200毫米短缺可能会持续多年

对芯片需求激增导致短缺更为成熟的过程节点为200毫米铸造能力和200毫米设备,丝毫没有停止的迹象。事实上,即使今年新增了产能,短缺可能持续多年,推高了价格,迫使整个半导体供应链显著变化。

短缺200毫米铸造能力和设备已经存在了一段时间,和形势仍有问题。例如,200毫米铸造能力完全预定在2022年上半年,根据Gartner。除此之外,200毫米铸造能力需求将继续超过供给,铸造客户需要提前计划,以确保他们获得足够的200毫米的能力在未来。

有两种类型的半导体晶圆厂生产芯片的公司。集成设备制造商(一)设计自己的品牌芯片和制造他们自己的晶圆厂。为其他公司铸造厂,与此同时,使芯片在他们自己的晶圆厂。IDMs和铸造厂200毫米和300毫米晶圆厂。(200毫米和300毫米硅晶圆的直径,由不同的晶片制造商。)

200毫米晶圆厂自1990年代以来已经存在。大量的芯片制造商200 mm晶圆厂操作,最后统计,超过200的今天存在。200毫米晶圆厂生产设备,成熟的工艺技术,从6µm 110 nm节点。200毫米晶圆厂生产的芯片被用于每一个电子产品,包括模拟、显示电路、微控制器(mcu),电源管理ic (PMICs)和射频。

一些,但不是全部,这些芯片也可以在更高级的300毫米晶圆厂生产。这些更大的晶圆厂过程设备从90纳米到5 nm节点。(工艺配方用于给定芯片制造工厂。一个节点是指一个特定的过程及其设计规则)。

尽管如此,IDMs和铸造厂的前所未有的在所有节点对芯片的需求。2020年Covid-19发病期间,国家采取各种措施以减轻爆发,比如全职订单。许多远程开始在家工作或上学,引发疯狂购买新的电脑和电视。然后,在2021年,汽车需求飙升,智能手机和其他产品。这一切引起了一波又一波的芯片短缺在几个市场。

芯片短缺情况已扩展到2022年的第一部分。许多人认为供需形势将返回在2022年年中相对正常,除了一些汽车芯片,全年仍将供不应求。到2022年中期,许多芯片制造商应该有足够的300毫米晶圆厂产能,以满足需求。

但200毫米是一个不同的故事。今天,有几家公司正在建设新的200 mm晶圆厂。总的来说,这个行业增加了200毫米晶圆厂产能超过每月300000片(wpm) 2021年,比2020年增长5%,根据半。没有足够的能力来满足需求。

“200毫米能力在铸造厂是2022年上半年的销售一空。我希望200毫米的紧张铸造能力会持续几年,可能到2025年,”Gartner的分析师塞缪尔·王说。IDMs的情况略好,工厂产能利用率为200毫米能力高于80%,王说。

即使铸造客户足够幸运地获得200毫米或300毫米容量在2022年,他们面临另一个问题。铸造厂商预计将提高今年200毫米和300毫米晶圆价格。

全球200毫米体积半导体晶圆厂的数量

一年	晶圆厂的数量
1995年	65年
2002年	186年
2016年	184年
2022年	216年

图1:全球200毫米体积半导体晶圆厂的数量。来源:半

秋季和200毫米的崛起
在1960年代,在早期的半导体产业,半导体公司在工厂使用基本的设备相对简单的芯片。在那些日子里,芯片制造商建立他们自己的设备。

在1960年代早期,芯片制造商处理设备小20毫米(0.75英寸)晶片在这些早期的植物。30年的时间内,他们迁移到晶片尺寸较大的晶圆厂,这样30 mm / 40毫米,50毫米,75毫米,100毫米,125毫米和150毫米。

搬到更大的晶片尺寸,供应商可以生产大约2.2 x模/晶片,使他们能够降低工厂的生产成本。

然后,在1990年代,200 mm晶圆厂出现了。当时,建立一个200毫米晶圆厂的成本是7亿美元,至13亿美元。很大一部分的成本工厂围绕着设备用于生产芯片。

多年来,200 mm晶圆厂被认为是最先进的设施。然后,从2000年代开始,许多芯片制造商从200 mm到300 mm晶圆厂。最初,建立一个300毫米晶圆厂的成本是20亿美元,至30亿美元。

