半导体研究机构Semiengineering：8英寸晶圆产能短缺将持续多年?-广州同创芯电子有限公司

　　

 

　　市场对成熟制程工艺芯片的需求激增，导致200mm(8英寸)晶圆代工产能和200mm晶圆厂设备都出现短缺，而且没有减弱的迹象。事实上，即使今年新产能上线，短缺可能会持续数年，推高价格并迫使整个半导体供应链发生重大变化。

　　200mm晶圆代工产能和设备的短缺已经存在一段时间了，而且这种状况仍然存在。例如，根据 Gartner 的数据，200mm晶圆代工产能在2022上半年被预订满。除此之外，对200mm晶圆代工产能的需求将继续超过供应，这意味着代工客户需要提前计划以确保他们在未来获得足够的 200mm晶圆产能。

　　有两种类型的半导体公司在晶圆厂制造芯片。集成设备制造商 ( IDM ) 设计自己的名牌芯片并在自己的晶圆厂中制造。与此同时，代工厂在自己的晶圆厂中为其他公司制造芯片。IDM 和代工厂都有200mm或300 mm的晶圆厂。

　　自 1990 年代以来，200 mm晶圆厂就已经存在。许多芯片制造商运营着 200 mm晶圆厂，据最新统计，目前已有 200 多家。200mm 晶圆厂采用成熟的工艺技术制造器件，从 6µm 到 110nm 节点。在 200 mm晶圆厂生产的芯片用于所有电子产品，包括模拟、显示 IC、微控制器 (MCU)、电源管理 IC (PMIC) 和射频。

　　这些芯片中的一些也可以在更先进的 300 mm晶圆厂中生产。这些较大的晶圆厂处理从 90nm 到 5nm 节点的器件。

　　尽管如此，IDM 和代工厂在所有节点上都看到了前所未有的芯片需求。在 2020 年 Covid-19 爆发期间，各国实施了各种措施来 缓解疫情，例如居家令。许多人开始在家工作或远程上学，助长了购买新 PC 和电视的热潮。然后，在 2021 年，对汽车、智能手机和其他产品的需求激增。所有这些都导致了多个市场的芯片短缺浪潮。

　　芯片短缺的情况已经延续到 2022 年上半年。许多人认为，到 2022 年年中，供需情况将恢复相对正常，但部分汽车芯片全年仍将供不应求。不过，到 2022 年年中，许多芯片制造商应该有足够的 300 mm晶圆厂产能来满足需求。

　　但 200 mm是另一回事。今天，几家公司正在建设新的 200 mm晶圆厂。根据 SEMI 的数据，到 2021 年，该行业的 200 mm晶圆厂产能每月增加超过 300,000 片晶圆 (wpm)，比 2020 年增长 5%。这还不足以满足需求。

　　“代工厂的 200 mm产能在 2022 年上半年售罄。我预计 200 mm代工厂产能的紧张局面将持续几年，可能会持续到 2025 年，”Gartner 分析师 Samuel Wang 表示。Wang 表示，IDM 的情况稍好一些，200mm 产能的晶圆厂利用率高于 80%。

　　即使代工厂客户有幸在 2022 年获得足够的 200 mm或 300 mm产能，他们也面临着另一组问题。代工供应商预计今年将提高 200 mm和 300 mm晶圆的价格。

　　

 

　　图1：全球200mm半导体量产晶圆厂的数量，资料来源：SEMI

　　| 200mm的兴衰

　　1960 年代，在半导体行业的早期，半导体公司使用基本设备在工厂中制造相对简单的芯片。在那些日子里，芯片制造商制造自己的设备。

　　在 1960 年代初期，芯片制造商在这些早期工厂中使用 20 mm(0.75 英寸)的微小晶圆加工设备。在 30 年的时间里，他们迁移到晶圆尺寸更大的晶圆厂，例如 30mm/40mm、50mm、75mm、100mm、125mm 和 150mm。

　　通过转向更大的晶圆尺寸，供应商可以在每个晶圆上生产大约 2.2 倍的裸片，从而使他们能够降低晶圆厂的制造成本。

　　然后，在 1990 年代，出现了 200mm 晶圆厂。当时，建造一座 200 mm晶圆厂的成本为 7 亿至 13 亿美元。晶圆厂的大部分成本都围绕着用于制造芯片的设备。

　　多年来，200mm 晶圆厂被认为是最先进的设施。然后，从 2000 年代开始，许多芯片制造商从 200 mm晶圆厂迁移到 300 mm晶圆厂。最初，建造 300 mm晶圆厂的成本为 20 亿至 30 亿美元。

