12英寸晶圆厂真的要取代8英寸吗？

本文来源于公众号“半导体产业纵横”，ID：ICVIEWS，作者：畅秋。版权归原作者所有，谢谢。
过去几年，全球晶圆厂建设如火如荼，突如其来的疫情，虽然对产能建设造成了一些影响，但总体规划和发展态势没有变，特别是12英寸（300mm）晶圆厂，规模和声势更加引人关注。
来自SEMI的统计和预测数据显示，当年，全球用于12英寸晶圆厂的投资额同比增长13%，创造历史新纪录。而且，由于疫情影响，全球数字化转型进程加速，这样，2021年在12英寸晶圆厂上的投资再创新高，同比增长约4%，之后的2022 年稍微放缓。
从当时的预测情况来看，2022年之前没有大问题，但对2023年的预测显然过于乐观了，今年的情况并不好。
在晶圆厂数量方面，SEMI表示，排除低可能性或谣传的晶圆厂建设，保守估计，2020- 2024年至少新增38座12英寸晶圆厂，其中，中国台湾增加11座，中国大陆增加8座，两地区合计占总数的一半。预计2024年12英寸晶圆厂总数将达到161座，晶圆厂月产能有望增长180万片(wpm)，达到700万片以上。
近几年，虽然中国大陆在12英寸晶圆厂建设方面出现了不少泡沫，但总体增长的势头，特别是市场对产能的需求量一直是刚性增长。在这种情况下，中国大陆产能占全球比重将快速增加，据统计，2015年的市占率仅为8%，而到2024年将增至20%，月产能也将达到150万片。
与中国大陆相比，日本在全球12英寸晶圆产能比重持续下降，2015年约占19%，2024年将跌至12%；美洲也将从2015年的13%，跌至2024年的10%。SEMI认为，韩国将成为最具发展潜力的市场，投资额在150亿-190亿美元之间，紧随其后的中国台湾投资额约为140亿-170亿美元，中国大陆为110亿-130亿美元。
前些天（3月27日），SEMI发布的最新统计和预测报告显示，在2021和2022年强劲增长后，由于存储和逻辑芯片需求疲软，预计2023年12英寸晶圆厂产能扩张将放缓，不过，这只是短暂“休息”，SEMI认为，到2026年，全球12英寸晶圆厂产能将增加到每月960万片，创历史新高。
SEMI总裁Ajit Manocha表示，在2022-2026年间，新增产能的主要驱动力为：模拟和功率器件IDM的产能以30%的复合年增长率领先，其次是晶圆代工业，增长率为12%，之后是光电器件的6%，存储芯片的4%。包括格芯（GlobalFoundries）、华虹半导体、英飞凌、英特尔、Kioxia、美光、三星、SK海力士、中芯国际、意法半导体、德州仪器、台积电和联电在内的IDM和晶圆代工厂，将有82座新厂在2023-2026年期间运营。
由于美国的出口管制，中国大陆企业和政府将12英寸晶圆厂投资重点放在了成熟制程产线上，其全球份额将从2022年的22%增加到2026的25%，产能达到每月240万片。
根据SEMI的预测，2022-2026年，由于存储芯片市场需求疲软，韩国占全球12英寸晶圆产能比重将从25%下滑至23%，尽管中国台湾地区的份额也会略有下降，从22%降至21%，但仍有望保持第三名的位置。而日本在全球的份额预计将从2022年的13%下降到2026年的12%。
在政府投资的推动下，2022-2026年，预计美洲、欧洲和中东地区的12英寸晶圆产能份额将增长，到2026年，美洲的份额将增长0.2%至接近9%，欧洲和中东地区的份额将从6%增加到7%，东南亚的4%基本保持不变。
由于推出了390亿美元的芯片制造补贴计划，美国“芯片法案”带动本土的英特尔、美光、德州仪器，以及外来的台积电和三星电子等国际巨头企业在美国大规模兴建12英寸晶圆厂。
英特尔在亚利桑那州投资了200亿美元建设两座晶圆厂，2022年9月，英特尔又斥资 200 亿美元在俄亥俄州建造两座先进制程晶圆厂，而且，类似的投资在未来还会增加，十年内的总额可能会达到1000亿美元。
“芯片法案”公布之后，美光就宣布了400亿美元的投资计划，这一投资持续到2030年，将分阶段在美国建设先进制程存储芯片晶圆厂。
台积电在亚利桑那州建设的5nm晶圆厂已经搬入设备，在此基础上，该晶圆代工龙头2022年12月宣布将再建一座3nm制程晶圆厂，这些项目投资加起来，不少于400亿美元。三星在德克萨斯州新建了一座12英寸晶圆厂，其总投资也将由原计划的170亿美元提升至250亿美元。
在欧洲，台积电，英特尔都有新建12英寸晶圆厂的计划，目前正在规划当中。

