领先的产能需求正在造成关键制造设备的供应短缺。
对各种芯片的需求激增导致了300mm半导体设备、掩模工具、晶圆和其他产品的选择短缺和交货时间延长。
在过去的几年里，200mm设备在市场上一直供不应求，但现在整个300mm供应链也出现了问题。传统上，300mm设备的交货期为3至6个月，而精选系统的交货期则更长。然而，今天可能需要一年或更长时间才能获得极端的紫外线(EUV)光刻扫描仪。沉积，蚀刻和其他系统也有很长的前置时间。
晶圆设备包含大量的组件和子系统，在某些情况下，这些产品的供应商很难获得足够的部件。更糟糕的是，由于与covid相关的旅行限制，设备供应商在晶圆厂安装设备的时间出现了延误。
300mm设备的长交货时间影响的不仅仅是某一特定设备。晶圆厂需要一定数量的不同类型的设备来加工芯片。如果没有必要的设备，他们可能会错过向客户交付IC的时间表。许多芯片制造商提前做了计划，购买了足够多的工具，正在按计划出货。其他人则落后于潮流。
设备短缺并不是什么新鲜事。在过去六年中，对模拟、射频和相关芯片的需求不断增长，导致旧的200mm晶圆厂产能和设备出现短缺。在同一时期，300mm设备市场强劲，尽管需求情况遵循传统模式。现在，300mm晶圆厂产能紧张，刀具交货时间延长。
当前的繁荣周期让许多人措手不及。2020年初，受新冠肺炎疫情影响，芯片需求下降。但到2020年年中，随着居家经济推动了对电脑和电视的需求，集成电路市场大幅反弹。这反过来又刺激了芯片需求，突然之间，许多晶圆厂工具供应商看到订单激增。
这种势头延续到了2021年上半年。汽车和智能手机领域的芯片需求正在上升。事实上，汽车制造商无法获得足够的芯片来满足需求。由于这一需求，英特尔、三星、台积电、联华电子和其他公司正在扩大其晶圆厂产能，推动了对更多晶圆厂设备(WFE)的需求。根据Evercore ISI的数据，2021年WFE市场总额预计将达到750亿美元至800亿美元，而2020年将达到610亿美元。
Evercore ISI高级董事总经理CJ Muse表示:“如果回顾我们最近对设备的更新，我们将其称为半设备的黄金时代。”“内存显然正在复苏，但过去两到三年里，WFE的重大提升是由代工/逻辑主导的，而且是在领先和落后的前沿领域。我们还看到几乎每个垂直行业的硅和WFE强度都在上升，再加上与新冠疫情相关的数字化。这是所有这些因素的共同作用，地缘政治也在其中发挥了作用。我们看到了美国和欧洲对本地化生产的渴望，所有这些都推动了WFE水平的提高，这比人们在12到24个月前认为的要高。”
为了帮助业界在这里获得一些见解，半导体工程一直在研究整个300mm供应链的问题，包括掩模、晶圆、光刻、沉积/蚀刻和工艺控制。
面具/晶片问题
如今，许多芯片制造商在全球拥有并运营着大量的200mm和300mm晶圆厂。200mm晶圆厂用于制造基于350nm至90nm成熟工艺的芯片。
目前最先进的晶圆厂是300mm工厂，用于加工最先进的7nm和5nm芯片。这些晶圆厂也在65纳米到28纳米的成熟节点上制造器件。
200mm产能紧张，300mm也是如此。“在过去18个月里，我们发现300mm的产能变得非常紧张。联华电子．“我们看到一些关键的行业趋势推动了大量的需求。向5G的过渡是随着基础设施建设相关需求而开始的，今天推出了支持5G的智能手机。其次，由于混合动力和电动汽车的快速增长和采用，有需求。大流行推动了额外的需求，特别是由于PC、Chromebook和平板电脑应用程序的在家上学和在家工作需求。”
对汽车和其他芯片的需求加剧了晶圆厂的产能状况。X-Fab销售和企业营销副总裁Thomas Hartung说:“从2020年第四季度开始，我们看到所有细分市场的需求从2020年早些时候新冠肺炎导致的放缓中迅速复苏。”“这一趋势将持续到2021年。这来自我们服务的所有细分市场，但主要是汽车和移动通信领域。因此，由于客户的需求超过了产能，我们所有生产基地的利用率正在迅速增加，并已达到分配水平。”
