200mm设备争夺战

200mm需求的爆炸式增长引发了对旧半导体制造设备的疯狂搜索，这些设备可用于较老的工艺节点。问题是没有足够的旧设备可用，并不是所有新建或扩建的200mm晶圆厂都能支付翻新或新设备的溢价。

这听起来像是一个简单的供求问题，但在趋势线的背后是不可预测和分散的市场，以及一些高度微妙和相互冲突的商业模式。总体需求仍然强劲，特别是来自制造MEMS、模拟和物联网芯片的晶圆厂。事实上，中国有8个新的200毫米晶圆厂正在建设中。但在这些晶圆厂所服务的市场，利润率非常低，很难证明支付当前设备价格是合理的，新来者可能很难进入。

图1:200mm晶圆厂的趋势线开始再次攀升，因为新的市场和封装方法增加了新的机会。来源:半

这引发了人们在eBay等网站上抢购二手设备的热潮。但随着需求的增长，价格继续上涨，目前可用的大部分设备都处于不良状态。此外，据业内消息人士称，大型铸造厂正在收购任何可用的设备，有时会让设备闲置，直到决定如何处理。

这使得200mm晶圆厂面临的选择越来越少。其中包括:

•为新设备或旧设备支付溢价，或者对制造的200mm晶圆收取更高的费用，这在许多情况下没有竞争力，或者延长摊销期，这是有风险的;
•在拍卖网站上购买二手设备，并希望它能被修复;
•在先进芯片制造商出售晶圆厂时收购整个晶圆厂;
•在现有设备中添加新技术，以提高设备的容量和能力，这基本上是渐进式改进，而不是购买全新的机器。

无论采取哪种方法，新来者要打入这个市场都不容易，特别是在老牌晶圆代工厂重新考虑是否将其200mm晶圆厂设备升级到300mm的情况下。其结果可能是在价格上的竞争更加激烈，这对新的代工厂来说是不可持续的。

谁赢谁输
当我们着眼于这一市场时，我们便能够清楚地看到，竞争正变得越来越激烈。直到几年前，这部分市场还不为人知，因为巨大的利润都集中在最新的工艺节点上。但随着芯片制造商之间的整合，以及芯片行业整体增长放缓摩尔定律但现在情况已经不同了。

这对设备供应商来说不一定是坏消息，随着对旧节点生产的芯片的需求增长，它们现在处于金字塔的顶端。

“在这一点上，看起来200mm市场将继续保持强劲，直到2030年，甚至更远，”埃文·巴顿说，Reliant产品集团总经理林的研究．“我们看到对较老节点(28nm或以上)设备的需求正在增加，主要是200mm和300mm。”

完全折旧200毫米设备和产能的铸造厂已经看到他们的200毫米业务收入增加。事实上，业务在较老的节点上是如此出色，以至于许多人开始重新考虑将他们的投资放在哪里。

“对于大多数应用程序来说，除非你必须拥有最高水平的性能，否则可能没有令人信服的商业案例来关注前沿节点，”华润科技的商业管理副总裁Walter Ng说联华电子．“在企业利润率面临如此大压力的情况下，选择一个工艺技术节点而不是另一个，可能会以这样或那样的方式影响商品成本——不仅是硅成本，还会影响产量、上市时间和可预测性/风险。在晶圆代工厂内，还将继续进行大量的开发工作，以扩大对那些已建立的节点的支持，以更多的终端应用。例如，在流程方面，在电源/BCD领域，新的应用程序继续推动新的设备需求和改进的RDS性能。在设计方面，一些应用程序可能需要具有较小轨道高度的新标准单元库以更具竞争力。因此，对于晶圆代工厂来说，继续对已建立的节点进行再投资是很常见的，这通常是客户和晶圆代工厂的双赢。”

这一点似乎得到了广泛的认同。“在可预见的未来，大多数市场将继续保持在300mm以下，”日本半导体公司现场解决方案副总裁Fumihiko Kaminaga表示电话．“旧设备未来仍有足够的能力来跟上预期的节点变化和新兴产品。”

对于二手设备供应商来说，未来的发展方向并不明显。对翻新设备的需求正在增长，但却没有足够的设备可供销售。最重要的是，并不是所有使用过的设备都可以或应该翻新。

该公司协同技术平台副总裁汤姆•萨蒙表示:“在某些类型的设备上，这种方法效果很好半．“所以对于湿板凳来说，是的。对于光刻来说，没有。设备的可用性是一个很大的问题，二级设备市场的容量已经被开发出来。在他们现有的成本结构内，没有设备可以做到这一点。”

