200毫米晶圓芯片需求旺盛 模擬器件、MEMS和射頻芯片領域大有可為

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

  觀點來源：半導體工程網(wǎng)制造部執(zhí)行主編MARK LAPEDUS

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

  成本考慮

  200毫米晶圓制造包含大量在老舊200毫米晶圓廠成熟節(jié)點上制造的器件，這些產品包括消費類器件、通信集成電路和傳感器，不包括在300毫米晶圓廠中制造的先進芯片。

  并不是所有的芯片都需要先進節(jié)點的生產工藝。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。格羅方德公司射頻業(yè)務單元高級副總裁Bami Bastani說：“大量產品并不需要先進節(jié)點工藝?！崩纾悄苁謾C包含先進芯片，但是這只占據(jù)了器件的一小部分。Bastani說，“其他部分是PMIC、模擬和BCD級技術。直到他們停產，用戶都沒有打算改變他們?！?

  需求旺盛

  典型的200毫米晶圓在開始時每個月生產4萬片晶圓，可以生產從6微米到65納米的多種節(jié)點的晶圓。UMC的Ng說：“有大量在180nm/130nm/110nm的活動，依賴特定的應用。射頻，尤其是RF SOI，正在驅動大量的需求增長，功耗也是考慮因素。”

  應用材料公司的200毫米設備產品組策略和技術市場主任Mike Rosa說：“我們看到了一個廣闊的應用空間，有電動車和ADAS、不斷增加新功能的智能手機。”根據(jù)Rosa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貢獻了力量。”在2018，市場有所冷卻?！?018年對200毫米晶圓的需求將返回到歷史標準的4.2%?！爆F(xiàn)在冷靜期的一個原因是，代工廠能力收緊，制造商無法拓展。而且，器件制造商希望擴展，但缺乏設備。

圖 | 根據(jù)產品分類的2018年200mm晶圓需求(來源Semico Research)

  產能變遷

  首個200毫米晶圓制造廠出現(xiàn)在1990年，晶圓尺寸在數(shù)年中都是標準。隨著時間推移，芯片制造商開始在2000年后遷移至更先進的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毫米晶圓制造廠數(shù)量達到其頂峰。

  2015年末，產業(yè)開始看到對于200毫米晶圓制造廠出乎意料的需求。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毫米晶圓制造廠預期將至少在2030年前保持生命力。

  根據(jù)SEMI的分析師Christian Gregor Dieseldorff表示，處于開工狀態(tài)的200毫米晶圓制造廠的數(shù)量預計將從2016年188個增長到2021年的202個。包括IDM和代工廠在內的200毫米晶圓制造能力的數(shù)據(jù)如下：

  產能吃緊

  當下200毫米制造產能緊張，預計在2018年下半年保持緊張態(tài)勢，且這種緊張可能到2019年會有所緩解。事實上，2018年可能是200毫米晶圓制造產能持續(xù)緊張的第三年。200毫米晶圓制造設備需求已穩(wěn)健地持續(xù)有一段時間了，盡管一些人看到在2018年下半年隨著一些芯片制造商衡量其200毫米制造廠計劃，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(jiān)Joanne Itow說：“200毫米能力持續(xù)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業(yè)驚奇，并且驅動制造廠和制造設備供應商更嚴肅地對待技術。例如，制造廠增加帶有新的和改進工藝的200毫米制造能力。幾個制造設備供應商也開始生產新的200毫米設備。

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

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

  UMC商業(yè)管理副總裁Walter Ng說：“我們看到對200毫米晶圓制造能力保持超量訂購。充滿挑戰(zhàn)的是找到更多的產能。這在過去是一個周期循環(huán)的事情，然而隨著200毫米晶圓產能被完全分配，它現(xiàn)在變成一個新的規(guī)范。我們和產業(yè)中的人相信一些事情正在以這種方式持續(xù)推進。這并不是UMC獨有的情況，是產業(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毫米晶圓廠中中國占了大多數(shù)。SEMI的分析師Christian Gregor Dieseldorff表示：“我們現(xiàn)在跟蹤中國4個正在建設的200毫米晶圓廠，這些是用于代工，及功率器件和MEMS器件的制造。還將有兩個(MEMS和功率集成電路)制造廠要建設。我們預計這些廠的建設將在今年年底或明年年底開始建設。”

  300毫米晶圓制造也在擴張

  集成電路市場劃分為幾個部分。在先進節(jié)點上，芯片制造商增建16/14納米及以上節(jié)點和300毫米晶圓制造廠。Semico研究的分析師Adrienne Downey說：“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毫米制造產能建議

  這對代工廠而言意味著幾個挑戰(zhàn)。首先，生產商必須持續(xù)投資和升級200毫米的各種工藝。一個例子是汽車，客戶系統(tǒng)有一個升級的工藝，即使采用的是200毫米。應用材料的Rosa說：“產業(yè)界希望持續(xù)投資新的技術。似乎是我們無法足夠快地研發(fā)這些技術?！?

  除了投資新的200毫米工藝，制造廠必須找到方式來增加200毫米產能。這有一些建議。

  收購一個帶有200毫米晶圓廠的企業(yè)

  建造新的200毫米晶圓廠

  增加新的200毫米能力

  將客戶從200毫米遷移至300毫米

  建造一個300毫米晶圓廠作為替代。

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

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

  除了這些方式外，很多代工廠正在將一些芯片制造從200毫米晶圓遷移到300毫米晶圓。這對于一些產品有意義，但并非所有。Ng說：“我們嘗試為200毫米晶圓的客戶尋找到解決方案。我們相信一部分是將一些客戶轉移至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，在做很多事情的時候都意味著挑戰(zhàn)，如一些功率分立器件就不會遷移至300毫米?！?

