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200mm晶圓廠面臨的設備危機

200mm晶圓廠面臨的設備危機

,作者Ed Sperling,謝謝。

200mm 需求的爆炸式發展讓生產商開始瘋狂搜尋可以在更古老的工藝節點使用的二手半導體生產製造設備。問題是二手設備也不夠用,而且並非所有的新或擴展的 200mm 晶圓廠都能夠負擔翻新或購買新設備的費用。

這聽起來可能只是一個供需問題,但在這種趨勢背後,我們可以看到無法預測和碎片化的市場,以及一些差別非常細微和相互衝突的商業模式。需求整體上看依然強勁,尤其是對 MEMS、模擬和 IoT 晶元的需求。相關晶圓廠也在隨之發展,事實上就正在新建 8 家新的 200mm 晶圓廠。但這些晶圓廠服務的市場的利潤率非常低,以至於無法負擔當前的設備費用,新入場的晶圓廠在盈利方面將道阻且長。

圖 1:隨著新市場和封裝方法帶來的新機會,200mm 晶圓廠的發展趨勢已經開始攀升。來自 SEMI

這就引發了在 eBay 這樣的網站上對二手設備的爭奪。但隨著需求增長,二手設備的價格也水漲船高,而且今天很多可以買到的設備的狀況都很糟糕。此外,據業內人士透露,大型代工廠會購買任何可以買到的設備,雖然有時候買下來只是閑置在一旁,直到他們決定好用它來做什麼。

這就使得 200mm 晶圓廠的選擇越來越少。其中:

  • 為新設備或二手設備支付額外的費用,生產出的 200mm 晶圓也要為此分擔更多成本,而這在很多情況下都會使其失去競爭力;或者可以延長攤銷期,但這很有風險。

  • 在拍賣網站上購買二手設備,希望可以將其修復。

  • 在先進晶元製造商升級時購買它們出售的整個晶圓廠。

  • 將新技術加入到已有的設備中,以提高該設備的能力和功能,基本上這就是在進行循序漸進的改進,而非購買全新的機器。

不管採用哪種方法,新入場者都難以突進這個市場,尤其是現在地位穩固的代工廠也在考慮是否將它們的 200mm 晶圓廠升級成 300mm 的設備。這可能會導致新代工廠無力承受的進一步價格競爭。

誰是贏家誰會輸

研究一下這一市場,很快就可以清楚地發現競爭正愈演愈烈。在幾年之前,這部分市場還少有人關注,因為最近的工藝節點佔據了利潤的大頭。但隨著晶元製造商的整合和摩爾定律的整體放緩,情況已經發生了變化。

對於設備供應商而言,這不一定是壞消息。隨著更舊節點的晶元生產需求的增長,設備供應商已經站在了金字塔的頂點。

「目前來看,200mm 市場似乎會持續強勁到 2030 年或更後面。」Lam Research 的 Reliant 產品組總經理 Evan Patton 說,「我們看到對更舊節點(28nm 或之前節點)設備的需求正在增長,主要是在 200mm 和 300mm 晶圓上。」

使用完全抵消了成本的 200mm 設備和生產能力的代工廠在 200mm 業務上的收入已經在增長了。實際上,舊節點上的業務非常之好,以至於很多代工廠都在思考怎麼做進一步投資了。

「除非你必需最高水平的性能,對於大多數應用,其業務可能並不需要把重點放在最前沿的節點上。」聯電(UMC)業務管理副總裁 Walter Ng 表示,「公司有非常大的利潤壓力,選擇一個工藝技術節點,放棄另一個節點,都會以某種的方式影響商品成本——不只是硅方面的成本,還有產量、上市時間和可預測性/風險上的考慮。在代工廠內部,也有很多人在繼續努力推動將這些成熟節點擴展到更多終端應用。在工藝方面(比如電源/BCD 區域),新應用將繼續帶來新的設備需求和性能的 RDS 提升。在設計方面,一些應用可能需要帶有更小 track height 的新標準單元庫,以便更具競爭力。因此,對已有節點再繼續進行投資是代工廠的常見做法,而且通常可以給客戶和代工廠帶來雙贏。」

人們似乎都很認同這個看法。「在可預見的未來里,大多數市場將繼續保持在 300mm 以下。」TEL 現場解決方案副總裁 Fumihiko Kaminaga 說,「更舊的設備中仍然還有足夠的未來潛力,能夠跟上預期的節點變化和新興產品。」

對於二手設備供應商來說,未來的方向並不非常明顯。對翻新設備的需求正在增長,但卻沒有足夠多的設備銷售。除此之外,並非所有的二手設備都可以或應該翻新。

「肯定有些類型的設備中,這麼做效果很好,」SEMI 協同技術平台副總裁 Tom Salmon 說,「所以對濕式蝕刻清洗系統(wet bench)而言,確實如此。對於光刻,卻並非如此。設備的可用性是一個大問題,而且次級設備市場沒有能力翻新。在它們的成本結構內,沒有設備來做這件事。」

圖 2:預計 200mm 晶圓廠產能,按產品類型分。來自 SEMI Global 200mm Fab Outlook, 2017.

