200 mm晶圆厂产能2018年持续紧张 200 mm设备缺货告急

如今，200 mm晶圆厂产能紧张，预计2018年下半年的情况也一样，这种产能紧张可能还会延续到2019年。事实上，2018年可能已经是连续第三年200 mm晶圆厂产能紧张了。当然，对于200 mm设备也是如此。

对优质芯片的持续需求，造成了200 mm（8英寸）晶圆厂产能和设备的严重短缺，且还没有出现任何放缓的迹象。

如今，200 mm晶圆厂产能紧张，预计2018年下半年的情况也一样，这种产能紧张可能还会延续到2019年。事实上，2018年可能已经是连续第三年200 mm晶圆厂产能紧张了。当然，对于200 mm设备也是如此。

2017~2023年超越摩尔领域的晶圆需求（等效200 mm晶圆）

虽然旺盛的需求对产业来说似乎一片光明，但这一情况正为许多客户带来了多方面的焦虑。200 mm市场不涉及300 mm晶圆厂生产的尖端芯片，但包含了大量在老旧200 mm晶圆厂成熟节点制造的器件，它们包括消费类器件、通信IC以及传感器。

在200 mm晶圆端，市场动态复杂，主要体现在：

- IDM和无晶圆厂设计公司希望能够满足200 mm晶圆厂的芯片制造需求。但供应商能否满足所有需求尚不清楚，因为全球200 mm晶圆厂产能现在和未来预计都将保持紧张状态。

- 作为回应，GlobalFoundries（格罗方德）、Samsung（三星）、SMIC（中芯国际）、TowerJazz、TSMC（台积电）、UMC（联电）等其它厂商都在争相增加或寻求新的200 mm晶圆制造产能。同时，新代工厂——SkyWater Technology已经加入200 mm角逐。

- 即使有可用的200 mm产能，但由于无法在市场上找到足够的合适的200 mm晶圆设备，行业仍然面临窘境。

- 因而，由于无法获得足够的200 mm产能或设备，一些芯片制造商不得不重新考虑他们关于建设新200 mm晶圆厂的计划，相反他们可能会建造300 mm晶圆厂。

对于产业各方来说，这都是一个复杂且令人隐忧的现状。“我们都看到200 mm订单供不应求，寻求任何额外的产能都不容易，”UMC业务管理副总裁Walter Ng表示，“过去的周期性规律，到现在200 mm产能早早就完成瓜分，已经逐渐成为一种常态。我们以及业界其它厂商相信在可见的未来，都将保持这样的现状发展。并不是UMC一家如此，全行业都是这样的情况。”

令人惊讶的是，200 mm晶圆厂至少要到2030年左右才能维持运营。跟以前一样，其挑战在于200 mm设备的采购，目前仍然处于供不应求的状态。

事实上，市场对200 mm设备的强劲需求已经持续一段时间了，尽管由于芯片制造商开始权衡他们的200 mm晶圆厂计划，致使2018年下半年市场需求似乎稍微有所缓解。此外，地缘政治问题也是其中一个影响因素。“200 mm产能持续紧张”，Semico Research制造总经理Joanne Itow表示，“有意思的是，200 mm二手设备的需求已经有些许减弱。”

200 mm晶圆厂火爆

IC市场可以划分为多个细分市场。在领先的前沿领域，芯片制造商正在300 mm晶圆厂16 nm/14 nm及以下节点增加芯片量产规模。当然，在300 mm晶圆厂，芯片制造商也在16nm/14 nm及以上节点制造芯片。

300 mm所有工艺节点的产能都在不断扩大。“除了代工厂在增加逻辑芯片的产能，中国和韩国在存储器件方面显著提高了300 mm晶圆产能，”Semico Research分析师Adrienne Downey说。

但并非所有芯片都需要先进的工艺节点。模拟器件、MEMS、射频器件等产品大多是在200 mm及以下尺寸的晶圆厂生产的。对于这其中的许多器件而言，200 mm晶圆是最佳选择。

第一座200 mm晶圆厂于1990年出现，200 mm晶圆尺寸逐渐成为多年的行业标准。随着时间的推移，芯片制造商在2000年代开始向更先进的300 mm晶圆厂迁移，市场对200 mm晶圆的需求增长开始萎缩。到2007年，200 mm晶圆需求达到顶峰，市场开始下降。