图2:按产品类型划分的中国预计200mm晶圆厂产能。来源:SEMI全球200mm Fab展望，2017。

驱动需求的因素是什么
仅仅因为这些是较老的节点，并不意味着相同的设备可以在这些节点上跨各种应用程序工作。智能手机可能很容易理解，但这些手机组件对200mm设备的要求正在发生重大变化。

“新的指纹传感器现在正在转向压电材料，”该公司战略和技术营销总经理迈克·罗莎(Mike Rosa)说应用材料200mm设备组。“这促使我们提出了新的腔室技术来沉积新材料。然后你需要为每一部新手机乘以3到6个这样的设备，因为你需要一个空间焦点，新的光学薄膜，以及硅晶圆上III-V材料与光学涂层的集成。”

即使在相同的设备中，规格也在收紧，以便从同一设备中挤出更多的性能。

Rosa说:“如果你看看MEMS麦克风，它们也正在从电容式转向压电式。”“之前的锥筒规格是侧壁倾斜正负0.5度。实际上，晶圆片中心的侧壁是直的，而向晶圆片边缘倾斜的角度超出了规格。但新的规格已经从0.5度移动到0.3度，因此晶圆片上的最佳位置已经缩小了。解决这个问题的唯一方法就是把晶圆放在一个更大的容器里。”

应用材料公司的方法是为200mm设备销售不同尺寸的腔室，这有效地改变了旧设备的性能。它还改变了设备供应商进入这个市场的经济方式，为现有设备增加组件升级，而不是销售新设备。通常，他们还提供服务组件来监控和维护设备。

这是一种方法。另一种方法是为旧节点建造新设备。KT Pro部门副总裁兼总经理Wilbert Odisho表示:“对老节点测量和检测设备的需求仍然强劲，主要来自制造40nm设计节点和更大尺寸设备的公司，通常是在200mm晶圆上。KLA-Tencor．“其中许多设施都在中国，为物联网和汽车领域服务。与此同时，核心工具的可用性继续减少。我们已经通过重新制造遗留工具来应对这种情况，这些工具可以满足客户对裸晶圆检测、边缘检测、宽带和激光散射的晶圆检测、薄膜测量和覆盖测量的需求。”

但piezo-based微机电系统麦克风和扬声器是新的市场。汽车、物联网、工业物联网和医疗电子产品的许多传感器也是如此，5G也是如此。虽然这些被认为是潜在的巨大市场机会，但它们太新了，以至于商业周期在很大程度上只是猜测。因此，晶圆厂需要在设备上投入多少资金，才能在规定的时间内获得合理的投资回报，目前尚不清楚。

罗莎说:“如果你看看5G，基站将需要高功率，因为5G使用高频信号，因为它很容易被吸收，所以不能抛出那么远，所以你需要提高功率。”“这意味着新的放大器、新天线和一大堆中继器。这些都是在200毫米或更低的地方完成的。”

事实上，使用200mm工艺制造的芯片几乎适用于所有市场。TEL公司的Kaminaga说:“支持200毫米及以下胶片的令人兴奋之处在于市场和产品的多样性。”“当你必须支持汽车、物联网、传感器、滤波器、光子学、光学、离散电路、模拟时，需求可能来自任何地方。我们怀疑是很多中国内部市场，以及一些物联网设备，甚至汽车和工业设备。电子产品在我们日常生活中的广泛使用将继续推动对200毫米及以下设备制造的产品的需求。随着企业为半导体设备创造新的市场和应用，旧技术正在获得新生。”

包装和材料的变化
先进的包装和不同的材料应该有助于推动200毫米设备的需求。

在封装方面，包中系统和扇出带来了混合在不同流程节点上开发的IP的能力。这对于电源和serde等模拟IP来说是理想的，因为模拟电路不像数字逻辑那样从缩放中受益。

KLA的Odisho说:“高级封装不遵循经典的节点演化，并且其过程远没有FEOL那么标准化。”“先进包装技术的变革仍在加速，新材料正在被使用。流程流在不断发展，而流程窗口在不断减少。与此同时，包装设计在很大程度上与节点无关。因此，包装代表了增加性能或控制成本的单独维度。先进的包装更多的是设备类型的功能，而不是设备的关键尺寸。”

因此，随着先进封装越来越受欢迎，对200mm设备的需求也随之上升。

Lam的Patton表示:“先进的封装无疑提高了28nm及以上工艺的能力。”“我们预计它的增长将进一步增加对我们旧节点系统的需求。”

