市场对成熟制程工艺芯片的需求激增，导致200mm（8英寸）晶圆代工产能和200mm晶圆厂设备都出现短缺，而且没有减弱的迹象。事实上，即使今年新产能上线，短缺可能会持续数年，推高价格并迫使整个半导体供应链发生重大变化。

200mm晶圆代工产能和设备的短缺已经存在一段时间了，而且这种状况仍然存在。例如，根据Gartner的数据，200mm晶圆代工产能在2022上半年被预订满。除此之外，对200mm晶圆代工产能的需求将继续超过供应，这意味着代工客户需要提前计划以确保他们在未来获得足够的 200mm晶圆产能。

有两种类型的半导体公司在晶圆厂制造芯片。集成设备制造商( IDM )设计自己的名牌芯片并在自己的晶圆厂中制造。与此同时，代工厂在自己的晶圆厂中为其他公司制造芯片。IDM和代工厂都有200mm或300mm的晶圆厂。

自1990年代以来，200mm晶圆厂就已经存在。许多芯片制造商运营着200mm晶圆厂，据最新统计，目前已有200多家。200mm晶圆厂采用成熟的工艺技术制造器件，从6µm到110nm节点。在200mm晶圆厂生产的芯片用于所有电子产品，包括模拟、显示IC、微控制器 (MCU)、电源管理IC (PMIC)和射频。

这些芯片中的一些也可以在更先进的300mm晶圆厂中生产。这些较大的晶圆厂处理从90nm到5nm节点的器件。

尽管如此，IDM和代工厂在所有节点上都看到了前所未有的芯片需求。在2020年Covid-19爆发期间，各国实施了各种措施来缓解疫情，例如居家令。许多人开始在家工作或远程上学，助长了购买新PC和电视的热潮。然后，在2021年，对汽车、智能手机和其他产品的需求激增。所有这些都导致了多个市场的芯片短缺浪潮。

芯片短缺的情况已经延续到2022年上半年。许多人认为，到2022年年中，供需情况将恢复相对正常，但部分汽车芯片全年仍将供不应求。不过，到2022年年中，许多芯片制造商应该有足够的300mm晶圆厂产能来满足需求。

但200 mm是另一回事。今天，几家公司正在建设新的200 mm晶圆厂。根据SEMI的数据，到2021年，该行业的200mm晶圆厂产能每月增加超过300000片晶圆(wpm)，比2020年增长 5%。这还不足以满足需求。

“代工厂的200mm产能在2022年上半年售罄。我预计200mm代工厂产能的紧张局面将持续几年，可能会持续到2025年，”Gartner分析师 Samuel Wang表示。Wang表示，IDM的情况稍好一些，200mm产能的晶圆厂利用率高于80%。

即使代工厂客户有幸在2022年获得足够的200mm或300mm产能，他们也面临着另一组问题。代工供应商预计今年将提高200mm和300 mm晶圆的价格。

图1：全球200mm半导体量产晶圆厂的数量，资料来源：SEMI

一、200mm的兴衰

1960年代，在半导体行业的早期，半导体公司使用基本设备在工厂中制造相对简单的芯片。在那些日子里，芯片制造商制造自己的设备。

在1960年代初期，芯片制造商在这些早期工厂中使用20mm（0.75 英寸）的微小晶圆加工设备。在30年的时间里，他们迁移到晶圆尺寸更大的晶圆厂，例如30mm/40mm、50mm、75mm、100mm、125mm和150mm。

通过转向更大的晶圆尺寸，供应商可以在每个晶圆上生产大约2.2倍的裸片，从而使他们能够降低晶圆厂的制造成本。

然后，在1990年代，出现了200mm晶圆厂。当时，建造一座200mm晶圆厂的成本为7亿至13亿美元。晶圆厂的大部分成本都围绕着用于制造芯片的设备。

多年来，200mm晶圆厂被认为是最先进的设施。然后，从2000年代开始，许多芯片制造商从200mm晶圆厂迁移到300mm晶圆厂。最初，建造300mm晶圆厂的成本为20亿至30亿美元。

在此期间，200mm晶圆厂仍在使用中。但200mm是一个被遗忘的市场，直到2015年，业界对基于更成熟工艺的芯片的需求激增。突然间，代工厂的200mm晶圆厂利用率徘徊在100%。出现产能短缺。

从2016年到2021年，200mm产能紧张。Onto Innovation产品营销经理Woo Young Han表示：“在过去的三到四年里，200mm代工厂一直以接近100%的产能运营。” “他们看到了PMIC、显示驱动器IC和MCU的大幅增长。”