晶圆尺寸的相对差异

尽管如此，2015年末，产业出现了对200 mm晶圆厂芯片的意外需求。这使得IC供应链不堪重负，导致2016年和2017年200 mm晶圆厂的产能短缺。进入2018年，200 mm晶圆产能仍然紧张，且似乎无法预计何时能够缓解。

尽管如此，对200 mm晶圆的需求已经令产业措手不及，并迫使芯片制造商和晶圆厂设备供应商更加认真地对待该技术。例如，代工厂提高了具有新工艺或改进工艺的200 mm产能。然后，多家晶圆厂设备供应商开始打造新的 200 mm晶圆制造设备。

SEMI分析师ChrisTIan Gregor Dieseldorff表示，总体而言，量产200 mm晶圆厂的数量预计将从2016年的188家增加到2021年的202家，该数字包括IDM和代工厂。

200 mm晶圆厂数量的增长

大部分正在建设的新200 mm晶圆厂都在中国。“目前，我们正在关注中国建造中的四座200 mm晶圆厂。这四座晶圆产将用于功率器件和MEMS代工，”Dieseldorff表示，“此外，中国还宣布将建设两座（MEMS和功率IC）新的200 mm晶圆厂。我们预计这两座晶圆厂将在今年末开工建设，并将在明年年底左右建设完成。

通常一家典型的200 mm晶圆厂每月生产大约40000片晶圆。这些工厂会在6 um到65 nm的各个工艺节点上生产晶圆。“180 nm/130 nm/110 nm工艺节点的产品很多，这主要取决于应用的需要，”UMC的Ng表示，“RF器件，尤其是RF SOI正在推动产能的大幅增长。当然，功率器件也包括在内，以及像BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）这样的产品。”

在200 mm晶圆尺寸，相关应用正在爆炸式增长。“我们看到应用领域正在不断扩大，” Applied Materials（应用材料公司）200 mm设备产品部战略和技术营销总监Mike Rosa说，“包括电动汽车和ADAS（先进驾驶辅助系统），以及智能手机中不断增加的新功能。”

据Rosa称，“在这些器件的需求中，200 mm晶圆代工厂利用率约为85%~95%之间，如今有一些报告称能达到100%。”

根据Semico Research制造总经理Joanne Itow的数据，2017年200 mm晶圆需求增长了9.2%。而据Itow称：“模拟、分立器件、MCU（微控制器）、光电子器件和传感器，都推动了200 mm晶圆产能需求的增长。”

2018年，市场在某种程度上正在降温。她表示：“2018年200 mm晶圆的需求增长将回落到4.2%的历史正常水平。”

2018年按产品类别划分的200 mm晶圆需求

市场进入降温期的一个原因是晶圆厂产能紧张，制造商无法扩张。另外，即使器件制造商想要扩展，还需要面对设备短缺的问题。

尽管如此，200 mm晶圆厂的产能紧张，预计仍将持续一段时间，特别是代工厂。Global Foundries射频业务部高级副总裁Bami Bastani表示：“业内200 mm晶圆产能已被超额定出。很多器件其实并不需要非常先进的工艺节点。”

例如，高端智能手机中采用了最先进的芯片，但那只占其众多器件中的一小部分。“其余器件包括PMIC（电源管理IC）、模拟器件和BCD类技术，”Bastani说，“大部分这些产品并不需要更小的工艺尺寸。直到它们走到产品生命周期的尽头之前，客户都不会轻易放弃它们。”

一般来说，客户很乐意在成本更低的200 mm晶圆代工厂制造这些器件。但200 mm晶圆产能并不充足，而且利润低于300 mm晶圆。

这给代工厂带来了一些挑战。首先，供应商必须持续的投入并升级各种200 mm工艺。其中一个例子就是汽车行业，即使是200 mm晶圆，客户仍需要升级的工艺。“行业需要不断投资新的技术。看起来我们无法足够快地开发这些技术，” Applied Materials的Mike Rosa说。

除了投资新的200 mm晶圆工艺，代工厂还必须找到方法来增加200 mm晶圆产能。以下是一些选择：

- 收购一家拥有200 mm晶圆厂的公司。

- 建造新的200 mm晶圆厂。

- 增加200 mm晶圆产能。

- 将客户从200 mm晶圆转移到300 mm晶圆。

- 改建300 mm晶圆厂。

走收购路线是一种途径。多年来，代工厂们通过收购获得了相关技术和产能，但这是一种成本较高的选择。“任何拥有一座200 mm晶圆厂且正考虑出售的公司，都会非常重视这笔交易，尽量要求合理的溢价，”UMC的Ng说。