KLA还从其前端部门(包括较老的节点系统)借用了技术和平台，并将它们用于先进的包装过程控制。奥迪索说:“我们必须牢记几个因素。“衬底厚度、衬底翘曲、临时载体类型和目标关键尺寸是将前端晶圆设备移动到高级封装时需要考虑的因素。在许多情况下，高级封装中必须使用专门的晶圆处理和卡盘系统，以及一些后端特定的软件和算法功能。”

除了先进的包装——有时是同一包装，有时不是——还有各种不同的材料和衬底，这些材料和衬底都是在200mm上开发的。

应用材料公司的Rosa说:“用于大功率开关和感应功率水平的碳化硅已经有所增加。“有用于电源管理的BiCMOS。压电材料被用于ADAS(高级驾驶辅助系统)的超声波探测器。有很多关于雷达SiGe的预测，但这是与无处不在的无线局域网相同的技术，SiGe BiCMOS，所以可能不会显示出巨大的增长。但是激光雷达将会变得很大。汽车公司希望将激光雷达的价格压低到30美元以下，使用几种技术中的一种，如带振荡镜的激光或相控阵激光雷达。我们还看到GaN应用于大功率交换机。”

碳化硅也有自己的问题，因为与硅不同，这种材料是半透明的。这使得旧设备很难检测到晶圆的边缘。

“你必须升级激光才能处理晶圆，”罗莎说。“沉积基本上是一样的，但对于蚀刻，你还需要新的离子沉积工艺。GaN需要不同的工艺，目前在200mm处还没有MOCVD(金属有机化学气相沉积)。”

设备供应商业务模式转变
设备供应商应该如何进入这个市场还不完全清楚，事实上有多种方法在发挥作用。

Lam的Patton说:“虽然我们最新的系统肯定比我们的旧系统更先进，但我们会继续在有意义的时候将新功能适应旧系统。”“我们还将继续保持为旧节点制造新系统的能力，以及为成本敏感的应用程序提供翻新组件的系统。我们也有能力提供全面翻新的系统，我们继续在旧的解决方案上投入大量资金，在某些情况下，我们将新设备的技术重新利用，比如我们的2300控制系统，用于我们的旧设备。”

KLA也是如此。Odisho说:“新设备采用了最新的操作系统和硬件，这是实现最高吞吐量、计算密集型算法和领先性能所必需的。”对于老机型，KLA-Tencor的KT Pro部门投资了一个工程团队，该团队的职责是积极生成解决方案，在旧系统上实现新技术。新的操作系统、固态激光器和更新的计算机平台，采用更新的芯片组和算法，可以加快吞吐量，提高性能，并延长旧系统的寿命。”

然而，为了与KLA-Tencor的前端战略保持一致，通过翻新、再制造和升级来延长检测和计量设备的生命周期，先进的包装集团还设计了具有长寿命的产品。Odisho说:“先进的包装检测和计量系统旨在可扩展性和可升级性，在快速创新的环境中为客户提供最佳的投资回报率。”

结论
几乎所有人都同意，在未来几年里，老节点将在许多设备中发挥更大的作用。

UMC的Ng说:“原因有很多——整体经济(设计成本到硅成本)，经过验证的设计支持和上市时间，以及制造和产量的可预测性。”“从设计和制造的角度来看，最领先的节点成本显著增加，产量提高所需要的成本也在增加，这迫使客户更加仔细地考虑哪种节点适合他们的最终应用。对于大多数应用程序来说，除非你必须拥有最高水平的性能，否则关注前沿节点可能没有那么有吸引力的商业案例。”

然而，对于设备供应商来说，弄清楚哪些需要翻新和升级，哪些需要保留，是一个相当模糊的决定。Kaminaga说:“在支持老式设备平台方面存在挑战。“TEL为几代设备提供服务并提供经过认证的翻新工具，但升级最老的型号有局限性。任何新的硬件改进开发都涉及工厂的资源和时间。我们面临的挑战是在平台上进行相关修改，为客户带来最大的价值，并满足市场需求。”

在新设备方面还不太清楚。他表示:“对200毫米及以下设备的需求仍然非常强劲，缺乏可行的核心已经对IDM的购买偏好产生了影响。”“但新工具生产的复苏伴随着对价格让步的强烈要求。

谁会在这个市场中胜出，什么样的策略会胜出，到目前为止还不清楚。可以确定的是，在未来的几年里，200mm将是一个激烈竞争的竞技场，这与大多数专家预测的300mm装备的引入是一个根本性的变化。

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