[原创] 200mm晶圆厂的困境

来源：本文由公众号 半导体按行业观察（ID：icbank）翻译自semiengineering，作者MARK LAPEDUS，谢谢。

对模拟、MEMS和射频芯片的需求不断增长，将会继续导致200mm晶圆厂产能和设备严重短缺，并且没有任何缓和的迹象。

目前，200mm晶圆厂产能紧张，预计2018年下半年的情况类似，并可能持续到2019年。事实上，2018年可能是连续第三年200mm晶圆厂产能紧张的情况。 200mm设备也是如此。

虽然需求状况似乎是该行业的一个亮点，但这种情况令许多客户在几方面感到焦虑。200mm的市场并不涉及300mm晶圆厂生产的前沿芯片，而是在成熟的节点上使用200mm晶圆厂制造大量器件。这些产品包括消费类器件、通信IC和传感器。

在200mm上，有一些复杂的变数。如下所述：

• IDM和无晶圆厂设计公司希望能够满足200mm晶圆厂生产芯片的需求。然而，供应商是否能够满足所有需求尚不清楚，因为全球200mm晶圆厂产能在现在和未来都将保持紧张。

• 作为回应，GlobalFoundries、三星、中芯国际、TowerJazz、台积电，联电等都争相增加200mm产能。与此同时，新的代工厂商SkyWater Technology也加入了200mm的竞争。

• 即使拥有200mm的产能，行业仍然陷于困境，因为无法在市场上找到足够的200mm晶圆厂设备。

• 其次，一些芯片制造商无法获得足够的200mm产能或设备，于是开始从长计议他们建设新200mm工厂的计划。相反，他们可能会建造300mm工厂。

对各方来说，这是一种复杂、焦虑的局面。联电业务管理副总裁Walter Ng表示：“我们看到，200mm仍然供不应求。要找到任何额外的产能是非常具有挑战性的。这曾经是一个周期性的事情。现在，由于200mm被充分分配，它已经成为新的规范。我们和业内其他人士认为，这是前进的方向。这不是特殊情况，而是全行业的情况。”

令人惊讶的是，至少到2030年左右，200mm晶圆厂预计仍然可行。和以前一样，我们面临的挑战是采购200mm设备，而这些设备仍然供不应求。

事实上，200mm的设备需求一段时间以来一直保持强劲，尽管一些人认为在2018年下半年会略有停顿，因为芯片制造商已经对他们的200mm晶圆厂计划进行了权衡。地缘政治问题也是一个因素。Semico Research制造总经理Joanne Itow表示：“200mm的产能仍然很紧张。有趣的是，对200mm二手设备的需求已经减少了一些。”

IC市场分为几个部分。在行业前沿，芯片制造商正在以16nm/ 14nm和300mm晶圆厂生产芯片。在300mm晶圆厂，芯片制造商也在16nm/14nm以上的细分市场生产芯片。

300mm的两个细分市场都在扩大。Semico Research分析师Adrienne Downey表示：“除了代工厂增加的逻辑芯片产能之外，韩国和中国还增加了大量300mm产能用于存储器生产。”

但并非所有芯片都需要高级节点。模拟、MEMS、射频等都是在200mm和更小的晶圆上生产的。然而，对于许多这类器件来说，200mm是最佳选择。

第一座200mm晶圆厂出现于1990年，晶圆尺寸成为多年的标准。随着时间的推移，当芯片制造商在21世纪初开始迁移到更先进的300mm晶圆厂时，200mm应该会缩小。到2007年，200mm达到顶峰，市场开始下滑。

图1：晶圆尺寸来源的相对差异 （来源：ICE）

然而，2015年末，行业看到了对200mm晶圆厂芯片的意外需求。这使IC供应链不堪重负，2016年和2017年造成了200mm 晶圆厂产能的短缺。进入2018年，200mm产能仍然紧张，看不到缓和的迹象。