到2021年底，大多数代工厂商的200mm代工产能已售罄。“展望第四季度，我们预计晶圆出货量和ASP趋势将保持坚挺。联电联席总裁Jason Wang表示，8英寸和12英寸设施的产能利用率将继续保持满负荷。

尽管如此，一些代工厂客户仍可以获得足够的 200mm产能来满足他们的要求。其他人则没有那么幸运，尤其是汽车公司。2020年汽车销量暴跌，很多车企停止购买芯片。到2021年，当汽车业务反弹时，汽车制造商的芯片库存已经不足。

然后，汽车制造商开始疯狂地订购芯片。但芯片制造商没有足够的晶圆厂产能，这反过来又导致汽车和其他领域的芯片短缺。其中许多芯片是在200mm晶圆厂中制造的。

预计2022年，汽车和非汽车芯片的需求都将强劲。“随着越来越多的公司开始设计自己的设备，代工厂也看到了对小批量生产各种设备的高需求，”Onto的Woo说。“汽车行业是对小批量生产各种设备的高需求的一个很好的例子。特斯拉、福特、通用、大众和现代等汽车公司宣布将开始设计自己的半导体芯片，这种趋势正在推动200mm晶圆生产的高需求。”

除了200mm和300mm，100mm和150mm的晶圆厂产能也有需求。许多功率半导体是在 150 mm晶圆厂中生产的，尤其是那些使用氮化镓 (GaN)和碳化硅(SiC)材料的晶圆厂。GaN和SiC功率半导体都是热门市场。

二、200mm晶圆厂成本

与此同时，在制造方面，几家代工厂商在200mm晶圆厂为其他厂商制造芯片，每家公司都有不同的工艺产品。GlobalFoundries、华虹、三星、SK Hynix、SkyWater、SMIC、Tower、TSMC、UMC、Vanguard和X-Fab都是拥有200mm晶圆厂的代工供应商。

据SEMI称，总体而言，预计2022年将有216家200mm晶圆厂投入运营，而2016年为184家。200mm晶圆厂整体产能方面，2020年台积电以10%的份额领先，其次是意法半导体（6%）、联电（6%）、英飞凌（6%）、德州仪器（6%）、中芯国际（5%）等，根据IC Insights 的说法。

今天，有几家公司正在建造新的200mm晶圆厂或在现有200mm设施上增加生产线。SEMI分析师克里斯蒂安·迪塞尔多夫(Christian Dieseldorff) 表示：“看看新的200mm量产晶圆厂，我们目前有五座新的 200 mm晶圆厂将于2021年和2022年开始建设。这些是由Rogue Valley Microdevices、OnMicro Electronics、英飞凌和傲松计划的。”

与此同时，在现有的200mm晶圆厂中，预计2021年至2024年将有约17 200mm生产线投产。“2021年，包括Cree、华润微电子、中芯国际、罗门、Innoscience 和SiEn，”Dieseldorff说。

这听起来像是很多新的200mm容量，但这还不够。“对传统节点的需求依然强劲。中国以外的200mm晶圆代工产能根本不够，”Gartner的王说。“到22年第三季度，整体300mm代工供应将赶上需求，而200mm 供应紧张将持续多年。”

显然，代工客户和IDM需要更多的200mm容量。芯片制造商可以通过多种方式解决这个问题，包括：

    ●建造新的200mm晶圆厂。

    ●为现有晶圆厂增加新的生产线。

    ●将一些在200mm晶圆厂生产的芯片转移到更大的300mm工厂。

建立新的200mm晶圆厂是一个明显的解决方案。几家公司正在扩大他们的200mm产能，但这是一个昂贵的提议。据SEMI称，新建200mm晶圆厂的成本从MEMS工厂的4.5亿美元到功率半导体工厂的13亿美元不等。SEMI的Dieseldorff说：“如果你想概括一下，我会说一个新的 50000wpm的200mm晶圆厂平均成本高达10亿美元，包括建筑和设备。” “这取决于产能、产品类型和位置。”

即使你建立一个新的200mm产能，芯片制造商也会遇到另一个问题。在市场上很难找到新的200mm设备。

还有另一种选择。几家芯片制造商正在将一些芯片产品从较小的200mm晶圆厂转移到更大的300mm工厂。这适用于某些但不是所有产品。客户必须愿意为昂贵的300mm晶圆支付更多费用。“许多客户没有看到将传统芯片迁移到300mm晶圆厂的ROI合理性，”王说。