　　在此期间，200mm 晶圆厂仍在使用中。但 200 mm是一个被遗忘的市场，直到 2015 年，业界对基于更成熟工艺的芯片的需求激增。突然间，代工厂的 200mm 晶圆厂利用率徘徊在 100%。出现产能短缺。

　　从 2016 年到 2021 年，200mm 产能紧张。Onto Innovation产品营销经理 Woo Young Han 表示：“在过去的三到四年里，200mm 代工厂一直以接近 100% 的产能运营。” “他们看到了 PMIC、显示驱动器 IC 和 MCU 的大幅增长。”

　　到 2021 年底，大多数代工厂商的 200 mm代工产能已售罄。“展望第四季度，我们预计晶圆出货量和 ASP 趋势将保持坚挺。联电联席总裁Jason Wang 表示，8 英寸和 12 英寸设施的产能利用率将继续保持满负荷。

　　尽管如此，一些代工厂客户仍可以获得足够的 200 mm产能来满足他们的要求。其他人则没有那么幸运，尤其是汽车公司。2020年汽车销量暴跌，很多车企停止购买芯片。到 2021 年，当汽车业务反弹时，汽车制造商的芯片库存已经不足。

　　然后，汽车制造商开始疯狂地订购芯片。但芯片制造商没有足够的晶圆厂产能，这反过来又导致汽车和其他领域的芯片短缺。其中许多芯片是在 200 mm晶圆厂中制造的。

　　预计 2022 年，汽车和非汽车芯片的需求都将强劲。“随着越来越多的公司开始设计自己的设备，代工厂也看到了对小批量生产各种设备的高需求，”Onto 的 Woo 说。“汽车行业是对小批量生产各种设备的高需求的一个很好的例子。特斯拉、福特、通用、大众和现代等汽车公司宣布将开始设计自己的半导体芯片，这种趋势正在推动 200 mm晶圆生产的高需求。”

　　除了 200 mm和 300 mm，100 mm和 150 mm的晶圆厂产能也有需求。许多功率半导体是在 150 mm晶圆厂中生产的，尤其是那些使用氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 材料的晶圆厂。GaN 和 SiC 功率半导体都是热门市场。

　　| 200mm晶圆厂成本

　　与此同时，在制造方面，几家代工厂商在 200mm 晶圆厂为其他厂商制造芯片，每家公司都有不同的工艺产品。GlobalFoundries、华虹、三星、SK Hynix、SkyWater、SMIC、Tower、TSMC、UMC、Vanguard 和 X-Fab 都是拥有 200mm 晶圆厂的代工供应商。

　　据 SEMI 称，总体而言，预计 2022 年将有 216 家 200 mm晶圆厂投入运营，而 2016 年为 184 家。200mm晶圆厂整体产能方面，2020年台积电以10%的份额领先，其次是意法半导体(6%)、联电(6%)、英飞凌(6%)、德州仪器(6%)、中芯国际(5%)等，根据 IC Insights 的说法。

　　今天，有几家公司正在建造新的 200mm 晶圆厂或在现有 200mm 设施上增加生产线。SEMI分析师克里斯蒂安·迪塞尔多夫 (Christian Dieseldorff) 表示：“看看新的 200 mm量产晶圆厂，我们目前有五座新的 200 mm晶圆厂将于 2021 年和 2022 年开始建设。这些是由 Rogue Valley Microdevices、OnMicro Electronics、英飞凌和傲松计划的。”

　　与此同时，在现有的 200 mm晶圆厂中，预计 2021 年至 2024 年将有约 17 200 mm生产线投产。“2021 年，包括 Cree、华润微电子、中芯国际、罗门、Innoscience 和 SiEn，”Dieseldorff 说。

　　这听起来像是很多新的 200 mm容量，但这还不够。“对传统节点的需求依然强劲。中国以外的 200 mm晶圆代工产能根本不够，”Gartner 的王说。“到 22 年第三季度，整体 300mm 代工供应将赶上需求，而 200mm 供应紧张将持续多年。”

　　显然，代工客户和 IDM 需要更多的 200mm 容量。芯片制造商可以通过多种方式解决这个问题，包括：

　　l 建造新的 200mm晶圆厂。

　　l 为现有晶圆厂增加新的生产线。

　　l 将一些在 200mm晶圆厂生产的芯片转移到更大的 300mm工厂。

　　建立新的 200 mm晶圆厂是一个明显的解决方案。几家公司正在扩大他们的 200 mm产能，但这是一个昂贵的提议。据 SEMI 称，新建 200 mm晶圆厂的成本从 MEMS 工厂的 4.5 亿美元到功率半导体工厂的 13 亿美元不等。SEMI 的 Dieseldorff 说：“如果你想概括一下，我会说一个新的 50,000 wpm 的 200 mm晶圆厂平均成本高达 10 亿美元，包括建筑和设备。” “这取决于产能、产品类型和位置。”