所有这些都影响了IC供应链，尤其是300mm芯片。芯片制造是一个复杂的过程，它从两个关键部件开始——掩模和硅片。两者都是在不同的生态系统中分别生产的。如今，这两个领域都存在供应链瓶颈。
在基本的光掩模流程中，IC供应商使用各种EDA软件工具设计芯片。然后，芯片设计被翻译成文件格式，该文件格式被运送到掩模供应商。在掩模设备中，该文件使用各种设备转换为掩模。掩模是集成电路设计的主模板。该掩模尺寸为6 × 6英寸，由给定IC设计的图案组成。
掩模供应商生产两种类型的掩模-光学和EUV。面向光学的掩模在工业中使用多年，由玻璃基板上的不透明铬层组成。
EUV掩模是不同的，它与EUV光刻扫描仪一起使用，后者可以在7纳米及以下对微小特征进行图案处理。EUV掩模由衬底上40至50层硅和钼交替薄层组成。
制作EUV掩模很复杂。它需要各种各样昂贵的设备。拥有自己掩模业务的领先芯片制造商生产EUV掩模。其中包括英特尔、三星和台积电。
图1:EUV掩模制作步骤。来源:Sematech
EUV掩模工艺流程从掩模坯料或基板开始。然后，使用一种称为多波束掩模写入器的系统对空白进行模式化。“EUV需要多波束掩模编写器有两个原因，”日本光电子科技公司首席执行官Aki Fujimura表示d2．“一个是模式复杂性。然后，在多波束机器上，写入时间与形状计数无关。”
英特尔的IMS纳米制造部门销售多波束掩模写入器，而NuFlare正在开发一种。据设备行业消息人士称，IMS的工具需求强劲，因为交货时间为12至18个月。IMS首席执行官Elmar Platzgummer表示:“掩模设备市场，包括掩模书写市场正在疯狂发展，工具需求几乎翻了一番。”
同时，在生产过程中，使用各种检测设备对EUV掩模进行缺陷检查。Lasertec公司开发了一种光化图案掩模检测系统，该系统使用与EUV扫描仪相同的13.5nm波长。光化检测用于发现EUV掩模中最具问题的缺陷。
Lasertec光化系统的交付时间为12到18个月。相比之下，Lasertec光学检测系统的交货时间为3到6个月。Lasertec拒绝置评。
除了掩模，硅片也是制造芯片的关键部件。在供应链的一个单独部分，硅晶圆供应商生产各种尺寸的裸晶圆，如200mm、300mm等。
信越、Sumco、GlobalWafers、Siltronic、SK Siltron、Soitec和其他公司制造和销售晶圆。(GlobalWafers正在收购Siltronic。)
目前，用于逻辑芯片的外延晶圆需求强劲。与此同时，用于内存的抛光晶圆目前仍然大量存在。" 300mm外延晶圆供应非常紧张，正走向供不应求的局面，"晶圆分析师Clark Tseng表示半．“抛光晶圆片目前还不短缺。然而，随着对内存(DRAM和NAND)的需求在未来几个季度开始增加，供需平衡将向短缺倾斜。”
EUV缺口
一旦硅晶圆生产出来，它们就会被运送到芯片制造商那里，然后在晶圆厂将这些晶圆加工成芯片。掩模制造商还将成品掩模运送到晶圆厂。
在晶圆厂制造芯片是很复杂的。例如，为了制造一个先进的逻辑器件，晶圆在工厂中使用各种设备经历600到1000个工艺步骤，甚至更多。新建300mm晶圆厂的起价为100亿美元或更多，其中很大一部分成本是设备成本。
根据加州大学伯克利分校的说法，在一个每月生产5万片晶圆的理论晶圆厂，工厂可能需要以下设备:
还需要其他设备。每种芯片类型遵循不同的工艺流程。一般来说，要制造芯片，第一步是在硅片上沉积一层二氧化硅，然后是氮化物层。
图2:晶圆制造工艺流程流程图来源:TU Wien/Institute for Microelectronics