尽管如此，对200mm的需求已经让业界大吃一惊，并迫使芯片制造商和晶圆厂工具供应商更加重视该技术。例如，代工厂采用新的改进工艺增加了200mm的产能。然后，几家晶圆厂工具供应商开始构建新的200mm设备。

SEMI的分析师Christian Gregor Dieseldorff认为，总体上200mm晶圆厂数量预计将从2016年的188个增加到2021年的202个。这个数字包括IDM和代工厂。

图2：200mm晶圆厂数量的增长。 （来源：SEMI）

大部分新的200mm晶圆厂都是中国建造的。Dieseldorff表示：“我们目前正在关注在中国建设的四座200mm晶圆厂。用于代工、功率芯片和MEMS。还有两座已经公布（用于MEMS和功率芯片）。我们预计这些晶圆厂的建设将在今年年底以及明年年底前开始。”

一座典型的200mm晶圆厂每月产生大约40,000个晶圆。这些工厂在各种节点上生产晶圆，范围从6um到65nm不等。联电的Ng表示：“180nm / 130nm / 110nm有很多动作，这取决于特定的应用。RF，特别是RF SOI，正在推动大量的产能增长。功率芯片也包括在内。还有像BCD这样的东西。”

在200mm，应用正在激增。Applied Materials公司200mm设备产品部战略和技术营销总监Mike Rosa表示：“我们看到了扩大的应用空间，例如电动汽车和ADAS，还有不断添加新功能的智能手机。”

据Rosa说，在对这些器件的需求中，200mm晶圆厂的利用率在90%上下，有些报告为100％。

据Semico公司的Itow称，2017年，200mm晶圆的需求增长了9.2％。Itow表示：“模拟器件、分立器件、微控制器、光电子和传感器都对200mm晶圆产能的需求增加起了推动作用。”

2018年，市场在一定程度上降温。Itow表示：“2018年200mm晶圆需求将恢复到4.2%增长的历史水准。”

图3：2018年200mm晶圆需求（按产品类别划分）（来源：Semico Research）

降温的原因之一是晶圆厂产能紧张，制造商无法扩张。另外，即使器件制造商想要扩张，也存在设备缺乏的问题。

尽管如此，200mm晶圆厂的产能紧张预计会持续一段时间，特别是在代工厂。GlobalFoundries射频业务部门高级副总裁Bami Bastani表示：“业内200mm以上的产品被超量订购。很多东西不需要高级节点。”

例如，一款智能手机集成了前沿芯片，但这只占器件的一小部分。Bastani表示：“其余的是PMIC、模拟和BCD等技术。你并不想在这些产品中使用更小的几何尺寸。顾客并不想迁移，直到它们被淘汰。”

一般来说，客户乐于在廉价的200mm晶圆厂生产这些器件。但晶圆厂没有足够的200mm产能，而且利润低于300mm。

这给代工厂带来了几个挑战。首先，供应商必须继续投资和升级200mm的各种工艺。比如在汽车领域，客户想要更新的工艺，即便它是在200mm制造的。Applied Materials公司的Rosa表示：“行业需要继续投资新技术，但似乎我们不能足够快地开发这些技术。”

除了投资于新的200mm工艺，代工厂还必须找到增加200mm产能的方法。以下是一些选项：

• 收购拥有200mm晶圆厂的公司。

• 建造新的200mm晶圆厂。

• 增加200mm的产能。

• 将客户从200mm迁移到300mm。

• 建造300mm的晶圆厂取而代之。

走收购路线是一个想法。多年来，代工厂已经收购了一些公司，以获得技术和产能。但这是一个昂贵的选择。联电的Ng表示：“任何一个拥有8英寸晶圆厂并且正在考虑出售的人都对它有很高的溢价。”

另一个选择是新建200mm的晶圆厂。挑战在于装备设施，并获得长期回报。Ng 表示：“如果你打算投资增加产能，问题在于它是否有商业意义。有很多应用推动200mm的产能增长。成本是它的重要组成部分。你可以支持产能增长。但如果它不符合成本效益，那么它就不符合要求。”

