強芯背景下 全球8英寸晶圓市場的機遇與挑戰

對優質晶元的持續需求，造成了200 mm(8英寸)晶圓廠產能和設備的嚴重短缺，且還沒有出現任何放緩的跡象。

如今，200 mm晶圓廠產能緊張，預計2018年下半年的情況也一樣，這種產能緊張可能還會延續到2019年。事實上，2018年可能已經是連續第三年200 mm晶圓廠產能緊張了。當然，對於200 mm設備也是如此。

2017~2023年超越摩爾領域的晶圓需求(等效200 mm晶圓)

雖然旺盛的需求對產業來說似乎一片光明，但這一情況正為許多客戶帶來了多方面的焦慮。200 mm市場不涉及300 mm晶圓廠生產的尖端晶元，但包含了大量在老舊200 mm晶圓廠成熟節點製造的器件，它們包括消費類器件、通信IC以及感測器。

在200 mm晶圓端，市場動態複雜，主要體現在：

- IDM和無晶圓廠設計公司希望能夠滿足200 mm晶圓廠的晶元製造需求。但供應商能否滿足所有需求尚不清楚，因為全球200 mm晶圓廠產能現在和未來預計都將保持緊張狀態。

- 作為回應，GlobalFoundries(格羅方德)、Samsung(三星)、SMIC(中芯國際)、TowerJazz、TSMC(台積電)、UMC(聯電)等其它廠商都在爭相增加或尋求新的200 mm晶圓製造產能。同時，新代工廠——SkyWater Technology已經加入200 mm角逐。

- 即使有可用的200 mm產能，但由於無法在市場上找到足夠的合適的200 mm晶圓設備，行業仍然面臨窘境。

- 因而，由於無法獲得足夠的200 mm產能或設備，一些晶元製造商不得不重新考慮他們關於建設新200 mm晶圓廠的計劃，相反他們可能會建造300 mm晶圓廠。

對於產業各方來說，這都是一個複雜且令人隱憂的現狀。「我們都看到200 mm訂單供不應求，尋求任何額外的產能都不容易，」UMC業務管理副總裁Walter Ng表示，「過去的周期性規律，到現在200 mm產能早早就完成瓜分，已經逐漸成為一種常態。我們以及業界其它廠商相信在可見的未來，都將保持這樣的現狀發展。並不是UMC一家如此，全行業都是這樣的情況。」

令人驚訝的是，200 mm晶圓廠至少要到2030年左右才能維持運營。跟以前一樣，其挑戰在於200 mm設備的採購，目前仍然處於供不應求的狀態。

事實上，市場對200 mm設備的強勁需求已經持續一段時間了，儘管由於晶元製造商開始權衡他們的200 mm晶圓廠計劃，致使2018年下半年市場需求似乎稍微有所緩解。此外，地緣政治問題也是其中一個影響因素。「200 mm產能持續緊張」，Semico Research製造總經理Joanne Itow表示，「有意思的是，200 mm二手設備的需求已經有些許減弱。」

200 mm晶圓廠火爆

IC市場可以劃分為多個細分市場。在領先的前沿領域，晶元製造商正在300 mm晶圓廠16 nm/14 nm及以下節點增加晶元量產規模。當然，在300 mm晶圓廠，晶元製造商也在16nm/14 nm及以上節點製造晶元。

300 mm所有工藝節點的產能都在不斷擴大。「除了代工廠在增加邏輯晶元的產能，中國和韓國在存儲器件方面顯著提高了300 mm晶圓產能，」Semico Research分析師Adrienne Downey說。

但並非所有晶元都需要先進的工藝節點。模擬器件、MEMS、射頻器件等產品大多是在200 mm及以下尺寸的晶圓廠生產的。對於這其中的許多器件而言，200 mm晶圓是最佳選擇。

第一座200 mm晶圓廠於1990年出現，200 mm晶圓尺寸逐漸成為多年的行業標準。隨著時間的推移，晶元製造商在2000年代開始向更先進的300 mm晶圓廠遷移，市場對200 mm晶圓的需求增長開始萎縮。到2007年，200 mm晶圓需求達到頂峰，市場開始下降。

晶圓尺寸的相對差異

儘管如此，2015年末，產業出現了對200 mm晶圓廠晶元的意外需求。這使得IC供應鏈不堪重負，導致2016年和2017年200 mm晶圓廠的產能短缺。進入2018年，200 mm晶圓產能仍然緊張，且似乎無法預計何時能夠緩解。