需求的驅動力是什麼

這些確實是更舊的節點,但這並不意味著在這些節點下的同樣設備在各種不同的應用上都可用。智能手機可能已經得到了很好的理解,但生產這些手機的組件所用的 200mm 設備的需求正在發生顯著的變化。

「新的指紋感測器現在正在換成壓電材料。」 Applied Materials 的 200mm Equipment Group 戰略和技術營銷總經理 Mike Rosa 說,「為了沉積新材料,這驅使我們開發新的腔室技術。然後每款新手機都有 3 到 6 個這些器件,你需要考慮這些因素,因為你需要關注空間尺寸,需要關注新的光學薄膜,以及使用光學塗層在硅晶圓上集成 III-V 族材料。」

即使是同一款器件,也有更加嚴格的規格指標,以便從同樣大小的器件中獲取更多性能。

「如果你看看 MEMS 麥克風,它們也正從基於電容向基於壓電轉變。」Rosa 說,「之前的椎體規格是側壁正負 0.5 度傾角。實際上,晶圓的中心的側壁是直的,並且朝向晶圓的邊緣,它們讓規格傾斜了。但新的規格從 0.5 度變成了 0.3 度,所以晶圓上的合適範圍縮小了。解決這個問題的唯一方法是將晶圓放入更大的腔室中。」

Applied 的方法是為 200mm 設備銷售不同尺寸大小的腔室,這能有效地改變舊設備的能力。它也改變了設備供應商進入這一市場的經濟效益——為已有設備增加組件升級,而不是銷售新設備。一般來說,它們也會提供用於監控和維護設備的服務組件。

這是一種方法,另一種方法是為舊節點開發新設備。「對舊節點計量和檢測設備的需求一直以來都很強勁,這些需求主要來自生產 40nm 設計或更大節點的器件的公司,而且往往是在 200mm 晶圓上。」KLA-Tencor 的 KT Pro Division 副總裁/總經理 Wilbert Odisho 說,「這些設施中很多都在,為 IoT 和汽車行業提供服務。同時,核心工具的可用性正在不斷縮減。我們已經響應過再造傳統工具的需求,以滿足客戶對裸晶圓檢測、邊緣檢測、寬頻和基於激光散射的圖案化晶圓檢測、薄膜計量和套刻精度(overlay)計量。」

但基於壓電的 MEMS 麥克風和揚聲器都是新市場。很多用於汽車、IoT、IIoT、醫療電子和 5G 的感測器也都是新市場。儘管這些市場被認為有很大的市場潛力,但它們較新,產品周期很大程度上還不確定。所以晶圓廠可以在設備上投入多少才能在一定時間內獲得合理的回報,目前還是個未知數。

「看看 5G,它的基站將需要很高的功率,因為 5G 使用了高頻信號,很容易被吸收,所以無法傳播那麼遠,所以你需要提升功率。」Rosa 說,「這意味著需要新的放大器、新的天線和大量中繼器。而這些都在 200mm 或以下的晶圓上完成。」

事實上,使用 200mm 工藝製造的晶元覆蓋了幾乎所有市場。「支持 200mm 及以下的讓人興奮的好處是市場和產品的巨大多樣性。」TEL 的 Kaminaga 說,「當你必須支持汽車、IoT、感測器、濾波器、光學器件、光電器件、分立器件和模擬器件時,需求可能會來自任何地方。我們猜想其中很大一部分來自國內市場,以及一些 IoT 器件甚至汽車和工藝器件。電子產品在我們日常生活中的廣泛應用將繼續推動在 200mm 及以下設備上生產的產品的需求。隨著公司企業為半導體器件創造出新的市場和應用,舊技術也將煥發新生。」

封裝和材料變化

先進封裝和不同的材料應該也將助長對 200mm 設備的需求。

在封裝方面,系統級封裝和 fan-out 帶來了混合不同工藝節點開發的 IP 的能力。對於電源和 SerDes 這樣的模擬 IP 來說這非常完美,因為模擬電路無法像電子邏輯電路那樣從尺寸縮減中受益。

「先進封裝並沒有跟隨經典的節點演進,其工藝還遠遠沒有 FEOL 那樣標準化。」KLA 的 Odisho 說,「先進封裝技術的演變仍然在加速,新的材料也正在得到應用。而且工藝流程也在繼續演進,同時工藝窗口正在下降。與此同時,封裝設計很大程度上與節點無關。所以封裝是另一個實現性能增長和成本控制的另一個方面。與其說先進封裝是器件的關鍵方面,倒不如說是器件類型的一個功能。」

