater的總裁Thomas Sonderman說(shuō)：“你可以看到有非常高產(chǎn)量的其他一些代工廠(chǎng)，他們并不喜歡定制化。定制化的能力是你需要支付大量的價(jià)錢(qián)，而且依賴(lài)于你的規模，他們可能不感興趣。我們有能力在一個(gè)量產(chǎn)環(huán)境下做研發(fā)。Cypress擁有這個(gè)工廠(chǎng)時(shí)所精通的事情之一是能夠進(jìn)行多個(gè)小批量產(chǎn)品的高度混合，并且有世界級的產(chǎn)量。使用我們的模型，我們能夠以非常具有競爭力的價(jià)格為客戶(hù)提供正確的數量。不同的是，我們的方式是我們提供ASIC能力和特殊技術(shù)能力?！?

  需要200毫米設備

  IDM和代工廠(chǎng)希望能夠擴展200毫米晶圓制造能力，可以從晶圓廠(chǎng)設備制造商、二手設備企業(yè)、分銷(xiāo)商、或eBay等網(wǎng)絡(luò )渠道購買(mǎi)二手設備。一些芯片制造企業(yè)也在公開(kāi)市場(chǎng)上銷(xiāo)售二手設備。與此同時(shí)，應用材料、ASML、KLA-Tencor、Lam研究、TEL和其他設備制造商也于近期開(kāi)始制造新的200毫米晶圓制造設備。

  根據二手設備供應商SurplusGlobal表示，在2018年開(kāi)始，產(chǎn)業(yè)需求大約2000套新的或翻新的200毫米晶圓制造設備來(lái)滿(mǎn)足制造需求，但當時(shí)市場(chǎng)上只有500套200毫米設備。SurplusGlobal公司美國&歐洲區執行副總裁Emerald Greig說(shuō)：“我們仍然相信這種情況是真實(shí)的。我們持續看到200毫米需求仍未滿(mǎn)足。IDM和中國毋庸置疑驅動(dòng)這些需求，即使我們在美國和歐洲也看到了需求?！钡?00毫米設備需求圖景在2018年下半年看起來(lái)不確定?！拔覀兛吹接捎诘鼐壵蔚脑?，下半年需求有輕微的下降。由于對建造200毫米或300毫米晶圓廠(chǎng)的重新評估，我們在市場(chǎng)上看到了一個(gè)暫緩?！睉貌牧系腞osa則表示：“市場(chǎng)需求非常旺盛。在200毫米晶圓制造領(lǐng)域，我們正在通往至少是我們需求最大的年份的道路上?！?

  不管短期看如何，200毫米制造需求預計將在一段時(shí)間內保持旺盛。因此制造廠(chǎng)的管理者必須購買(mǎi)設備來(lái)滿(mǎn)足需求。從供應商購買(mǎi)200毫米制造設備考慮以下幾個(gè)因素——質(zhì)量、聲譽(yù)和服務(wù)。即使如此，購買(mǎi)設備仍然勉勵挑戰，無(wú)論其是從OEM、二手設備供應商等其他渠道購買(mǎi)。并不是所有200毫米晶圓制造設備的供應商都是一樣的。一些提供新的工具，而另外一些則翻新現有的，甚至也有一些情況，企業(yè)銷(xiāo)售不達標甚至不能工作的系統。

  應用材料的Rosa表示：“有兩大類(lèi)工具需求。有純的增加產(chǎn)量的工具，那就可以非常直接地購買(mǎi)到，如果是需要新技術(shù)來(lái)增加產(chǎn)量，那在二手市場(chǎng)上就找不到?！痹趹貌牧?，制造設備供應商生產(chǎn)新的200毫米設備，同時(shí)也翻新設備。通常，這是一個(gè)按單生產(chǎn)的業(yè)務(wù)，訂貨周期通常從12-到16周。

  其他人也在該領(lǐng)域看到了增長(cháng)。Lam公司可靠產(chǎn)品組副總裁和總經(jīng)理Evan Patton表示，“我們在可見(jiàn)的未來(lái)看到了我們200毫米制造設備業(yè)務(wù)的持續增長(cháng)。我們規劃的時(shí)間點(diǎn)是2030，但也有一些跡象顯示時(shí)間將進(jìn)一步延伸。這就是我們?yōu)槭裁闯掷m在使能技術(shù)、生產(chǎn)效率改進(jìn)、停產(chǎn)解決方案上投入大量資金的原因?！?