儘管如此，對200 mm晶圓的需求已經令產業措手不及，並迫使晶元製造商和晶圓廠設備供應商更加認真地對待該技術。例如，代工廠提高了具有新工藝或改進工藝的200 mm產能。然後，多家晶圓廠設備供應商開始打造新的 200 mm晶圓製造設備。

SEMI分析師Christian Gregor Dieseldorff表示，總體而言，量產200 mm晶圓廠的數量預計將從2016年的188家增加到2021年的202家，該數字包括IDM和代工廠。

200 mm晶圓廠數量的增長

大部分正在建設的新200 mm晶圓廠都在中國。「目前，我們正在關注中國建造中的四座200 mm晶圓廠。這四座晶圓產將用於功率器件和MEMS代工，」Dieseldorff表示，「此外，中國還宣布將建設兩座(MEMS和功率IC)新的200 mm晶圓廠。我們預計這兩座晶圓廠將在今年末開工建設，並將在明年年底左右建設完成。」

通常一家典型的200 mm晶圓廠每月生產大約40000片晶圓。這些工廠會在6 um到65 nm的各個工藝節點上生產晶圓。「180 nm/130 nm/110 nm工藝節點的產品很多，這主要取決於應用的需要，」UMC的Ng表示，「RF器件，尤其是RF SOI正在推動產能的大幅增長。當然，功率器件也包括在內，以及像BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)這樣的產品。」

在200 mm晶圓尺寸，相關應用正在爆炸式增長。「我們看到應用領域正在不斷擴大，」 Applied Materials(應用材料公司)200 mm設備產品部戰略和技術營銷總監Mike Rosa說，「包括電動汽車和ADAS(先進駕駛輔助系統)，以及智能手機中不斷增加的新功能。」

據Rosa稱，「在這些器件的需求中，200 mm晶圓代工廠利用率約為85%~95%之間，如今有一些報告稱能達到100%。」

根據Semico Research製造總經理Joanne Itow的數據，2017年200 mm晶圓需求增長了9.2%。而據Itow稱：「模擬、分立器件、MCU(微控制器)、光電子器件和感測器，都推動了200 mm晶圓產能需求的增長。」

2018年，市場在某種程度上正在降溫。她表示：「2018年200 mm晶圓的需求增長將回落到4.2%的歷史正常水平。」

2018年按產品類別劃分的200 mm晶圓需求

市場進入降溫期的一個原因是晶圓廠產能緊張，製造商無法擴張。另外，即使器件製造商想要擴展，還需要面對設備短缺的問題。

儘管如此，200 mm晶圓廠的產能緊張，預計仍將持續一段時間，特別是代工廠。Global Foundries射頻業務部高級副總裁Bami Bastani表示：「業內200 mm晶圓產能已被超額定出。很多器件其實並不需要非常先進的工藝節點。」

例如，高端智能手機中採用了最先進的晶元，但那隻占其眾多器件中的一小部分。「其餘器件包括PMIC(電源管理IC)、模擬器件和BCD類技術，」Bastani說，「大部分這些產品並不需要更小的工藝尺寸。直到它們走到產品生命周期的盡頭之前，客戶都不會輕易放棄它們。」

一般來說，客戶很樂意在成本更低的200 mm晶圓代工廠製造這些器件。但200 mm晶圓產能並不充足，而且利潤低於300 mm晶圓。

這給代工廠帶來了一些挑戰。首先，供應商必須持續的投入並升級各種200 mm工藝。其中一個例子就是汽車行業，即使是200 mm晶圓，客戶仍需要升級的工藝。「行業需要不斷投資新的技術。看起來我們無法足夠快地開發這些技術，」 Applied Materials的Mike Rosa說。

除了投資新的200 mm晶圓工藝，代工廠還必須找到方法來增加200 mm晶圓產能。以下是一些選擇：

- 收購一家擁有200 mm晶圓廠的公司。

- 建造新的200 mm晶圓廠。

- 增加200 mm晶圓產能。

- 將客戶從200 mm晶圓轉移到300 mm晶圓。

- 改建300 mm晶圓廠。

走收購路線是一種途徑。多年來，代工廠們通過收購獲得了相關技術和產能，但這是一種成本較高的選擇。「任何擁有一座200 mm晶圓廠且正考慮出售的公司，都會非常重視這筆交易，盡量要求合理的溢價，」UMC的Ng說。