所以隨著先進封裝變得越來普及,對 200mm 設備的需求也將隨之上漲。

Lam 的 Patton 說:「先進封裝肯定能增加 28nm 和以前節點工藝的能力。我們預計它的增長將進一步推升對更舊節點系統的需求。」

KLA 也從其前端組借用了技術和平台——包括舊節點系統,並將它們用在了先進封裝工藝控制中。Odisho 說:「我們必須一直考慮幾個因素。在將前端晶圓設備向先進封裝遷移時,需要考慮基板厚度、基板翹曲、臨時載體類型和目標關鍵尺寸。在許多案例中,必須要在封裝中使用專門的晶圓操作和夾持系統,還有一些後端的特定軟體和演算法特性。」

除了先進封裝(有時候在同一個封裝中,有時候不是),還有許多面向 200mm 的不同種類的材料和基板正在開發。

「碳化硅正被越來越多地應用於高功率開關和用於感測功率級的應用。」Applied 的 Rosa 說,「現在有用於功率管理的 BiCMOS。壓電材料正被用於 ADAS(高級駕駛輔助系統)的超聲檢測器。還有很多人預測將 SiGe 用於雷達,但這個技術也可用於無線 LAN,這可以說是無處不在,SiGe BiCMOS,所以那可能不會出現巨大的增長。但 LiDAR 將會是很大的市場機會。汽車公司想將 LiDAR 的價格降到 30 美元以下,這可能會用到帶有振蕩鏡的激光或相位陣列 LiDAR 等技術。我們也可以看到在高功率開關領域 GaN 的應用。」

碳化硅也會帶來自己的問題,因為和硅不一樣,這種材料是半透明的。對於舊設備來說,檢測這種晶圓的邊緣更難。

Rosa 說:「為了處理晶圓,你必須升級激光。沉積基本上還是一樣,但你需要為離子沉積使用新的蝕刻工藝。GaN 需要不同的工藝,而在 200mm 上,現在還沒有 MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)。」

設備供應商業務模式轉型

我們目前還不完全清楚設備供應商進入這一市場的方式,但有證據表明實際上存在多種途徑。

「儘管我們最新的系統肯定比我們的舊系統更先進,但我們將在合理的時候繼續為舊系統納入新功能。」Lam 的 Patton 說,「我們也將繼續維持我們為舊節點生產新系統的能力,同時也將為成本敏感的應用提供帶有翻新組件的系統。我們也有能力提供完全翻新的系統,而且我們也在繼續為舊解決方案大力投入——在一些案例中將技術重新投放到更新的設備上,就像我們之前舊系統上的 2300 控制系統。」

KLA 也是一樣。「更新的設備使用了最新的操作系統和硬體,這對最高的吞吐量、計算密集型演算法和前沿的性能而言是必需的。」Odisho 說,「對於更舊的模型,KLA-Tencor 的 KT Pro Division 已經投入了一個工程開發團隊,他們的目標就是為在舊系統上應用新技術積極開發解決方案。新操作系統、固體激光器和帶有更新的晶元組和演算法的更新后的計算機平台可以提升吞吐量、增強性能和延長舊系統的使用壽命。」

但是,在 KLA-Tencor 通過翻新、重新加工和升級延長檢測和計量設備的使用壽命的同時,其先進封裝組也在設計有長使用壽命的產品。Odisho 說:「為可擴展性和可升級性設計的先進封裝檢測和計量系統可以在這個快速創新的環境中為客戶提供最佳的投資回報率(ROI)。」

結論

未來幾年,舊節點將在許多設備中發揮更大的作用。這一點基本上已經是普遍的共識了。

「原因多種多樣——總體經濟(設計成本到硅成本)、已驗證的設計支持和上市時間以及生產製造和產量上的可預測性。」聯電的 Ng 說,「從設計和製造的角度來看,隨著大多數前沿節點所帶來的顯著成本增長,以及提升產量所要花費的成本,會迫使客戶更加謹慎地考慮最適合他們的終端應用的節點。對於大多數應用而言,除非你必需要最高水平的性能,否則你的業務案例並沒有充分的理由把重點放在前沿節點上。」

但是對設備供應商而言,要確定應該翻新什麼、更新什麼以及讓什麼保持原樣是一個相當不確定的決策。Kaminaga 說:「在支持舊設備平台上存在一些挑戰。TEL 確實服務和提供基於不同幾代設備的驗證過的翻新工具,但更新最古老的模型也有局限性。任何新硬體的改進發展都涉及到工廠的資源和時間。挑戰性的難題在於如何改進這些相關平台,從而為客戶帶來最大的價值和帶來市場需求。」

新設備方面的情況還不清楚。他說:「對 200mm 及以下設備的需求將繼續保持非常強勁,而缺乏可行的核心也會對 IDM 的購買偏好產生影響。但這種新工具生產的復興也伴隨著對價格優惠的強大需求。」

誰將會是這一市場的贏家?什麼策略會獲勝?到目前為止還不明朗。但很顯然,未來幾年 200mm 將成為一個競爭激烈的競技場;與之前關於 300mm 設備的預測相比,專家們的看法已經發生了根本性的改變。

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