200mm需求激增

对各种芯片的需求激增，导致200毫米晶圆代工能力和200毫米晶圆厂设备出现短缺，而且这种情况在2021年没有减弱的迹象。

至少在2021年上半年，代工厂客户将面临200毫米的产能短缺，甚至可能更久。这些客户需要提前计划，以确保在2021年获得足够的200mm产能。否则，它们可能会被完全锁定在市场之外，或者可能需要为这种容量支付溢价。

对于设备和设备制造商来说，200mm市场是一个相当大的业务。目前，全球有200多家晶圆厂使用200毫米(8英寸)直径的晶圆生产芯片。芯片制造商使用这些200mm晶圆厂生产基于成熟工艺的芯片，从350nm到90nm节点。模拟、显示驱动器、电源管理ic (pics)和射频设备都是在200mm晶圆厂生产的芯片。

这些设备中的许多都不是在当今最先进的300mm晶圆厂生产的。300mm晶圆厂用于加工最先进的芯片，尽管他们也在65nm到28nm的成熟节点上制造器件。

在此基础上，200mm和300mm晶圆厂市场被细分为两类——集成器件制造商(idm)和代工厂。idm设计自己的品牌芯片，并在自己的晶圆厂生产。晶圆代工厂在自己的晶圆厂以有竞争力的价格为其他公司生产芯片。大多数铸造厂同时拥有200mm和300mm晶圆厂。

这不是一个新问题。从2015年到2019年，整个行业的200mm晶圆厂产能都处于供不应求的状态，原因很简单，就是需求大于供应。设备制造商希望扩大其200mm晶圆厂的产能，但200mm设备供应不足。然后，在2020年初，Covid-19大流行出现，导致包括200mm市场在内的整个半导体行业放缓。然而，到2020年年中，随着电脑、平板电脑、电视和其他产品的需求激增，市场反弹。

2020年，200mm市场也出现反弹，尽管并非每个人都同样受益。一些代工厂200mm和300mm的产能都卖光了，而其他供应商则没有。许多idm也有多余的200mm容量。产能情况取决于产品组合。

“今年的情况很有趣。不仅是200毫米的需求，而且对尖端产品和专业产品的需求也普遍存在。它包括电源、CMOS图像传感器、RF以及诸如此类的产品，”VLSI Research总裁Risto Puhakka表示。“市场上也存在分歧。如果你是像TI、NXP或标准模拟公司这样的idm, 2020年很艰难。受冠状病毒影响，工业、汽车和电力市场一直处于艰难境地。但与此同时，晶圆代工厂也在蓬勃发展。晶圆代工厂正在面向我所说的消费者市场。”

虽然idm目前开始出现复苏，但大多数代工厂将在2021年继续看到对200毫米产能的强劲需求。Puhakka表示:“后缘节点在晶圆代工厂非常活跃。”“如果没有别的，它只是在加速。”

和以前一样，晶圆代工厂希望扩大他们的产能，但现在和可预见的未来仍然面临200mm设备的短缺。

图1:200mm半导体晶圆厂数量。来源:SEMI World Fab Forecast报告，2020年11月

200毫米到爆炸点
在半导体生产流程中，硅片制造商根据不同的直径尺寸开发未加工或原始的硅片。晶圆被卖给芯片制造商，在晶圆厂加工成芯片。

在20世纪60年代中期半导体工业的早期，芯片制造商在一家晶圆厂里用1.25英寸(30毫米)的晶圆加工最先进的芯片。30mm为晶圆尺寸的直径。

多年来，芯片制造商纷纷转向更大尺寸的晶圆。通过转向更大的晶圆尺寸，供应商生产了2.2倍的晶圆模具数量，使他们能够降低制造成本。

20世纪90年代，领先的芯片制造商从150毫米晶圆厂转移到200毫米晶圆厂。当时，建造一个200毫米晶圆厂的成本约为7亿至13亿美元。晶圆厂成本的很大一部分是围绕用于制造芯片的设备。蚀刻、沉积和光刻系统是晶圆厂常见的设备类型。

多年来，200毫米晶圆厂成为领先的标准。据SEMI分析师克里斯蒂安•迪塞尔多夫(Christian Dieseldorff)称，到2002年，全球共有186座200毫米晶圆厂投入运营，而1995年仅有65座。