另一種選擇是建設一座新的200 mm晶圓廠，面臨的挑戰則是製造設備的投資，以及長遠的運營回報問題。「如果你打算投資獲得更多的產能，那問題就在於從商業角度看是否有意義，」Ng說，「很多應用正在推動200 mm晶圓的產能增長，成本是非常重要的組成部分。您可以支持產能的增長。但是，如果它不具備成本效益，則無法滿足要求。」

除了上述途徑，許多代工廠選擇將一些晶元的製造從200 mm晶圓轉移至300 mm晶圓。這種途徑對一些產品有意義，但並不是所有產品都適合。「我們正在努力為200 mm晶圓客戶尋找解決方案，如果綜合考量合適，我們相信會推動客戶的一部分產品轉移至300 mm晶圓平台。」Ng說。

對於有些晶元來說，將它們遷移到300 mm晶圓是沒有意義的。「很多基於200 mm晶圓的應用對成本都非常敏感，因此，要做任何改變都將會是一個挑戰，」他說，「例如，一些功率分立器件應該永遠不會轉移至300 mm平台。」

那麼，200 mm晶圓平台存在這麼多的問題，有些廠商甚至開始重新考慮他們的200 mm晶圓廠計劃。他們甚至在考慮是否要建一座300 mm晶圓廠，這也是一個非常昂貴的選擇。「如果你考慮的是300 mm晶圓平台，那你的成本投入將進一步增加，」 Applied Materials的Mike Rosa說，「那甚至是在你開始考慮你可能需要的技術的可用性和準備狀況之前，成本問題就已經開始凸顯。」

同時，代工廠的客戶也面臨著一些挑戰。除了確保其供應商具有足夠的能力之外，客戶還必須評估代工廠的運營狀況。每家代工廠都各自不同，每家代工廠都提供了各異的製造能力。

此外，還不斷有新的廠商參與競爭。去年，SkyWater收購了位於美國明尼蘇達州布盧明頓的Cypress Semiconductor(賽普拉斯半導體)的200 mm晶圓廠。此前，Cypress位於布盧明頓的晶圓廠便提供代工服務。

通過收購這家晶圓廠，SkyWater轉而開始提供代工服務，將其定位為一家採用CMOS工藝以及生物技術、硅光子學、量子計算和超導技術的專業代工廠。

SkyWater擁有一座包括0.35 um、90 nm及其他節點工藝的200 mm晶圓廠。「如果你看看一些代工廠，他們的產量很高，但他們不喜歡定製化的服務。定製化服務，意味著你需要支付很多的成本。而且需要看您的規模，他們可能不一定會感興趣。」SkyWater總裁Thomas Sonderman說。

「我們有能力在大規模量產的背境下進行開發。Cypress掌管這種晶圓廠時擁有的一項能力，便是能夠以較低的產量完成多種產品組合的製造，並且同時仍具有世界一流的良率，」Sonderman說，「憑藉我們的模式，我們可以以極具競爭力的價格為客戶提供合理的量產規模。但我們的方式是提供ASIC功能和專業技術能力。」

急需：200mm晶圓設備

與此同時，IDM和代工廠都希望擴大它們的200 mm產能。那麼哪裡能夠購買到200 mm設備呢?

晶元製造商可以從晶圓廠設備製造商、二手設備公司、經紀商或通過eBay等在線網站購買二手舊設備。一些晶元製造商也在公開市場銷售二手設備。

近來，Applied Materials、ASML、KLA-Tencor、Lam Research、TEL及其他設備製造商已經開始製造新的200 mm晶圓設備。

根據二手設備供應商Surplus Global的數據，在2018年初，該行業需要大約2000台/套新的或翻新的200 mm機台來滿足晶圓廠的需求。而據Surplus Global稱，在2018年初，市場上只有500台/套200 mm晶圓平台可用的機台。

「我們仍然相信這是真實的。我們仍然會看到200 mm平台的設備需求無法得到滿足，」 Surplus Global美洲和歐洲執行副總裁Emerald Greig說，「儘管我們也看到了美國和歐洲的需求，但是，是IDM廠商和中國造成了這種設備缺貨的現狀。」

這個周期的不同之處在於，2018年下半年200 mm晶圓設備的需求情況看起來還不確定。「由於地緣政治因素，我們看到下半年的需求略有放緩，」 Greig說，「由於200 mm或300 mm設備安裝的重新評估，我們看到了市場需求的短暫停滯。」

其他人則比較樂觀，「市場需求非常強勁，」 Applied Materials的Rosa表示，「在200 mm晶圓平台，我們有望實現迄今為止市場表現最強勁的一年。」

