200毫米晶圆芯片需求旺盛 模拟器件、MEMS和射频芯片领域大有可为

200毫米晶圆芯片制造产能需求旺盛，在模拟器件、MEMS和射频芯片领域大有可为，但设备短缺限制产能增加

  观点来源：半导体工程网制造部执行主编MARK LAPEDUS

  模拟器件、微机电系统(MEMS)和射频芯片需求量的持续增加带来对直径是200毫米晶圆的芯片制造厂产能和设备需求的大增，且没有停止的迹象。

  成本考虑

  200毫米晶圆制造包含大量在老旧200毫米晶圆厂成熟节点上制造的器件，这些产品包括消费类器件、通信集成电路和传感器，不包括在300毫米晶圆厂中制造的先进芯片。

  并不是所有的芯片都需要先进节点的生产工艺。模拟、射频等器件都是在200毫米和更小尺寸晶圆上制造。对于很多这样的器件，200毫米晶圆是最有效的成本点。格罗方德公司射频业务单元高级副总裁Bami Bastani说：“大量产品并不需要先进节点工艺。”例如，智能手机包含先进芯片，但是这只占据了器件的一小部分。Bastani说，“其他部分是PMIC、模拟和BCD级技术。直到他们停产，用户都没有打算改变他们。”

  需求旺盛

  典型的200毫米晶圆在开始时每个月生产4万片晶圆，可以生产从6微米到65纳米的多种节点的晶圆。UMC的Ng说：“有大量在180nm/130nm/110nm的活动，依赖特定的应用。射频，尤其是RF SOI，正在驱动大量的需求增长，功耗也是考虑因素。”

  应用材料公司的200毫米设备产品组策略和技术市场主任Mike Rosa说：“我们看到了一个广阔的应用空间，有电动车和ADAS、不断增加新功能的智能手机。”根据Rosa表示，在这些器件的需求中，200毫米晶圆的使用率从“高端的80%到中低端的90%”到今天一些报道的100%。

  Semico的Itow表示，在2017年，200毫米晶圆需求增长了9.2%。Itow表示：“模拟器件、分立器件、微控制器、光电器件和传感器都给200毫米晶圆能力的增长贡献了力量。”在2018，市场有所冷却。“2018年对200毫米晶圆的需求将返回到历史标准的4.2%。”现在冷静期的一个原因是，代工厂能力收紧，制造商无法拓展。而且，器件制造商希望扩展，但缺乏设备。

图 | 根据产品分类的2018年200mm晶圆需求(来源Semico Research)

  产能变迁

  首个200毫米晶圆制造厂出现在1990年，晶圆尺寸在数年中都是标准。随着时间推移，芯片制造商开始在2000年后迁移至更先进的300毫米晶圆制造能力，200毫米晶圆制造能力的建设力度减小。到2007年，200毫米晶圆制造厂数量达到其顶峰。

  2015年末，产业开始看到对于200毫米晶圆制造厂出乎意料的需求。IC供应链的大举发展，导致在2016、2017年200毫米晶圆制造能力仍处于短缺。进入2018年后，200毫米能力仍然紧张，并尚未看到结束。200毫米晶圆制造厂预期将至少在2030年前保持生命力。

  根据SEMI的分析师Christian Gregor Dieseldorff表示，处于开工状态的200毫米晶圆制造厂的数量预计将从2016年188个增长到2021年的202个。包括IDM和代工厂在内的200毫米晶圆制造能力的数据如下：

  产能吃紧

  当下200毫米制造产能紧张，预计在2018年下半年保持紧张态势，且这种紧张可能到2019年会有所缓解。事实上，2018年可能是200毫米晶圆制造产能持续紧张的第三年。200毫米晶圆制造设备需求已稳健地持续有一段时间了，尽管一些人看到在2018年下半年随着一些芯片制造商衡量其200毫米制造厂计划，以及地缘政治的影响，对200毫米晶圆制造设备的需求已有所下降。Semico研究的制造部管理总监Joanne Itow说：“200毫米能力持续紧张。有意思的是对于200毫米二手设备的需求有些下降。”

  积极应对

  对于200毫米晶圆制造的需求使产业惊奇，并且驱动制造厂和制造设备供应商更严肃地对待技术。例如，制造厂增加带有新的和改进工艺的200毫米制造能力。几个制造设备供应商也开始生产新的200毫米设备。

  IDM和无晶圆设计商希望使用200毫米晶圆制造厂制造芯片的需求能得到满足，但不确定是否能满足所有需求，因为全球200毫米晶圆产能预计在现在和未来仍然保持紧张。

  作为回应，格罗方德、三星、中芯国际、TowerJazz、中国台湾地区的台积电(TSMC)和联华电子(UMC)和其他代工厂都在增加或寻找200毫米晶圆制造能力。与此同时，美国SkyWater技术公司作为一个新的制造能力供应商也已经进入200毫米晶圆制造的竞争中。与此同时，一些芯片制造商正在重新考虑其建造新200毫米制造厂的计划，取而代之的是，他们可能制造300毫米建造厂。

