关于200mm晶圆厂的困境的分析和应对方法

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。”

200mm晶圆厂的繁荣

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。”

行业急需的：200mm设备

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。