無論短期前景如何，200 mm晶圓平台預計將在一段時間內繼續運行，所以晶圓廠必須採購設備和備件以滿足需求。從供應商那裡購買200 mm設備主要考慮——質量、信譽和服務。即使那樣，從OEM、二手設備供應商還是其他地方購買設備都面臨挑戰。

200 mm晶圓機台的供應商也不盡相同。它們有些提供新的機台，有些則提供翻新的現有機台。甚至有些公司銷售不合標準或根本無法工作的系統。

「主要有兩類設備需求。一類為純增加產能的設備。如果僅是增加產能，就比較簡單直接，」Rosa說，「還有一類是需要新技術支持的產能提高，這種情況二手設備市場就無法滿足了。」

與此同時，晶圓廠機台供應商Applied Materials公司也在製造新的200 mm設備，並在各個細分市場進行翻新。通常其為按訂單生產，交付期從12周到16周不等。

在某些情況下，Applied Materials會從頭開始打造新的200 mm設備。「這種情況會提高交貨周期和價格，」他說，「我們發現設備的平均售價，正接近Applied Materials只有200 mm設備時的價格。」

其他廠商當然也看到了該領域的市場增長。「在可預見的未來，我們預計200 mm設備的業務將持續增長。我們的規劃期限為2030年，且有跡象表明這個期限可能會進一步向後延長。這就是為什麼我們繼續大力投資使能型技術、生產力的提高以及陳舊的解決方案，」Lam Research副總裁兼Reliant產品部總經理Evan Patton說。

儘管Lam Research正在緊跟訂單的增長率，但200 mm設備的需求實在旺盛。Patton說：「二手設備市場上可能缺貨，但Lam Research的產品組合中可不乏200 mm設備。」

Lam Research正在開發新的和翻新的200 mm設備，如蝕刻、沉積和清潔機台。「我們正在投資開發新的設備，以支持汽車、物聯網和RF市場的先進器件。」他說。

200 mm設備的熱潮，還能持續多久仍是個問號。就現在而言，今年和明年的業務看起來都不錯。「我們認為2019年對於設備供應商和IDM來說又是市場表現強勁的一年。隨著IDM極力擠出新的設備安裝到他們的製造車間，晶圓廠的市場空間將愈發趨緊。」TEL高級副總裁兼副總經理Kevin Chasey說。

「TEL正在推出OEE(整體設備效率)硬體和軟體升級，旨在改善過去安裝的基礎設備，」Chasey說，「此外，TEL正在重新發布升級的設備平台，以確保我們的客戶在未來十年及以後，擁有現代化且完整支持的成套設備。」

TEL提供一系列200 mm系統，如沉積、蝕刻、清潔和Track機台等。許多平台能夠同時運行100 mm/200 mm晶圓基板。

雖然200 mm晶圓設備需求看起來很穩健，但供應商仍需要密切關注可能影響訂單率的情況。「因為200 mm晶圓預計將持續增長到2021年，我們預計未來幾年200 mm晶圓產能需求將保持增長。」KLA-Tencor成熟服務、系統和改善部門營銷高級總監Ian O"Leary說。

「最終200 mm晶圓的一些需求驅動因素，可能會逐漸轉向300 mm晶圓和前沿先進工藝節點，」 O"Leary說，「一個例子就是對各種廣泛的汽車晶元的需求迅速增長，覆蓋從低端到高端的應用。對於汽車晶元，受成本分析的控制，從200 mm晶圓到300 mm晶圓的轉移速度一直很慢，但我們會繼續密切關注這些趨勢，以便我們的業務緊跟市場需求的發展。」

不過，汽車器件製造商需要200 mm晶圓平台，特別是在缺陷檢測方面。在汽車領域， OEM廠商通常要求晶元零缺陷。

通常，器件製造商使用晶圓檢測設備來檢測缺陷。「在汽車領域，許多300 mm晶圓廠需要的機台模型，在200 mm晶圓廠也同樣需要。」他說。

為了發現110 nm工藝中的潛在缺陷，晶圓廠通常需要65 nm的缺陷檢測能力。因此，KLA-Tencor需要構建具有300 mm晶圓性能的200 mm晶圓檢測設備。

很顯然，市場對200mm晶圓的需求仍將繼續。很多晶元在很長一段時間內，都需要200mm工廠中的成熟工藝。然而，仍然有待觀察的是，產業是否能夠從供應鏈中獲得支持。

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