从21世纪初开始，许多芯片制造商从200毫米晶圆厂转移到300毫米晶圆厂(12英寸直径的晶圆)。最初，建造一个300mm晶圆厂的成本为20亿至30亿美元。

尽管向300mm晶圆厂迁移，200mm晶圆厂并没有消失。相反，大量芯片制造商继续在旧的200mm晶圆厂生产芯片。今天，许多供应商也在较老的150mm和100mm晶圆厂生产芯片。

然而，在2015年之前，200mm一直是一个被遗忘的市场。当时，对模拟、射频、MEMS和其他设备类型的需求激增，导致200mm晶圆厂产能短缺。

从2015年到2019年，200mm晶圆厂产能紧张。2020年，除了今年早些时候的间歇，许多供应商的代工产能一直紧张。idm的200mm容量是一个混合包。

“对200毫米产能的需求过去是周期性的，但在过去几年里，这种情况发生了变化，”中兴科技业务发展副总裁Walter Ng表示联华电子．“我们看到整个行业200毫米的需求继续超过供应。许多设备都是长寿命产品，将在现有技术上停留一段时间。其他新的应用也正在进入市场，希望利用200mm技术节点的技术/成本优势。这创造了200mm的新标准，在可预见的未来，行业需求将持续超过行业供应。”

设备供应商也看到了类似的趋势。“SPTS的200mm晶圆处理设备的前景非常强劲，过去5年左右一直如此，”SPTS Technologies执行副总裁兼总经理David Butler表示心理契约公司。“在我们自己的统计数据中，小型晶圆市场的增长非常明显。从2010年到2015年，200mm或更小尺寸产品的销量在我们的总业务中所占的比例有所下降，当时它与300mm的销量接近50%。然后趋势逆转，200毫米或更小的比例回到了2010年的水平。”

200mm容量趋势
有几种方法来看待200mm市场。一是将市场分成三部分——代工供应商基础、晶圆厂产能和设备。

几家代工供应商在200mm晶圆厂为其他公司生产芯片，每个公司都有不同的工艺产品。GlobalFoundries，华虹，三星，天水，中芯国际，塔，台积电，联华，先锋和X-Fab都是拥有200毫米晶圆厂的代工供应商。

新的200毫米晶圆代工企业Key foundry从MagnaChip手中收购晶圆代工业务后，于9月份进入市场。

与此同时，在产能方面，idm和代工厂继续建造新的200mm晶圆厂。SEMI的Dieseldorff说:“在2019年，我们统计了5个新的200毫米晶圆厂。7座200毫米晶圆厂于2020年开始建设。2021年还将有一座或两座建筑开工建设。”

根据SEMI的数据，在区域基础上，中国将在2020年有三个新的200毫米晶圆厂，而美洲、日本、东南亚和台湾各有一个工厂。2021年计划的晶圆厂位于美国

另一种衡量产能的方法是晶圆厂产量，以每月晶圆片数(wpm)来衡量。迪塞尔多夫表示:“从2019年到2021年，我们预计wpm每年将稳步增长约3%至4%。”

预计到2021年，该行业200毫米的新产能将增加超过22万wpm。据SEMI称，总的来说，200mm晶圆厂产能预计将达到640万wpm。200mm fab容量包括分立器件，epi, led, MEMS和半导体。

200mm容量用其他方法测量。例如，200mm晶圆厂的每个工艺节点都有自己的供应/需求方程。例如，在200mm晶圆厂的180nm节点上需要pmic和显示驱动ic。

最重要的是迁移因素。一些芯片类型将继续在200mm晶圆厂生产很长一段时间。还有一些芯片正在从200mm芯片迁移到300mm芯片。

"可以肯定地说，整个行业的200毫米和300毫米晶圆代工产能都非常紧张，" UMC的Ng表示。“在过去几年中，由于200mm的容量不断被填满，这推动了许多应用程序迁移到300mm技术节点。因此，我们已经在80nm/90nm以及65nm/55nm上看到了pmic、显示驱动器ic和RF-SOI设计。我们所说的传统300mm在一定程度上是由同样的高容量终端应用在更先进的200mm工艺上驱动的。”