然后，晶圆被插入一个称为涂布/显影的系统中。在这个系统中，光刻胶，一种光敏材料，被倾倒在晶圆上。晶圆被高速旋转，导致电阻覆盖晶圆。
接下来是曝光步骤。晶圆和掩模放在光刻扫描仪中。然后扫描仪将光通过掩模投射到晶圆上，根据给定的设计在晶圆上创建图案。
多年来，芯片制造商一直在使用optical-based光刻在芯片上设计特征的系统。当今最先进的光学扫描仪使用193nm波长在芯片上绘制最小特征的图案。
使用多个模式在美国，芯片制造商将193nm浸没式光刻工艺提升至7nm。但在今天的5nm工艺节点上，使用这些技术太复杂了。这就是EUV适用的地方。EUV简化了工艺，使芯片制造商能够在7nm及以上的工艺上对最困难的特征进行刻印。
三星和台积电在2018年分别在7nm节点插入了EUV光刻技术。现在，两家供应商都在使用5nm的EUV工艺处理芯片。英特尔计划在7纳米处插入EUV。三星、SK海力士等公司也在DRAM生产中使用EUV。
芯片制造商正在使用ASML最新的EUV扫描仪NXE:3400C进行生产。该系统采用0.33数值孔径透镜，分辨率为13nm，每小时(wph)生产135至145片晶圆。今年晚些时候，ASML计划推出NXE的升级版:3400C。该系统称为NXE:3600D，吞吐量为160小时/小时。
ASML计划在2021年交付40套EUV系统，并在2022年交付55套。阿斯麦总裁兼首席执行官Peter Wennink表示:“我们看到所有细分市场和我们的产品组合的需求都在显著增长。
但EUV扫描仪供不应求。Evercore ISI的缪斯表示:“我想说的是，他们对EUV的需求一直持续到2023年。”“到2022年，有70多种EUV工具的需求。阿斯麦告诉我们，他们将努力获得55辆的产能，所以这是一个问题。”
EUV系统非常复杂，由来自不同供应商的数千个不同组件组成。该镜头由蔡司开发，可能是EUV工具中最复杂的子系统。缪斯说:“门饰是来自卡尔蔡司(Carl Zeiss)的光学镜片。”“那里的交货时间很长。而制造制造镜片的机器所需的时间甚至更长。”
因此，获得EUV扫描仪的前置时间很长。缪斯说:“EUV需要12到15个月。“浸入式学习需要6到9个月。非浸入式DUV或i-line可能需要6个月。至于沉浸式体验，如果你今天来，你要到2022年上半年才能拿到工具。”
沉积/蚀刻需求
同时，在曝光步骤之后，晶圆还要经历各种蚀刻和沉积步骤。沉积法将材料沉积在晶圆上，而蚀刻法则将其去除。
对沉积、蚀刻和其他晶圆厂设备的需求强劲。该公司总裁兼首席执行官Tim Archer表示:“推动WFE强劲增长的因素有几个林的研究在最近的一次电话会议上。“首先，人工智能、5G和物联网等长期利好因素继续加强。其次，制造先进半导体器件的复杂性继续快速增加，导致所有领域的设备产能都在上升。”
总的来说,电话预计2021年WFE将增长30%。“尽管逻辑/代工方面的投资很大，但2021年WFE增长的主要驱动力是DRAM。尽管一些芯片制造商将EUV引入DRAM制造，但层数可能有限。因此，蚀刻和沉积将随着DRAM的WFE而增长，”TEL美国副总裁兼副总经理Ben Rathsack说。
“另一方面，逻辑/代工厂商在前沿节点上采用了更多的EUV。在非常领先的技术领域，蚀刻和沉积可能不会像逻辑/代工的WFE那样增长得那么快，”Rathsack说。“然而，更成熟的节点也有强劲的需求，这些节点根本不需要EUV。因此，在逻辑/铸造领域，蚀刻和沉积需求将保持强劲。就NAND而言，其投资总额的增长速度不如其他应用程序。然而，蚀刻和沉积投资正在快速增长，因为结垢3 d与非是由堆叠而不是小型化驱动的。总之，在存储器领域对蚀刻和沉积的需求正在增长，在逻辑/铸造领域保持强劲。”
