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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(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。格羅方德公司射頻業(yè)務單元高級副總裁Bami Bastani說：“大量產(chǎn)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(shù)。直到他們停產(chǎn)，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(chǎn)4萬片晶圓，可以生產(chǎn)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(qū)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(chǎn)品組策略和技術(shù)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?！痹?018，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%。”現(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(chǎn)品分類的2018年200mm晶圓需求(來源Semico Research)

  產(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(nèi)的200毫米晶圓制造能力的數(shù)據(jù)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年會有所緩解。事實上，2018年可能是200毫米晶圓制造產(chǎn)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(chǎn)業(yè)驚奇，并且驅(qū)動制造廠和制造設備供應商更嚴肅地對待技術(shù)。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(chǎn)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(chǎn)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?qū)ふ?00毫米晶圓制造能力。與此同時，美國SkyWater技術(shù)公司作為一個新的制造能力供應商也已經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)能被完全分配，它現(xiàn)在變成一個新的規(guī)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(xù)推進。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(chǎn)能建議

  這對代工廠而言意味著幾個挑戰(zhàn)。首先，生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)界希望持續(xù)投資新的技術(shù)。似乎是我們無法足夠快地研發(fā)這些技術(shù)?！?

  除了投資新的200毫米工藝，制造廠必須找到方式來增加200毫米產(chǎn)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(jīng)收購了不少公司來獲取技術(shù)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(zhuǎn)中回本。Ng說：“如果我們打算投資更多產(chǎn)能，問題是這樣做是否有商業(yè)意義。有很多應用驅(qū)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)的可用性和成熟度的考慮?！蓖瑫r，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(shù)。

  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(chǎn)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(chǎn)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(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(shù)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(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?nèi)匀幌嘈胚@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(qū)動這些需求，即使我們在美國和歐洲也看到了需求。”但200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(nèi)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(zhì)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(chǎn)量的工具，那就可以非常直接地購買到，如果是需要新技術(shù)來增加產(chǎn)量，那在二手市場上就找不到?！痹趹貌牧希圃煸O備供應商生產(chǎn)新的200毫米設備，同時也翻新設備。通常，這是一個按單生產(chǎn)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(chǎn)品組副總裁和總經(jīng)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(shù)、生產(chǎn)效率改進、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：“當在二手市場上缺少二手設備，在Lam產(chǎn)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。“我們正在投資研發(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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(qū)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(zhuǎn)移到300毫米的速度已經(jīng)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。”要發(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(nèi)需要成熟工藝。但是，仍有待觀察的是，產(chǎn)業(yè)界能夠控制供應鏈。