在此期间,200 mm晶圆厂仍在使用。但200毫米是忘记市场直到2015年,当行业看到芯片基于需求激增更成熟的过程。突然,200 mm晶圆厂的产能利用率在铸造厂徘徊在100%。容量短缺出现。

从2016年到2021年,200毫米的能力。“200毫米晶圆代工厂已经在接近100%的能力过去三到四年,”吸引年轻的汉说,产品营销经理上的创新。“他们看到PMICs大增长,显示驱动电路,单片机。

到2021年底,大多数铸造供应商出售的200毫米铸造能力。”看着第四季度,我们预计硅片出货量和ASP趋势将保持坚挺。产能利用率在8 - 12英寸的设施将继续保持满载,”詹森·王说,联华电子的联席总裁。

尽管如此,一些铸造厂客户可以获得足够的200毫米的产能,以满足他们的需求。其他人没有这么幸运,特别是汽车公司。在2020年,当汽车销售下降,许多汽车制造商停止购买芯片。当汽车业务回升,到2021年,汽车制造商库存没有足够的芯片。

然后,汽车制造商开始订购芯片正在以疯狂的速度。但芯片制造商没有足够的工厂能力,进而导致芯片短缺在汽车和其他行业。这些芯片是200 mm晶圆厂制造的。

2022年,需求预计将强劲的汽车和非汽车芯片。“铸造厂也看到高体积小的生产需求多样化的设备随着越来越多的公司开始设计自己的设备,“Woo说。“汽车行业是一个很好的例子对于高需求在小批量生产的各种设备。特斯拉汽车公司、福特、通用、大众、和现代宣布他们将开始设计自己的半导体芯片,而且这种趋势正在推动高需求在200 mm晶圆生产。”

除了200毫米和300毫米,100毫米和150毫米晶圆厂能力也在需求。许多电力半导体在150 mm晶圆厂生产,特别是那些使用出(GaN)和碳化硅(SiC)的材料。GaN和碳化硅功率半决赛都热的市场。

200毫米晶圆厂成本
在制造业方面,与此同时,一些铸造供应商在200毫米晶圆厂,为别人制造芯片,每个公司都是不同的各种过程。GlobalFoundries,华虹、三星、SK海力士,SkyWater,中芯国际,塔,台积电、联电、先锋,X-Fab铸造供应商与200毫米晶圆厂。

总共约216 200毫米晶圆厂预计将在2022年,2016年与184年相比,根据半。综合200 mm晶圆厂能力而言,台积电是2020年以10%的市场份额,其次是意法半导体(6%)、联电(6%)、英飞凌(6%)、TI(6%),中芯国际(5%),和其他人来说,根据IC的见解。

今天,有几家公司正在建设新的200毫米200毫米晶圆厂生产线或添加到现有的设施。“看新200 mm晶圆厂,目前我们有五个新的200 mm晶圆厂开始建设在2021年和2022年,“基督教Dieseldorff说,分析师半。“这些都是计划由流氓谷微器件,OnMicro电子、英飞凌、和Aosong。”

在现有200 mm晶圆厂,与此同时,一些17 200毫米线预计将进入生产从2021年到2024年。“在2021年,包括克里族,CR微电子学、中芯国际、罗门哈斯、Innoscience, SiEn,“Dieseldorff说。

这听起来像一个许多新200毫米的能力,但这是不够的。“遗产节点需求依然强劲。没有足够的200毫米铸造能力那是中国以外的补充了一句,”Gartner的王说。“通过3的时候,整个300毫米铸造供应赶上需求,而200毫米紧张将持续许多年。”

显然,铸造客户和IDMs需要更多的200毫米的能力。有几种方法芯片制造商可以解决这个问题,包括:

• 建立新的200 mm晶圆厂。
• 增加新的生产线,现有的晶圆厂。
• 移动一些芯片产生更大的300毫米200毫米晶圆厂的植物。

建立新的200 mm晶圆厂是一个显而易见的解决方案。几家公司正在扩大他们的200毫米能力,但这是一个昂贵的命题。新的200 mm晶圆厂的成本范围从4.5亿美元的MEMS设备13亿美元半植物,根据半。“如果你想推广,我认为新的200 mm晶圆厂平均每分钟50000个字的售价高达10亿美元,其中包括建筑和设备,“半Dieseldorff说。“这取决于能力、产品类型和位置。”