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

  新進入者-SkyWater

  在這個領域還有一些新進入的企業(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。該制造廠此前提供代工服務。隨著收購了該制造廠，SkyWater繼續(xù)提供代工服務。他將其置于一個特定的代工廠，既可以提供CMOS工藝，也可提供生物科學、硅光電、量子計算和超導技術。

  SkyWater有一個200毫米代工廠，包括0.35微米、90nm和其他工藝。SkyWater的總裁Thomas Sonderman說：“你可以看到有非常高產量的其他一些代工廠，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錢，而且依賴于你的規(guī)模，他們可能不感興趣。我們有能力在一個量產環(huán)境下做研發(fā)。Cypress擁有這個工廠時所精通的事情之一是能夠進行多個小批量產品的高度混合，并且有世界級的產量。使用我們的模型，我們能夠以非常具有競爭力的價格為客戶提供正確的數(shù)量。不同的是，我們的方式是我們提供ASIC能力和特殊技術能力。”

  需要200毫米設備

  IDM和代工廠希望能夠擴展200毫米晶圓制造能力，可以從晶圓廠設備制造商、二手設備企業(yè)、分銷商、或eBay等網(wǎng)絡渠道購買二手設備。一些芯片制造企業(yè)也在公開市場上銷售二手設備。與此同時，應用材料、ASML、KLA-Tencor、Lam研究、TEL和其他設備制造商也于近期開始制造新的200毫米晶圓制造設備。

  根據(jù)二手設備供應商SurplusGlobal表示，在2018年開始，產業(yè)需求大約2000套新的或翻新的200毫米晶圓制造設備來滿足制造需求，但當時市場上只有500套200毫米設備。SurplusGlobal公司美國&歐洲區(qū)執(zhí)行副總裁Emerald Greig說：“我們仍然相信這種情況是真實的。我們持續(xù)看到200毫米需求仍未滿足。IDM和中國毋庸置疑驅動這些需求，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年下半年看起來不確定?！拔覀兛吹接捎诘鼐壵蔚脑颍掳肽晷枨笥休p微的下降。由于對建造200毫米或300毫米晶圓廠的重新評估，我們在市場上看到了一個暫緩?！睉貌牧系腞osa則表示：“市場需求非常旺盛。在200毫米晶圓制造領域，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間內保持旺盛。因此制造廠的管理者必須購買設備來滿足需求。從供應商購買200毫米制造設備考慮以下幾個因素——質量、聲譽和服務。即使如此，購買設備仍然勉勵挑戰(zhàn)，無論其是從OEM、二手設備供應商等其他渠道購買。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(xiàn)有的，甚至也有一些情況，企業(yè)銷售不達標甚至不能工作的系統(tǒng)。

  應用材料的Rosa表示：“有兩大類工具需求。有純的增加產量的工具，那就可以非常直接地購買到，如果是需要新技術來增加產量，那在二手市場上就找不到。”在應用材料，制造設備供應商生產新的200毫米設備，同時也翻新設備。通常，這是一個按單生產的業(yè)務，訂貨周期通常從12-到16周。

  其他人也在該領域看到了增長。Lam公司可靠產品組副總裁和總經理Evan Patton表示，“我們在可見的未來看到了我們200毫米制造設備業(yè)務的持續(xù)增長。我們規(guī)劃的時間點是2030，但也有一些跡象顯示時間將進一步延伸。這就是我們?yōu)槭裁闯掷m(xù)在使能技術、生產效率改進、停產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：“當在二手市場上缺少二手設備，在Lam產品中也沒有200毫米設備?！盠am在研究新設備的同時，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)新的工具來來支持汽車、物聯(lián)網(wǎng)和射頻市場對先進器件的需求?！?

  200毫米設備需求繁榮會持續(xù)多長時間仍然是個問題。就現(xiàn)在而言，業(yè)務在今年和明年看起來良好。TEL的高級副總裁和副總經理Kevin Chasey說：“我們看到2019年對設備供應商和IDM而言是另一個強有力的年份。隨著IDM嘗試在他們的制造廠內塞入新的設備，制造廠空間變得緊張。TEL正通過解決工具的效率和可用性來反饋這種需求。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，能夠保證未來十年甚至更遠期內我們的客戶有現(xiàn)代和完全支持的工具套?！盩EL供應一系列200毫米系統(tǒng)，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很健康，供應商也密切關注可能影響到訂單速率的情況上。KLA-Tencor公司的市場、成熟服務、系統(tǒng)和改進部門高級主任Ian O’Leary說：“因為200毫米晶圓預計將增長到2021年，我們預計對200毫米生產能力的需求還將持續(xù)幾年。最后，對200毫米晶圓制造能力的一些需求驅動可能會遷移到300毫米晶圓和先進節(jié)點，現(xiàn)在這些需求都和更大的設計規(guī)格器件相關。一個例子是對多種汽車芯片的快速增加的需求，從低端到高端應用。對于汽車芯片，受限于成本風險，從200毫米轉移到300毫米的速度已經放緩，但是我們持續(xù)密切監(jiān)控這些趨勢，這樣我們的業(yè)務能夠密切貼近市場需求?！?

  但汽車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域。在汽車領域，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發(fā)現(xiàn)缺陷?！霸谠擃I域，300毫米晶圓廠所需的很多工具模型也都是200毫米晶圓廠所需要的?！币l(fā)現(xiàn)在一個110納米工藝中的潛在缺陷，一個制造廠需要能夠在65納米進行缺陷檢測的能力。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時間內需要成熟工藝。但是，仍有待觀察的是，產業(yè)界能夠控制供應鏈。