另一种选择是建设一座新的200 mm晶圆厂，面临的挑战则是制造设备的投资，以及长远的运营回报问题。“如果你打算投资获得更多的产能，那问题就在于从商业角度看是否有意义，”Ng说，“很多应用正在推动200 mm晶圆的产能增长，成本是非常重要的组成部分。您可以支持产能的增长。但是，如果它不具备成本效益，则无法满足要求。”

除了上述途径，许多代工厂选择将一些芯片的制造从200 mm晶圆转移至300 mm晶圆。这种途径对一些产品有意义，但并不是所有产品都适合。“我们正在努力为200 mm晶圆客户寻找解决方案，如果综合考量合适，我们相信会推动客户的一部分产品转移至300 mm晶圆平台，”Ng说。

对于有些芯片来说，将它们迁移到300 mm晶圆是没有意义的。“很多基于200 mm晶圆的应用对成本都非常敏感，因此，要做任何改变都将会是一个挑战，”他说，“例如，一些功率分立器件应该永远不会转移至300 mm平台。”

那么，200 mm晶圆平台存在这么多的问题，有些厂商甚至开始重新考虑他们的200 mm晶圆厂计划。他们甚至在考虑是否要建一座300 mm晶圆厂，这也是一个非常昂贵的选择。“如果你考虑的是300 mm晶圆平台，那你的成本投入将进一步增加，” Applied Materials的Mike Rosa说，“那甚至是在你开始考虑你可能需要的技术的可用性和准备状况之前，成本问题就已经开始凸显。”

同时，代工厂的客户也面临着一些挑战。除了确保其供应商具有足够的能力之外，客户还必须评估代工厂的运营状况。每家代工厂都各自不同，每家代工厂都提供了各异的制造能力。

此外，还不断有新的厂商参与竞争。去年，SkyWater收购了位于美国明尼苏达州布卢明顿的Cypress Semiconductor（赛普拉斯半导体）的200 mm晶圆厂。此前，Cypress位于布卢明顿的晶圆厂便提供代工服务。

通过收购这家晶圆厂，SkyWater转而开始提供代工服务，将其定位为一家采用CMOS工艺以及生物技术、硅光子学、量子计算和超导技术的专业代工厂。

SkyWater拥有一座包括0.35 um、90 nm及其他节点工艺的200 mm晶圆厂。“如果你看看一些代工厂，他们的产量很高，但他们不喜欢定制化的服务。定制化服务，意味着你需要支付很多的成本。而且需要看您的规模，他们可能不一定会感兴趣，”SkyWater总裁Thomas Sonderman说。

“我们有能力在大规模量产的背境下进行开发。Cypress掌管这种晶圆厂时拥有的一项能力，便是能够以较低的产量完成多种产品组合的制造，并且同时仍具有世界一流的良率，”Sonderman说，“凭借我们的模式，我们可以以极具竞争力的价格为客户提供合理的量产规模。但我们的方式是提供ASIC功能和专业技术能力。”

急需：200mm晶圆设备

与此同时，IDM和代工厂都希望扩大它们的200 mm产能。那么哪里能够购买到200 mm设备呢？

芯片制造商可以从晶圆厂设备制造商、二手设备公司、经纪商或通过eBay等在线网站购买二手旧设备。一些芯片制造商也在公开市场销售二手设备。

近来，Applied Materials、ASML、KLA-Tencor、Lam Research、TEL及其他设备制造商已经开始制造新的200 mm晶圆设备。

根据二手设备供应商Surplus Global的数据，在2018年初，该行业需要大约2000台/套新的或翻新的200 mm机台来满足晶圆厂的需求。而据Surplus Global称，在2018年初，市场上只有500台/套200 mm晶圆平台可用的机台。

“我们仍然相信这是真实的。我们仍然会看到200 mm平台的设备需求无法得到满足，” Surplus Global美洲和欧洲执行副总裁Emerald Greig说，“尽管我们也看到了美国和欧洲的需求，但是，是IDM厂商和中国造成了这种设备缺货的现状。”

这个周期的不同之处在于，2018年下半年200 mm晶圆设备的需求情况看起来还不确定。“由于地缘政治因素，我们看到下半年的需求略有放缓，” Greig说，“由于200 mm或300 mm设备安装的重新评估，我们看到了市场需求的短暂停滞。”