  對于200毫米工具需求活躍，盡管Lam能夠跟得上訂單的速度，Patton表示：“當在二手市場(chǎng)上缺少二手設備，在Lam產(chǎn)品中也沒(méi)有200毫米設備?！盠am在研究新設備的同時(shí)，也在翻新200毫米工具，例如刻蝕、淀積和清潔設備?！拔覀冋谕顿Y研發(fā)新的工具來(lái)來(lái)支持汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)和射頻市場(chǎng)對先進(jìn)器件的需求?！?

  200毫米設備需求繁榮會(huì )持續多長(cháng)時(shí)間仍然是個(gè)問(wèn)題。就現在而言，業(yè)務(wù)在今年和明年看起來(lái)良好。TEL的高級副總裁和副總經(jīng)理Kevin Chasey說(shuō)：“我們看到2019年對設備供應商和IDM而言是另一個(gè)強有力的年份。隨著(zhù)IDM嘗試在他們的制造廠(chǎng)內塞入新的設備，制造廠(chǎng)空間變得緊張。TEL正通過(guò)解決工具的效率和可用性來(lái)反饋這種需求。在效率上，TEL推出整體設備效率(OEE)硬件和軟件升級，目標是改進(jìn)老舊安裝平臺。而且，TEL正在推出升級的工具平臺，能夠保證未來(lái)十年甚至更遠期內我們的客戶(hù)有現代和完全支持的工具套?！盩EL供應一系列200毫米系統，例如淀積、刻蝕、清洗設備和軌道。很多平臺能夠運行100/200mm晶圓襯底。

  當200毫米設備需求看起來(lái)很健康，供應商也密切關(guān)注可能影響到訂單速率的情況上。KLA-Tencor公司的市場(chǎng)、成熟服務(wù)、系統和改進(jìn)部門(mén)高級主任Ian O’Leary說(shuō)：“因為200毫米晶圓預計將增長(cháng)到2021年，我們預計對200毫米生產(chǎn)能力的需求還將持續幾年。最后，對200毫米晶圓制造能力的一些需求驅動(dòng)可能會(huì )遷移到300毫米晶圓和先進(jìn)節點(diǎn)，現在這些需求都和更大的設計規格器件相關(guān)。一個(gè)例子是對多種汽車(chē)芯片的快速增加的需求，從低端到高端應用。對于汽車(chē)芯片，受限于成本風(fēng)險，從200毫米轉移到300毫米的速度已經(jīng)放緩，但是我們持續密切監控這些趨勢，這樣我們的業(yè)務(wù)能夠密切貼近市場(chǎng)需求?！?

  但汽車(chē)器件制造商仍然需要200毫米制造能力，尤其是在缺陷檢測領(lǐng)域。在汽車(chē)領(lǐng)域，OEM需要芯片中的零缺陷。通常，器件制造商使用晶圓檢查工具來(lái)發(fā)現缺陷?！霸谠擃I(lǐng)域，300毫米晶圓廠(chǎng)所需的很多工具模型也都是200毫米晶圓廠(chǎng)所需要的?！币l(fā)現在一個(gè)110納米工藝中的潛在缺陷，一個(gè)制造廠(chǎng)需要能夠在65納米進(jìn)行缺陷檢測的能力。這樣，KLA-Tencor需要建造包含300毫米能力的200毫米檢測工具。

  很明顯，200毫米停留在這里。大量芯片將在一段長(cháng)時(shí)間內需要成熟工藝。但是，仍有待觀(guān)察的是，產(chǎn)業(yè)界能夠控制供應鏈。