即使你新建一个200毫米能力,芯片制造商将遇到另一个问题。很难找到新的200 mm设备在市场上。

还有另一个选择。一些芯片制造商正在一些较小的芯片产品更可观的300毫米200毫米晶圆厂设施。一些但不是全部产品。和客户必须愿意花更多的钱购买昂贵的300毫米晶圆。“许多客户看不到ROI理由迁移遗留芯片300毫米晶圆厂,”王说。

发现200 mm设备
在200毫米和300毫米晶圆厂,大部分成本的设备。每个工厂由一个封闭的洁净室各种设备的类型,如沉积系统、腐蚀装置,检查/计量装置和光刻扫描仪。

每个芯片类型遵循不同的流程使用这些和其他设备类型。在所有情况下,重要的是要找到合适的200 mm设备。一个错误的系统可以导致芯片缺陷。

有几种不同的实体销售200毫米工具,包括设备供应商,使用/翻新工具公司、经纪人、拍卖行和在线网站。

许多实体是有信誉的。但也有许多的恐怖故事,芯片制造商在不知情的情况下将买一个使用工具,不工作或缺失的部分。

SurplusGlobal首席执行官布鲁斯·金表示,购买新的或使用的设备应遵循一些简单的规则,以避免任何问题:1)开始寻找早期;2)与一家著名的公司工作;3)准备支付几乎新的定价为200 mm的工具来使用。

尽管如此,如果你需要200毫米齿轮,第一步是一个设备制造商联系。一些,但不是全部,设备供应商建立新的200毫米系统最新的功能。

“全新的200毫米工具的交货时间很长,”金说。“此外,价格200毫米全新工具有时类似于300毫米崭新的工具。”

一些设备供应商也会使用工具,称为核心,并更新它。有时,供应商无法翻新一个系统,因为它是过时的或无法使用。也很难找到备件过时的工具。

联系使用/翻新设备供应商是另一个选择。一些带齿轮使用200毫米和300毫米。甚至有些做出自己的设备。

一般来说,很难找到翻新200毫米系统供应商。目前,少于250 200毫米从全球市场中的所有实体核心工具,根据SurplusGlobal,二次设备的供应商。

“我们可能需要1500到3000的核心工具来满足需求,”金说。“300毫米工具实际上是更容易获得。然而,翻新是由于供应链问题更困难。有趣的是,越来越多的工具转换为300毫米200毫米系统。”

200毫米市场解决的一种方法是强调一些主要流程步骤,探索手头的设备问题。不可能列出每一个设备供应商提供200毫米的工具。强调几个供应商肯定会强调的挑战。

对于所有芯片,第一步发生在一个硅片供应商。使用各种设备,这些供应商生产未经加工的硅晶片在不同直径大小,如150毫米,200毫米和300毫米。

对200毫米晶圆的需求依然强劲。“五大晶片供应商不是追求200毫米产能扩张,所以200毫米晶片供应预计将在2022年仍然紧张,“Sungho Yoon说,在半高级研究经理。

与此同时,在晶圆生产后,他们被运往一个芯片制造商在工厂进行处理。对于许多逻辑芯片来说,第一步是晶片上沉积一层二氧化硅,其次是氮化层。可以使用其他材料,这取决于应用程序。

图2:基本芯片制造工厂的流程步骤。资料来源:维基百科

晶片被插入到一个系统被称为涂布机/开发人员。在此系统中,一个光致抗蚀剂一种光敏材料,倒到晶圆上。

晶片被发送到另一个系统称为光刻扫描仪或步进。在操作中,晶片和一个光掩模放置在一个光刻工具。光掩模是一个给定的IC设计的模板。

扫描仪/步进生成光,预计通过面具到晶片上,创建微型晶片根据给定的设计模式。

对于200 mm晶圆,芯片制造商使用365 nm(线上)或248纳米光刻系统。使用各种技术,一个线上光刻系统使决议280海里,虽然248海里约110海里,尼康。

ASML、佳能和尼康200毫米光刻系统的主要供应商。和200毫米光刻系统往往是最困难的工具在市场上找到。“增加200 mm设备需求和全球设备短缺造成比平时长设备交货期交货,”道格·谢尔顿说,营销经理在佳能。