其他人则比较乐观，“市场需求非常强劲，” Applied Materials的Rosa表示，“在200 mm晶圆平台，我们有望实现迄今为止市场表现最强劲的一年。”

无论短期前景如何，200 mm晶圆平台预计将在一段时间内继续运行，所以晶圆厂必须采购设备和备件以满足需求。从供应商那里购买200 mm设备主要考虑——质量、信誉和服务。即使那样，从OEM、二手设备供应商还是其他地方购买设备都面临挑战。

200 mm晶圆机台的供应商也不尽相同。它们有些提供新的机台，有些则提供翻新的现有机台。甚至有些公司销售不合标准或根本无法工作的系统。

“主要有两类设备需求。一类为纯增加产能的设备。如果仅是增加产能，就比较简单直接，”Rosa说，“还有一类是需要新技术支持的产能提高，这种情况二手设备市场就无法满足了。”

与此同时，晶圆厂机台供应商Applied Materials公司也在制造新的200 mm设备，并在各个细分市场进行翻新。通常其为按订单生产，交付期从12周到16周不等。

在某些情况下，Applied Materials会从头开始打造新的200 mm设备。“这种情况会提高交货周期和价格，”他说，“我们发现设备的平均售价，正接近Applied Materials只有200 mm设备时的价格。”

其他厂商当然也看到了该领域的市场增长。“在可预见的未来，我们预计200 mm设备的业务将持续增长。我们的规划期限为2030年，且有迹象表明这个期限可能会进一步向后延长。这就是为什么我们继续大力投资使能型技术、生产力的提高以及陈旧的解决方案，”Lam Research副总裁兼Reliant产品部总经理Evan Patton说。

尽管Lam Research正在紧跟订单的增长率，但200 mm设备的需求实在旺盛。Patton说：“二手设备市场上可能缺货，但Lam Research的产品组合中可不乏200 mm设备。”

Lam Research正在开发新的和翻新的200 mm设备，如蚀刻、沉积和清洁机台。“我们正在投资开发新的设备，以支持汽车、物联网和RF市场的先进器件，”他说。

200 mm设备的热潮，还能持续多久仍是个问号。就现在而言，今年和明年的业务看起来都不错。“我们认为2019年对于设备供应商和IDM来说又是市场表现强劲的一年。随着IDM极力挤出新的设备安装到他们的制造车间，晶圆厂的市场空间将愈发趋紧，”TEL高级副总裁兼副总经理Kevin Chasey说。

“TEL正在推出OEE（整体设备效率）硬件和软件升级，旨在改善过去安装的基础设备，”Chasey说，“此外，TEL正在重新发布升级的设备平台，以确保我们的客户在未来十年及以后，拥有现代化且完整支持的成套设备。”

TEL提供一系列200 mm系统，如沉积、蚀刻、清洁和Track机台等。许多平台能够同时运行100 mm/200 mm晶圆基板。

虽然200 mm晶圆设备需求看起来很稳健，但供应商仍需要密切关注可能影响订单率的情况。“因为200 mm晶圆预计将持续增长到2021年，我们预计未来几年200 mm晶圆产能需求将保持增长，”KLA-Tencor成熟服务、系统和改善部门营销高级总监Ian O'Leary说。

“最终200 mm晶圆的一些需求驱动因素，可能会逐渐转向300 mm晶圆和前沿先进工艺节点，” O'Leary说，“一个例子就是对各种广泛的汽车芯片的需求迅速增长，覆盖从低端到高端的应用。对于汽车芯片，受成本分析的控制，从200 mm晶圆到300 mm晶圆的转移速度一直很慢，但我们会继续密切关注这些趋势，以便我们的业务紧跟市场需求的发展。”

不过，汽车器件制造商需要200 mm晶圆平台，特别是在缺陷检测方面。在汽车领域， OEM厂商通常要求芯片零缺陷。

通常，器件制造商使用晶圆检测设备来检测缺陷。“在汽车领域，许多300 mm晶圆厂需要的机台模型，在200 mm晶圆厂也同样需要，”他说。

为了发现110 nm工艺中的潜在缺陷，晶圆厂通常需要65 nm的缺陷检测能力。因此，KLA-Tencor需要构建具有300 mm晶圆性能的200 mm晶圆检测设备。

很显然，市场对200mm晶圆的需求仍将继续。很多芯片在很长一段时间内，都需要200mm工厂中的成熟工艺。然而，仍然有待观察的是，产业是否能够从供应链中获得支持。