许多代工厂不再走这些路线，而是将一些芯片从200mm移动到300mm。这对一些产品来说是有意义的，但并非所有产品都是如此。Ng 表示：“我们正在努力为200mm的客户找到解决方案。我们相信其中一部分解决方案将会把这些客户迁移到有意义的300mm平台上。”

对于某些芯片而言，将它们迁移到300mm毫无意义。“200mm的很多应用对成本非常敏感。所以，这对于做任何事情都是一个挑战。举例来说，一些功率分立元件永远不会迁移。”

然后，在200mm的所有问题中，有些人甚至重新考虑他们的200mm晶圆厂计划。他们甚至正在考虑建造300mm的工厂，这也是一个昂贵的选择。Applied Materials公司的Rosa表示：“如果你关注300mm，你的设备成本会增加，在你开始考虑你可能需要的技术的可用性和准备性之前就会发现。”

同时，代工厂客户也面临一些挑战。除了从供应商那里获得足够的产能外，客户还必须评估代工工艺。每个代工厂都不同，都会提供各种功能。

另外，竞争中也有一些新玩家。去年，SkyWater收购了位于明尼苏达州布卢明顿的赛普拉斯半导体的200mm晶圆厂。此前，赛普拉斯在布卢明顿的晶圆厂提供代工服务。

随着这座晶圆厂的收购，SkyWater将提供代工服务。它将自己定位为专业代工厂，拥有CMOS工艺以及生物技术、硅光子学、量子计算和超导技术。

SkyWater拥有一座200mm工厂，拥有0.35um，90nm等工艺。SkyWater总裁Thomas Sonderman表示：“如果你看一些代工厂，它们的产量很高，但它们不喜欢定制。定制能力是你花很多钱才能买到的。鉴于你的规模，他们可能不会感兴趣。”

Sonderman 表示：“我们有能力在高产能环境中进行开发。赛普拉斯拥有它时，晶圆厂掌握的其中一项功能就是可以做大量的低产量的产品，并且仍具有世界一流的产量。以我们的模式，我们可以以极具竞争力的价格为客户提供合适的产品种类。但我们在某种程度上提供了ASIC能力和专业技术能力。”

同时，IDM和代工厂希望扩大200mm的产能。那么你可以在哪里购买200mm的设备？

芯片制造商可以从晶圆厂设备制造商、二手设备公司、经纪商或通过eBay等在线网站购买二手设备。一些芯片制造商也在公开市场销售二手设备。

近来，Applied Materials、ASML、KLA-Tencor、Lam Research、TEL和其他设备制造商已经在制造新的200mm设备。

据二手设备供应商SurplusGlobal称，在2018年初，该行业需要大约2,000种新的或翻新的200mm工具来满足工厂的需求。但是，到2018年初，市场上只有500种可用的200mm工具。

SurplusGlobal的美洲和欧洲执行副总裁Emerald Greig表示：“我们仍然认为这是事实。我们继续看到200mm的需求没有得到满足。尽管我们看到美国和欧洲的需求也在增长，但IDM和中国确实在推动这一趋势。”

这一周期的不同之处在于，在2018年下半年，200mm设备的需求前景并不明朗。Greig表示：“由于地缘政治因素，我们预计下半年将略有放缓，我们会看到市场暂停，因为要重新评估安装200mm或300mm设备。”

其他人则更为乐观。Rosa表示：“市场非常强劲。在200mm，我们将至少度过我们最强的一年。”

无论短期前景如何，200mm预计将在一段时间内保持可行，所以晶圆厂经理必须采购设备和备件以满足需求。从供应商购买200mm工具归结为几个因素——质量、信誉和服务。即便如此，无论是从OEM，二手设备供应商还是其他地方购买设备都面临挑战。

Rosa表示：“二手市场上的核心可以在任何一个国家。谱线的一端可以是新设备。另一端可以是原始设备，中间是一切。然后，我们看到200mm平台的可用性正在枯竭。这会如何？这增加了交货时间，迫使二手设备的价格上涨。”