光刻供应商出售新的或翻新的200毫米的所有工具的最新功能。200年“佳能继续产生新的mm-compatible线上和DUV步进和扫描仪,我们正在努力优化生产能力以满足市场需求,200毫米”谢尔顿说。“我们的佳能还开发了200毫米版本DUV扫描仪和线上步进分辨率、叠加,和吞吐量性能所需的300毫米200毫米基质上高性能计算应用程序。”

佳能还能再利用旧的200毫米光刻设备。”候选光刻系统适合翻新的供应是有限的,市场定价,”他说。

同时,光刻步骤后,晶片经历了各种沉积和蚀刻步骤。化学汽相淀积(化学汽相淀积)是一种常见的沉积类型用于工厂的工具。在CVD系统中,晶片插入一个室。化学物质流入室和圆片,表面上形成所需的材料。

芯片制造商使用一个蚀刻系统去除这些材料在所需的位置。反应离子刻蚀(RIE),最常见的腐蚀体系,消除材料设备在连续的基础上。

200毫米腐蚀和沉积系统的需求。“一般来说,有重大市场缺乏专用的翻新200毫米工具来满足需求的能力增长,”大卫·海恩斯说,战略营销主管林的研究。

多年来,林产生了200毫米沉积和蚀刻工具。它还开发工具的桥梁。“这意味着我们可以重新配置300毫米200毫米生产过程的工具,”海恩斯说。“鉴于300毫米的可用性核比专用的200毫米的工具,这给了我们一个很好的方法来满足我们客户的需求。它提供了他们改善过程能力和生产力与更新的300毫米的平台。”

其他沉积和蚀刻供应商看到类似的趋势。“≤200毫米工艺设备需求持续强劲的增长在过去的十年里,”Mike罗莎说,首席营销官在应用材料。[1]“有把握地说,今天我们看到的不仅仅是一个应对IC短缺,但这一趋势的延续几年前就有了。”

像许多公司一样,应用构建新的200毫米工具或改装旧系统。“对于许多主机和室技术在我们的产品组合,我们已经构建全新的或部分新的200毫米系统一段时间了,”罗莎说。“在200毫米系统应对日益增长的需求,应用已经采取措施大幅扩大其在美国的生产能力,以及在我们预计的强劲需求的地区继续。需求继续增加,200毫米系统可用性仍然是具有挑战性的,我们也在积极处理客户想评估移植过程更加自动化,高300毫米生产规模。”

在流程流,与此同时,芯片是缺陷的检查。为此,芯片制造商使用晶片检查系统发现的缺陷。他们也使用不同的计量设备来测量结构。

检查供应商/计量装置所看到的巨大需求为200毫米的工具。“200 mm晶圆厂已经收到坚实的客户订单和满负荷运行,“说Wilbert Odisho,副总裁和总经理心理契约。“客户要求加快船日期设备需要支持这个。”

领先的芯片在300 mm晶圆厂,设备小的特征尺寸。缺陷也是如此。芯片制造商需要先进的检验/计量系统发现这些微小的缺陷。

相比之下,200 mm晶圆厂生产的芯片的特征尺寸大得多。更大的缺陷,使他们更容易找到。无论大小,关键是发现缺陷,特别是芯片为汽车应用。汽车厂商希望芯片没有缺陷。

年前,芯片制造商可以通过使用旧的200毫米/计量工具检查。许多应用程序不再是这样。鉴于今天的缺陷要求在汽车和其他应用,许多芯片制造商希望更有能力200毫米/计量装置检查。

“除了翻新和二手设备的换发新证,解放军已经推出很多产品支持日益增长的需求,“Odisho说。“我们是满足这一需求,重新启动200毫米成熟设备在我们的生产线,使新一代系统200毫米兼容,并提供增强提高吞吐量和性能系统已经在使用。”

其他200 mm设备市场也有严格的要求。以晶片清洗为例。在流程流,晶片需要使用晶片清洁工具清洁步骤。

“汽车,所以精确的时质量要求和可重复性的要求,“伊恩·布朗说,负责工程的副总裁屏幕半导体解决方案。几年前,屏幕重新开发的工具为200毫米,包括单晶片湿长椅。

结论
显然,200毫米是一个充满活力的市场。在200毫米铸造方面,重要的是要跟踪的能力情况。同样重要的是知道是谁使200毫米晶圆厂设备。

但动力总是在不断变化,在一个复杂的景观增加了挑战。

[1]Mike罗莎已经离开应用材料。

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