然后，在许多代工厂，相对成熟的40nm和28nm工艺在300mm晶圆厂也有需求。“这些节点由消费者和通信应用程序驱动。游戏、无线通信和LED驱动器等应用程序只是驱动应用程序的一部分。此外，5G和毫米波相关设备正在快速增长。”

与此同时，2021年，许多供应商对200毫米晶圆代工能力的需求将保持强劲。Gartner分析师Samuel Wang表示:“预计台湾所有晶圆代工厂200毫米晶圆供应紧张的局面至少将持续到2021年第二季度末。”“200毫米晶圆需求增加的主要原因之一是5G智能手机和基站的产量持续增加。这将使台湾代工厂的200mm在2021年得到高度利用。一些服务于汽车和工业应用的非台湾晶圆代工厂没有看到200毫米晶圆的需求如此激增。”

2020年，一些代工厂提高了200毫米的价格。“代工厂有选择性地提高价格，但这不是全面的，”王说。“台积电已公开宣布不会上调200毫米晶圆厂的价格，并鼓励200毫米晶圆厂的客户改用300毫米晶圆厂，以维持长期合作关系。台湾其他晶圆代工厂的价格涨幅有限。他们与许多客户签订了合同协议，以保持价格稳定。但精选的中低销量客户经历了更多的价格上涨。”

200mm设备趋势
在某种程度上，idm和代工厂必须通过建造新的晶圆厂或扩建现有工厂来扩大200mm的产能。无论哪种情况，设备制造商都必须购买200mm的设备。

有几种方法可以获得200mm设备。例如，许多设备供应商(也称为原始设备制造商)从头开始制造新的200mm工具。原始设备制造商也会采用旧设备，或所谓的“核心”，并将其翻新成可用的系统。

另一个来源是二手设备或二手设备公司。这些公司获得核并进行翻新。有些人甚至建立了自己的名牌工具。

经纪人和eBay等在线网站也出售二手设备。一些芯片制造商还在公开市场上出售二手设备。

购买200mm设备有几种途径，但并没有那么简单。一方面，市场上缺乏可用的200mm翻新设备。根据二次设备供应商SurplusGlobal的数据，今年早些时候，该行业需要2000至3000多个新的或翻新的200mm工具或“芯”来满足200mm晶圆厂的需求，但可用的芯不足500个。

如今，由于对200毫米晶圆代工能力的需求激增，可用的芯比以前更少。“形势更加严峻，”盈富环球(SurplusGlobal)首席执行官布鲁斯•金(Bruce Kim)表示。“每个200毫米晶圆代工厂都很忙，至少到明年年底都在全面运作。”

由于二手工具的短缺，设备制造商在很多情况下必须直接到设备制造商那里购买新的200mm工具，这种工具相对昂贵。“多年来，200mm设备制造商能够以低廉的价格获得二手设备。现在，你不再有这种供应了。即使人们有闲置的工具，他们也不会卖掉它们，因为他们仍然可以用它们赚钱，”VLSI Research的Puhakka说。“现在，你必须去找原始设备制造商。你必须去Applied, Lam, TEL, Kokusai, ASMI和ASML。这些工具不是完全负担得起的。投资的门槛要高得多。”

尽管如此，原始设备制造商的200mm工具仍有需求。该公司战略营销董事总经理大卫•海恩斯(David Haynes)表示:“用于翻新的200mm旧工具芯肯定短缺。林的研究．“但在传感、电源和射频领域的许多现有应用中，对200mm设备的需求仍然强劲。对电源管理和专用CMOS图像传感器应用的模拟IC容量的需求尤其强劲，并推动了客户需求。同样，我们也看到离散功率器件制造解决方案的需求不断增长，尽管随着需求的增长，这些技术将继续向300mm迁移。”

尽管如此，在2019年略有停滞之后，200mm设备市场再次起飞。根据VLSI Research的数据，2019年200毫米晶圆fab设备(WFE)的总销售额为36亿美元，比2018年下降了5%。据VLSI Research称，2020年，200mm WFE市场预计将反弹，并增长6%至7%。据该公司称，预计2021年该市场将出现类似的增长。