　　即使你建立一个新的 200 mm产能，芯片制造商也会遇到另一个问题。在市场上很难找到新的 200mm 设备。

　　还有另一种选择。几家芯片制造商正在将一些芯片产品从较小的 200 mm晶圆厂转移到更大的 300 mm工厂。这适用于某些但不是所有产品。客户必须愿意为昂贵的 300 mm晶圆支付更多费用。“许多客户没有看到将传统芯片迁移到 300 mm晶圆厂的 ROI 合理性，”王说。

　　| 寻找 200mm 设备

　　在 200mm 和 300mm 晶圆厂中，很大一部分成本用于设备。每个晶圆厂都由一个封闭的洁净室组成，配备各种设备类型，例如沉积系统、蚀刻机、检查/计量设备和光刻扫描仪。

　　使用这些和其他设备类型，每种芯片类型都遵循不同的工艺流程。在任何情况下，找到合适的 200mm 设备都很重要。有缺陷的系统会导致芯片出现缺陷。

　　有几个不同的实体销售 200 mm工具，包括设备供应商、二手/翻新工具公司、经纪人、拍卖商和在线网站。

　　许多实体都享有盛誉。但是该领域也有许多恐怖故事，其中芯片制造商会在不知不觉中购买无法使用或缺少零件的二手工具。

　　SurplusGlobal 首席执行官 Bruce Kim 表示，新设备或旧设备的购买者应遵循一些简单的规则以避免任何问题：1)尽早开始寻找;2) 与信誉良好的公司合作;3) 准备好为使用过的 200mm 工具支付几乎新的价格。

　　尽管如此，如果您需要 200mm 齿轮，第一步是联系设备制造商。一些设备供应商构建了具有最新功能的新 200mm 系统。

　　“全新 200 mm刀具的交货时间非常长，”Kim 说。“此外，200 mm全新工具的价格有时与 300 mm全新工具的价格相似。”

　　一些设备供应商也将使用称为核心的使用过的工具并对其进行翻新。有时，供应商无法翻新系统，因为它已经过时或无法使用。也很难为过时的工具找到备件。

　　联系二手/翻新设备供应商是另一种选择。有些携带 200 mm和/或 300 mm的二手齿轮。一些甚至制造自己的设备。

　　一般来说，很难从所有供应商那里找到翻新的 200 mm系统。据二次设备供应商 SurplusGlobal 称，目前，全球市场上所有实体的 200 mm核心工具不到 250 件。

　　“我们可能需要 1,500 到 3,000 个核心工具来满足需求，”Kim 说。“300mm 工具实际上更容易获得。但是，由于供应链问题，翻新有点困难。有趣的是，越来越多的 300mm 工具转换为 200mm 系统。”

　　梳理 200mm 市场的一种方法是突出一些主要工艺步骤并探讨手头的设备问题。不可能列出所有提供 200mm 工具的设备供应商。突出几个供应商肯定会强调挑战。

　　对于所有芯片，第一步都在硅晶圆供应商处进行。这些供应商使用各种设备制造各种直径尺寸的未加工硅晶片，例如 150 mm、200 mm和 300 mm。

　　对 200 mm晶圆的需求依然强劲。SEMI 高级研究经理 Sungho Yoon 表示：“前五名晶圆供应商不追求 200mm 产能扩张，因此 200mm 晶圆供应预计将在 2022 年保持紧张。”

　　同时，在生产出晶圆后，它们会被运送到芯片制造商，在晶圆厂进行加工。对于许多逻辑芯片，第一步是在晶圆上沉积一层二氧化硅，然后是氮化物层。取决于应用，可以使用其他材料。

　　

 

　　图 2：晶圆厂的基本芯片制造工艺步骤，资料来源：维基百科

　　然后将晶圆插入称为涂层机/显影机的系统中。在该系统中，将光刻胶(一种光敏材料)倒在晶圆上。

　　然后将晶圆发送到另一个称为光刻扫描仪或步进器的系统。在操作中，晶片和光掩模被放置在光刻工具中。光掩模是给定 IC 设计的模板。

　　然后，扫描仪/步进器产生光，通过掩模投射到晶圆上，根据给定的设计在晶圆上创建微小的图案。

　　对于 200mm 晶圆，芯片制造商使用 365nm(i-line)或 248nm 光刻系统。根据尼康的说法，使用各种技术，i-line 光刻系统可以实现低至 280nm 的分辨率，而 248nm 约为 110nm。