  UMC商业管理副总裁Walter Ng说：“我们看到对200毫米晶圆制造能力保持超量订购。充满挑战的是找到更多的产能。这在过去是一个周期循环的事情，然而随着200毫米晶圆产能被完全分配，它现在变成一个新的规范。我们和产业中的人相信一些事情正在以这种方式持续推进。这并不是UMC独有的情况，是产业界普遍存在的情况。”

  中国是新增200毫米制造能力的主力

  新建的200毫米晶圆厂中中国占了大多数。SEMI的分析师Christian Gregor Dieseldorff表示：“我们现在跟踪中国4个正在建设的200毫米晶圆厂，这些是用于代工，及功率器件和MEMS器件的制造。还将有两个(MEMS和功率集成电路)制造厂要建设。我们预计这些厂的建设将在今年年底或明年年底开始建设。”

  300毫米晶圆制造也在扩张

  集成电路市场划分为几个部分。在先进节点上，芯片制造商增建16/14纳米及以上节点和300毫米晶圆制造厂。Semico研究的分析师Adrienne Downey说：“除了新增的逻辑器件能力，300毫米晶圆制造能力主要增加在韩国和中国，用于存储器的制造。”

  增加200毫米制造产能建议

  这对代工厂而言意味着几个挑战。首先，生产商必须持续投资和升级200毫米的各种工艺。一个例子是汽车，客户系统有一个升级的工艺，即使采用的是200毫米。应用材料的Rosa说：“产业界希望持续投资新的技术。似乎是我们无法足够快地研发这些技术。”

  除了投资新的200毫米工艺，制造厂必须找到方式来增加200毫米产能。这有一些建议。

  收购一个带有200毫米晶圆厂的企业

  建造新的200毫米晶圆厂

  增加新的200毫米能力

  将客户从200毫米迁移至300毫米

  建造一个300毫米晶圆厂作为替代。

  选择收购方式是一种方法。在过去的多年中，代工厂已经收购了不少公司来获取技术和制造能力。但这是一个昂贵的选择。UMC的Ng说：“任何有8寸代工厂并考虑出售的企业都要了高价。”

  另一个选择是建立新的200毫米代工厂。挑战就是购买设备，以及在长期运转中回本。Ng说：“如果我们打算投资更多产能，问题是这样做是否有商业意义。有很多应用驱动200毫米制造能力的增长。成本是很重要的一部分。如果这并不是一个成本-效益点，那就无法满足这些要求。”

  除了这些方式外，很多代工厂正在将一些芯片制造从200毫米晶圆迁移到300毫米晶圆。这对于一些产品有意义，但并非所有。Ng说：“我们尝试为200毫米晶圆的客户寻找到解决方案。我们相信一部分是将一些客户转移至300毫米平台，这将有意义。但大量在200毫米的应用对成本非常敏感。因此，在做很多事情的时候都意味着挑战，如一些功率分立器件就不会迁移至300毫米。”

  由于在200毫米的所有问题，一些人甚至在重新考虑他们的200毫米代工厂计划，并考虑建造300毫米代工厂的计划，这也是一个昂贵的选择。应用材料的Rosa说：“如果你考虑300毫米，你的工厂成本在增加。这些还不涉及对所需技术的可用性和成熟度的考虑。”同时，代工厂的客户也面临一些挑战。除了保证他们的供应商有足够的供应能力外，客户必须衡量代工厂的能力范畴。每个代工厂都不同，都提供多种能力。

  新进入者-SkyWater

  在这个领域还有一些新进入的企业。去年，SkyWater收购了Cypress公司位于美国印第安纳州布卢明顿的200毫米晶圆制造厂。该制造厂此前提供代工服务。随着收购了该制造厂，SkyWater继续提供代工服务。他将其置于一个特定的代工厂，既可以提供CMOS工艺，也可提供生物科学、硅光电、量子计算和超导技术。

  SkyWater有一个200毫米代工厂，包括0.35微米、90nm和其他工艺。SkyWater的总裁Thomas Sonderman说：“你可以看到有非常高产量的其他一些代工厂，他们并不喜欢定制化。定制化的能力是你需要支付大量的价钱，而且依赖于你的规模，他们可能不感兴趣。我们有能力在一个量产环境下做研发。Cypress拥有这个工厂时所精通的事情之一是能够进行多个小批量产品的高度混合，并且有世界级的产量。使用我们的模型，我们能够以非常具有竞争力的价格为客户提供正确的数量。不同的是，我们的方式是我们提供ASIC能力和特殊技术能力。”

  需要200毫米设备

  IDM和代工厂希望能够扩展200毫米晶圆制造能力，可以从晶圆厂设备制造商、二手设备企业、分销商、或eBay等网络渠道购买二手设备。一些芯片制造企业也在公开市场上销售二手设备。与此同时，应用材料、ASML、KLA-Tencor、Lam研究、TEL和其他设备制造商也于近期开始制造新的200毫米晶圆制造设备。