在哪里购买工具
与此同时，一些供应商出售新的和/或旧的200mm设备。很难列出所有的公司及其产品。观察市场的一种方法是突出几家公司，并探索当前的问题。

用于在晶圆上刻印特征的光刻工具通常是市场上最难采购的200毫米系统。一个供应商，佳能，继续开发新的i线和248nm光刻系统在200毫米和更小的晶圆尺寸。

佳能营销经理Doug Shelton表示:“市场对200毫米新设备和二手设备的需求强劲，但佳能在新设备制造计划方面具有灵活性，使我们能够在保持可接受的交货时间的同时，增加特定单位的产量以满足市场需求。”“新设备对预算明确、对系统性能、生产率、功能或产品寿命有要求的公司很有吸引力。价格较低的二手设备对于寻求最小化200mm晶圆厂成本的客户具有吸引力，而光刻性能和输出不是主要优先考虑的问题。通过新的工具设备策略，可以将采购、翻新、安装和支持二手光刻设备的风险降至最低。”

同时，有几家公司生产和销售200mm沉积和蚀刻设备。沉积包括在表面上放置薄膜。蚀刻工具去除材料。

“Lam一直在继续制造新的200mm沉积、蚀刻和单片清洁工具，”Lam的Haynes说。“我们有一个积极的核心收购计划。但如果我们无法提供翻新的工具，我们的团队可以提供一种新产品作为替代。”

对翻新300毫米系统的需求也在增加。Haynes表示:“在这一领域，我们看到对翻新300毫米工具的巨大需求，这些工具可以满足先进的工艺要求，但仍然满足我们在这些市场运营的客户的资本投资目标。”

其他沉积/蚀刻供应商也看到了类似的趋势，但也面临一些挑战。“从广义上讲，供应200毫米或更小的设备没有具体的挑战，”SPTS的巴特勒说。“供应链成熟而稳定。计量系统是现成的。200mm及更小晶圆的挑战在于它们所支持的各种各样的市场，每个市场都有非常不同的技术需求。例如，均匀厚度和应力控制是不同的压电薄膜射频滤波，纳米去除氮化镓(氮化镓)层用于电源，以及在低于200°C的MEMS中沉积的高击穿介质。”

事实上，有一种看法认为，对200毫米晶圆厂芯片的要求很简单。相反，需求有时很复杂，设备制造商希望工具具有更精确的过程和更快的吞吐量。

“我们为铸造厂运送了大量的200mm全表面检测系统。我们的一些客户正在购买我们的新检测系统，以取代现有的检测系统，因为新工具提供了更好的缺陷敏感性，”检测产品管理总监Damon Tsai说上的创新．“展望未来，我们需要提高正面、背面和边缘检测的吞吐量，因为所需的检测抽样率不断上升。在特种半导体应用中，背面检测对于良率控制变得越来越重要，因此如何提高背面灵敏度也是一个关键。”

KLA, Onto和其他公司销售检测和计量设备，这在200mm晶圆厂也是至关重要的。检测设备发现芯片缺陷，而计量工具用于测量结构。

KLA副总裁兼总经理Wilbert Odisho表示:“到2020年，我们已经看到200毫米晶圆厂满负荷运行，我们预计2021年将有进一步增长。”“5G、汽车、显示面板和AR/VR推动了强劲的需求。最大的区域增长来自中国，我们预计未来两年将有超过10个新晶圆厂和扩张投产。SiC(碳化硅)和GaN也推动了200mm的产能需求。”

KLA拥有广泛的200毫米检验和计量工具组合。“我们正在为市场提供翻新的200mm KLA工具，并正在重新制造其他成熟的产品线。我们还为现有的几种工具型号增加了200mm的能力。”Odisho说。“在某些情况下，我们已经重新启动了特定的200mm产品制造，以满足不断增长的成熟市场需求。我们继续看到200mm的强劲增长，无论是新增系统，还是性能和吞吐量增强升级。我们还通过加倍我们的工程支持来应对产品可服务性的挑战，以确保通过减少过时来确保供应的连续性。”

结论
可以肯定的是，200mm晶圆厂是技术成熟的老晶圆厂，但它们将继续存在。

对于晶圆代工厂和设备供应商来说，挑战在于满足200mm的产能需求。但说起来容易做起来难。

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