　　ASML、佳能和尼康是 200mm 光刻系统的主要供应商。而 200mm 光刻系统通常是市场上最难找到的工具。佳能营销经理 Doug Shelton 表示：“200 mm设备需求的增加和全球设备短缺导致设备交付周期比平常更长。”

　　所有光刻供应商都销售具有最新功能的新的或翻新的 200mm 工具。“佳能继续生产新的 200mm 兼容 i-line 和 DUV 步进器和扫描仪，我们正在努力优化我们的生产能力以满足 200mm 市场需求，”Shelton 说。“佳能还开发了 200mm 版本的 DUV 扫描仪和 i-line 步进器，可提供 200mm 基板上的 300mm 高性能计算应用所需的分辨率、覆盖和吞吐量性能。”

　　佳能还翻新旧的 200 mm光刻设备。“适用于翻新的候选光刻系统供应有限，并受市场定价影响，”他说。

　　同时，在光刻步骤之后，晶片经历各种沉积和蚀刻步骤。化学气相沉积 ( CVD ) 是晶圆厂中常用的沉积工具类型。在 CVD 系统中，晶圆被插入腔室。化学物质流入腔室并撞击晶片，在表面形成所需的材料。

　　芯片制造商使用蚀刻系统在所需位置去除这些材料。反应离子蚀刻 (RIE) 是最常见的蚀刻系统，可连续去除器件中的材料。

　　需要 200 mm蚀刻和沉积系统。Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes 表示：“总体而言，市场上用于满足产能增长需求的专用翻新 200 mm工具严重短缺。”

　　多年来，Lam 一直在生产 200 mm沉积和蚀刻工具。它还开发桥接工具。“这意味着我们可以为 200mm 生产重新配置 300mm 工艺工具，”Haynes 说。“鉴于 300mm 内核的可用性优于专用 200mm 工具，这为我们提供了满足客户要求的好方法。它为他们提供了与更新的 300 mm平台相关的改进的工艺能力和生产力。”

　　其他沉积和蚀刻供应商也看到了类似的趋势。“在过去 10 年中，对 ≤200mm 工艺设备的需求一直保持强劲并不断增长，”应用材料公司首席营销官 Mike Rosa 说。[1] “可以肯定地说，我们今天看到的不仅仅是对 IC 短缺的回应，而是几年前开始的趋势的延续。”

　　与许多公司一样，Applied 制造新的 200mm 工具或翻新旧系统。“对于我们产品组合中的许多主机和腔室技术，一段时间以来，我们一直在构建全新或部分新的 200mm 系统，”Rosa 说。“为了应对对 200 mm系统不断增长的需求，应用材料公司已采取措施显着扩大其在美国以及我们预计将持续强劲需求的地区的制造能力。随着需求的不断增加，200mm 系统的可用性仍然具有挑战性，我们还积极与希望评估将其工艺移植到更自动化和更高规模的 300mm 生产的客户合作。”

　　同时，在工艺流程中，检查芯片是否存在缺陷。为此，芯片制造商使用晶圆检测系统来发现缺陷。他们还使用不同的计量设备来测量结构。

　　检查/计量设备供应商看到了对 200mm 工具的巨大需求。KLA副总裁兼总经理 Wilbert Odisho 表示：“200 mm晶圆厂一直收到稳定的客户订单，并且正在满负荷运转。“客户要求加快设备发货日期以支持这一需求。”

　　对于 300 mm晶圆厂中的前沿芯片，器件中的特征尺寸很小。缺陷也是如此。芯片制造商需要先进的检测/计量系统来发现这些微小的缺陷。

　　相比之下，在 200 mm晶圆厂生产的芯片具有更大的特征尺寸。缺陷更大，更容易被发现。无论大小如何，找到缺陷都至关重要，尤其是用于汽车应用的芯片。汽车供应商想要没有缺陷的芯片。

　　多年前，芯片制造商可以通过使用较旧的 200mm 检查/计量工具来获得。许多应用程序不再是这种情况。鉴于当今汽车和其他应用程序的缺陷要求，许多芯片制造商需要功能更强大的 200 mm检测/计量设备。

　　“除了翻新和重新认证以前拥有的设备外，KLA 还重新推出了许多产品线来支持不断增长的需求，”Odisho 说。“我们通过在我们的生产线上重新推出 200mm 成熟设备来满足这一需求，使新一代系统能够兼容 200mm，并提供增强功能以提高已使用系统的吞吐量和性能。”

　　| 结论

　　显然，200mm 是一个充满活力的市场。在 200mm 代工厂方面，跟踪产能情况很重要。了解谁在制造 200mm 晶圆厂设备也很重要。

　　但动态总是在变化，在复杂的环境中增加了挑战。

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