  根据二手设备供应商SurplusGlobal表示，在2018年开始，产业需求大约2000套新的或翻新的200毫米晶圆制造设备来满足制造需求，但当时市场上只有500套200毫米设备。SurplusGlobal公司美国&欧洲区执行副总裁Emerald Greig说：“我们仍然相信这种情况是真实的。我们持续看到200毫米需求仍未满足。IDM和中国毋庸置疑驱动这些需求，即使我们在美国和欧洲也看到了需求。”但200毫米设备需求图景在2018年下半年看起来不确定。“我们看到由于地缘政治的原因，下半年需求有轻微的下降。由于对建造200毫米或300毫米晶圆厂的重新评估，我们在市场上看到了一个暂缓。”应用材料的Rosa则表示：“市场需求非常旺盛。在200毫米晶圆制造领域，我们正在通往至少是我们需求最大的年份的道路上。”

  不管短期看如何，200毫米制造需求预计将在一段时间内保持旺盛。因此制造厂的管理者必须购买设备来满足需求。从供应商购买200毫米制造设备考虑以下几个因素——质量、声誉和服务。即使如此，购买设备仍然勉励挑战，无论其是从OEM、二手设备供应商等其他渠道购买。并不是所有200毫米晶圆制造设备的供应商都是一样的。一些提供新的工具，而另外一些则翻新现有的，甚至也有一些情况，企业销售不达标甚至不能工作的系统。

  应用材料的Rosa表示：“有两大类工具需求。有纯的增加产量的工具，那就可以非常直接地购买到，如果是需要新技术来增加产量，那在二手市场上就找不到。”在应用材料，制造设备供应商生产新的200毫米设备，同时也翻新设备。通常，这是一个按单生产的业务，订货周期通常从12-到16周。

  其他人也在该领域看到了增长。Lam公司可靠产品组副总裁和总经理Evan Patton表示，“我们在可见的未来看到了我们200毫米制造设备业务的持续增长。我们规划的时间点是2030，但也有一些迹象显示时间将进一步延伸。这就是我们为什么持续在使能技术、生产效率改进、停产解决方案上投入大量资金的原因。”

  对于200毫米工具需求活跃，尽管Lam能够跟得上订单的速度，Patton表示：“当在二手市场上缺少二手设备，在Lam产品中也没有200毫米设备。”Lam在研究新设备的同时，也在翻新200毫米工具，例如刻蚀、淀积和清洁设备。“我们正在投资研发新的工具来来支持汽车、物联网和射频市场对先进器件的需求。”

  200毫米设备需求繁荣会持续多长时间仍然是个问题。就现在而言，业务在今年和明年看起来良好。TEL的高级副总裁和副总经理Kevin Chasey说：“我们看到2019年对设备供应商和IDM而言是另一个强有力的年份。随着IDM尝试在他们的制造厂内塞入新的设备，制造厂空间变得紧张。TEL正通过解决工具的效率和可用性来反馈这种需求。在效率上，TEL推出整体设备效率(OEE)硬件和软件升级，目标是改进老旧安装平台。而且，TEL正在推出升级的工具平台，能够保证未来十年甚至更远期内我们的客户有现代和完全支持的工具套。”TEL供应一系列200毫米系统，例如淀积、刻蚀、清洗设备和轨道。很多平台能够运行100/200mm晶圆衬底。

  当200毫米设备需求看起来很健康，供应商也密切关注可能影响到订单速率的情况上。KLA-Tencor公司的市场、成熟服务、系统和改进部门高级主任Ian O’Leary说：“因为200毫米晶圆预计将增长到2021年，我们预计对200毫米生产能力的需求还将持续几年。最后，对200毫米晶圆制造能力的一些需求驱动可能会迁移到300毫米晶圆和先进节点，现在这些需求都和更大的设计规格器件相关。一个例子是对多种汽车芯片的快速增加的需求，从低端到高端应用。对于汽车芯片，受限于成本风险，从200毫米转移到300毫米的速度已经放缓，但是我们持续密切监控这些趋势，这样我们的业务能够密切贴近市场需求。”

  但汽车器件制造商仍然需要200毫米制造能力，尤其是在缺陷检测领域。在汽车领域，OEM需要芯片中的零缺陷。通常，器件制造商使用晶圆检查工具来发现缺陷。“在该领域，300毫米晶圆厂所需的很多工具模型也都是200毫米晶圆厂所需要的。”要发现在一个110纳米工艺中的潜在缺陷，一个制造厂需要能够在65纳米进行缺陷检测的能力。这样，KLA-Tencor需要建造包含300毫米能力的200毫米检测工具。

  很明显，200毫米停留在这里。大量芯片将在一段长时间内需要成熟工艺。但是，仍有待观察的是，产业界能够控制供应链。