并非所有200mm设备供应商都是一样的。一些提供新的工具，而另一些则翻新现有的工具。甚至有一些公司销售的系统是不合格的，或者根本就不工作。

Rosa表示：“工具需求有两种。有纯粹的产能增加工具。如果只是单一的产能增加，就会很简单。如果是一项需要新技术的产能增加，那么它就在二手市场上无法找到。”

与此同时，Applied Materials公司也在制造新的200mm设备，并在各个细分市场进行翻新。通常情况下，这是一项按订单生产的业务，交付周期从12周到16周不等。

在某些情况下，Applied Materials公司将从头开始构建新的200mm工具。Rosa表示：“这增加了交货时间和价格。当Applied Materials公司只做200mm的时候，我们会看到工具ASP接近成型。”

其他人也看到了市场的发展。Lam Research副总裁兼Reliant产品部总经理Evan Patton表示：“在可预见的未来，我们将看到200mm业务持续增长。我们的规划目标是2030年，有一些迹象表明，日期还会进一步推迟。这就是为什么我们继续大力投资于支持技术、提高生产率和淘汰解决方案的原因。”

尽管Lam正在跟上订单的速度，但200mm工具的需求依然旺盛。Patton表示：“虽然二手市场上可能缺少二手工具，但Lam的产品组合中并不缺少200mm设备。”

Lam正在开发新的和翻新的200mm工具，如蚀刻、沉积和清洗。Patton表示：“我们正在投资开发新的工具，以支持汽车、物联网和射频市场的先进设备。”

至于200mm设备的繁荣将持续多久仍是个问题。就目前而言，今年和明年的业务看起来不错。TEL高级副总裁兼副总经理Kevin Chasey表示：“我们认为2019年对于设备供应商和IDM来说是又一个强劲的一年。由于IDM试图将新工具挤入他们的生产车间，晶圆厂空间变得紧张起来。”

Chasey 表示：“TEL通过解决工具效率和可用性来满足这一需求。为了提高效率，TEL正在发布OEE（整体设备效率）硬件和软件升级，旨在改善传统安装基础。此外，TEL正在重新发布更新的工具平台，以确保我们的客户在未来10年乃至更长时间内拥有现代化的、完全支持的工具集。”

TEL提供一系列200mm系统，如沉积，蚀刻和清洗等。许多平台都能够运行100mm / 200mm晶圆衬底。

虽然200mm的设备需求看起来很正常，但供应商们正密切关注可能影响订单率的情况。KLA-Tencor公司市场营销，成熟服务，系统和改进的高级营销总监Ian O'Leary表示：“由于200mm晶圆预计将持续增长到2021年，我们预计未来几年将持续需求200mm的产能。”

O 'Leary表示：“最终，在200mm细分市场中，一些需求驱动因素目前与更大的设计规则设备相关联，可能会转向300mm晶圆和前沿节点。一个例子是对各种汽车芯片的需求迅速增长，跨越了低端到高端的应用。对于汽车芯片而言，从成本分析的角度来看，从200mm向300mm的迁移一直很缓慢，但我们继续密切关注这些趋势，以便我们的业务与市场需求保持一致。”

汽车设备制造商仍然需要200mm，特别是在缺陷检测领域。 在汽车领域，OEM厂商要求芯片零缺陷。

通常，设备制造商使用晶圆检测设备来检测缺陷。O 'Leary表示：“在这个领域，200mm晶圆厂也需要300mm晶圆厂所需的许多工具模型。”

为了找到110nm工艺中的潜在缺陷，工厂需要65nm的缺陷检测能力。所以，KLA-Tencor需要建立具有300mm能力的200mm检测工具。

很明显，200mm需要保留。很多芯片需要长时间在200mm工厂中使用成熟工艺。然而仍然有待观察的是，行业是否能在供应链中获得一席之地。

*致谢：本文由电子科技大学低功耗集成电路与系统研究所黄乐天老师和陈家豪同学协助校对。

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