01

12英寸晶圆的魅力

目前，硅晶圆的主力是8英寸和12英寸的，而从前文所述，以及目前的市场行情来看，12英寸的明显压过8英寸一头，这是为什么呢？
一个很重要的原因就是先进制程的发展。14nm以下的芯片，如已经量产的7nm、5nm、4nm、3nm，以及未来的2nm等，都是用12英寸晶圆制造的。原因在于：制程工艺越复杂，芯片的成本越高，为了控制成本，就要最大化地利用硅晶圆，而晶圆尺寸越大，浪费的越少，利用率越高。例如，用8英寸和12英寸晶圆生产同一制程工艺的芯片，12英寸所产芯片数量是8英寸的2.385倍。
12英寸晶圆的表面积大约为70659平方毫米，以华为麒麟990 5G处理器为例，其单个芯片面积为10.68×10.61＝113.31平方毫米，如果晶圆能够被100%利用，可以生产出700个这样的芯片，但实际上这是不可能的，芯片是方形的，晶圆是圆形的，一定会有损耗，理论计算可以产出640个左右，但考虑到良率等因素，实际能生产出500个左右。
再有，12英寸晶圆厂洁净度要比8英寸高出不少，因此，同样的芯片产品从8英寸产线转移到12英寸的，其良率会明显提升，从而增加成本效益。

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8英寸晶圆厂还有前途吗？

12英寸晶圆的成本效益高，全球各大芯片厂商也在兴建12英寸晶圆厂，难道8英寸晶圆产线已经成为昨日黄花，没有价值了？答案是否定的。
这里有一组数据，截至2022年，全球有150多座12英寸晶圆厂，其中，42座在中国台湾，33座在中国大陆，19座在美国，12座在欧洲和中东。虽然先进制程工艺很重要，且吸引了大量投资，但仍有相当大比例的芯片在8英寸晶圆厂生产，特别是90nm-180nm工艺节点芯片，是8英寸产线的天下。截至2022年，全球约有230座8英寸晶圆厂，其中，51座在美国，49座在欧洲和中东。
从2018年起，8英寸晶圆芯片产能就处于供给不足的状态，这种状况一直持续到2022上半年，特别是在中国大陆，无论是IDM，还是晶圆代工厂，8英寸晶圆产能一直都很紧俏，产能利用率相当高。
出现这种状况的原因主要是市场对模拟芯片的需求量一直在提升，功率器件、电源管理芯片、CMOS图像传感器、MEMS传感器、RF收发器、滤波器，PA、ADC、DAC等，大都在8英寸晶圆产线投产。
SEMI预计，2019~2022年，全球8英寸晶圆产量增加约70万片，增幅为14%，其中，MEMS和传感器相关产能约增加25%，功率器件产能提高约23%。2019年，在15个新晶圆厂建设计划中，约有一半是8英寸的。
8英寸晶圆产能为何满足不了应用需求呢？主要原因有如下几点。
一、市场对模拟芯片的需求强劲，特别是新能源汽车的快速发展，对功率器件（IGBT、MOSFET等）的需求相当强劲，而这些芯片主要在8英寸晶圆产线生产。
二、晶圆代工厂的8英寸线产能普遍紧张，而且，大部分模拟、分立器件市场由IDM大厂把持，但因产能有限，这些IDM通常会将订单外包给晶圆代工厂，同时，在从6英寸转向8英寸过程中，部分IDM的主要产能专注于12英寸线，没有额外增添8英寸线，这样就不得不将8英寸产品外包。因此，大部分IDM扩产幅度比需求增长幅度低，外包的比例会越来越高，这样就加剧了8英寸晶圆代工产能供不应求的情势。
三、相关设备供给不足，很多设备厂已经不再生产8英寸晶圆加工设备了，二手设备数量又很有限，以及8英寸硅片产量受限等，也在制约8英寸晶圆产能供给量。
2008-2016年，全球共有15座8英寸晶圆厂转型为12英寸的，然而，从2016年开始，8英寸晶圆厂关闭的速度开始减缓，这种态势一直持续到2021年前后，8英寸晶圆产线似乎焕发了第二春。
疫情爆发以来，全球半导体业呈现出异常红火的局面，特别是2020年到2022上半年，各种芯片供不应求，8英寸晶圆产能的市场需求非常火爆。但从2022下半年开始，这股芯片热快速降温，进入2023年以来，各种芯片全面过剩，8英寸晶圆产能不再像过去几年那么火爆了。不过，这是全行业共有的状况，并不是8英寸独有的。业界普遍估计，到了2024年，全球半导体业将全面复苏，到那时，8英寸晶圆产能需求有望再次热火起来。

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