尽管如此，沉积和蚀刻工具的交货时间普遍在增加。“蚀刻和沉积的标准化前置时间将是3到6个月。我认为我们现在可能处于六个多月的区间，”Evercore ISI的Muse说。“如果你想要与采购订单相关的有意义的产能，你要到2022年第一季度才能得到设备。这些评论更广泛，而不是针对特定的系统。”
也不是所有的蚀刻和沉积系统都是一样的。在许多应用程序中，芯片制造商使用化学气相沉积在芯片上沉积材料的系统。某些步骤需要一个称为原子层沉积工具，一次沉积一层材料。
也有不同类型的蚀刻工具。主流的蚀刻工具类型被称为反应离子蚀刻(RIE)系统。该系统在连续的基础上移除材料。芯片制造商也使用原子层蚀刻系统，它在原子水平上选择性地去除材料。
蚀刻供应商正在扩大他们的投资组合。最近，TEL推出了下一代蚀刻平台。该系统被称为插曲UL，可以容纳4到12个室。腔室的数量和结构取决于工艺。
室被安排在两个水平相对的行，而不是一个集群设计。这为洁净室和公用区域减少了每个室的占地面积。
“从接到订单到运输工具，我们的蚀刻和沉积制造周期约为三个月。实际装配时间要短得多，”TEL的拉萨克说。
为了满足对其沉积，蚀刻和其他产品的需求，TEL正在增加位于Tohoku和Yamanashi的两个新制造工厂的产量。“我们在2020年增加了两个晶圆厂。他们已经开始为我们的制造业做出贡献。有了这两家新工厂，我们在东北的产能将增加两倍，在山梨的产能将增加1.5倍。我们在东北生产批量沉积，在山梨县生产单片沉积、化学干蚀刻、晶圆探针和FPD干蚀刻机。”
与此同时，Lam Research最近为Sense推出了一款新的房间。我蚀刻平台。该腔室被称为Vantex，可以使用比以前更高的RF功率水平，以高吞吐量蚀刻高纵横比特征。
林超贤也在扩张。去年，该公司宣布计划在马来西亚槟榔屿建立一个新的生产工厂。
过程控制问题
在fab工艺流程中，检验和计量也是至关重要的。检查系统被设计用来定位芯片中的微小缺陷。计量工具用于测量结构。芯片制造商使用许多不同的计量工具，如cd - sem、光学和x射线系统。
检验和计量工具的需求量都很大。例如，KLA的工具交付周期通常为6个月左右，但随着需求的增长，这些数字正在发生变化。“他们在今年下半年增加产能以满足需求。他们试图以6个月为周期管理他们的业务，而现在他们的交货时间是7到8个月。”
心理契约工具需求急剧增加。KLA首席执行官Rick Wallace在最近的一次电话会议上表示:“我们的客户正在增加战略资本支出投资，以应对这些增长市场，同时继续投资于前沿研发工作。”
上的创新一家计量和检测系统供应商，也看到了类似的趋势，并表示正在跟上需求。Onto高级总监Mike Sheaffer表示:“我们根据预测进行建设，以保持交货时间的一致性。“这意味着我们为供应商的长交货期部件做出预测，以便我们能够满足不断增长的需求。我们不会等待客户的采购订单才开始为他们的坡道建造系统。随着我们成为客户更大、更具有战略意义的供应商，我们能够与最大的客户建立批量采购协议/预测，使我们能够在他们所需的安装日期开始构建系统。”
其他人也看到了类似的趋势。"总体而言，受汽车和其他市场普遍产能短缺的驱动，我们看到所有行业的需求都在增加，"该公司x射线业务部门副总裁兼总经理Paul Ryan表示力量该公司是计量系统供应商。“交货时间比正常情况略长，但我们正在通过提高生产能力和提前采购长交货时间的产品来缓解这一问题。”
结论
没有迹象表明，200毫米和300毫米晶圆厂对芯片的需求正在放缓。也就是说，形势可能在一夜之间发生变化。
与此同时，芯片制造商需要提前计划。他们的客户也是如此。他们都不能失去任何生意。
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