三、寻找200mm设备

在200mm和300mm晶圆厂中，很大一部分成本用于设备。每个晶圆厂都由一个封闭的洁净室组成，配备各种设备类型，例如沉积系统、蚀刻机、检查/计量设备和光刻扫描仪。

使用这些和其他设备类型，每种芯片类型都遵循不同的工艺流程。在任何情况下，找到合适的200mm设备都很重要。有缺陷的系统会导致芯片出现缺陷。

有几个不同的实体销售200mm工具，包括设备供应商、二手/翻新工具公司、经纪人、拍卖商和在线网站。

许多实体都享有盛誉。但是该领域也有许多恐怖故事，其中芯片制造商会在不知不觉中购买无法使用或缺少零件的二手工具。

SurplusGlobal首席执行官Bruce Kim表示，新设备或旧设备的购买者应遵循一些简单的规则以避免任何问题：1）尽早开始寻找；2)与信誉良好的公司合作；3)准备好为使用过的200mm工具支付几乎新的价格。

尽管如此，如果您需要200mm齿轮，第一步是联系设备制造商。一些设备供应商构建了具有最新功能的新200mm系统。

“全新200mm刀具的交货时间非常长，”Kim说。“此外，200mm全新工具的价格有时与300mm全新工具的价格相似。”

一些设备供应商也将使用称为核心的使用过的工具并对其进行翻新。有时，供应商无法翻新系统，因为它已经过时或无法使用。也很难为过时的工具找到备件。

联系二手/翻新设备供应商是另一种选择。有些携带200mm和/或 300mm的二手齿轮。一些甚至制造自己的设备。

一般来说，很难从所有供应商那里找到翻新的200mm系统。据二次设备供应商SurplusGlobal称，目前，全球市场上所有实体的200mm核心工具不到250件。

“我们可能需要1500到3000个核心工具来满足需求，”Kim说。“300mm 工具实际上更容易获得。但是，由于供应链问题，翻新有点困难。有趣的是，越来越多的300mm工具转换为200mm系统。”

梳理200mm市场的一种方法是突出一些主要工艺步骤并探讨手头的设备问题。不可能列出所有提供200mm工具的设备供应商。突出几个供应商肯定会强调挑战。

对于所有芯片，第一步都在硅晶圆供应商处进行。这些供应商使用各种设备制造各种直径尺寸的未加工硅晶片，例如150mm、200mm和300mm。

对200mm晶圆的需求依然强劲。SEMI高级研究经理Sungho Yoon表示：“前五名晶圆供应商不追求200mm产能扩张，因此200mm晶圆供应预计将在2022年保持紧张。”

同时，在生产出晶圆后，它们会被运送到芯片制造商，在晶圆厂进行加工。对于许多逻辑芯片，第一步是在晶圆上沉积一层二氧化硅，然后是氮化物层。取决于应用，可以使用其他材料。

图 2：晶圆厂的基本芯片制造工艺步骤，资料来源：维基百科

然后将晶圆插入称为涂层机/显影机的系统中。在该系统中，将光刻胶（一种光敏材料）倒在晶圆上。

然后将晶圆发送到另一个称为光刻扫描仪或步进器的系统。在操作中，晶片和光掩模被放置在光刻工具中。光掩模是给定IC设计的模板。

然后，扫描仪/步进器产生光，通过掩模投射到晶圆上，根据给定的设计在晶圆上创建微小的图案。

对于200mm晶圆，芯片制造商使用365nm（i-line）或248nm光刻系统。根据尼康的说法，使用各种技术，i-line光刻系统可以实现低至 280nm的分辨率，而248nm约为110nm。

ASML、佳能和尼康是200mm光刻系统的主要供应商。而200mm光刻系统通常是市场上最难找到的工具。佳能营销经理Doug Shelton表示：“200mm设备需求的增加和全球设备短缺导致设备交付周期比平常更长。”

所有光刻供应商都销售具有最新功能的新的或翻新的200mm工具。“佳能继续生产新的200mm兼容i-line和DUV步进器和扫描仪，我们正在努力优化我们的生产能力以满足200mm市场需求，”Shelton说。“佳能还开发了200mm版本的DUV扫描仪和i-line步进器，可提供200mm基板上的300mm高性能计算应用所需的分辨率、覆盖和吞吐量性能。”

佳能还翻新旧的200mm光刻设备。“适用于翻新的候选光刻系统供应有限，并受市场定价影响，”他说。

同时，在光刻步骤之后，晶片经历各种沉积和蚀刻步骤。化学气相沉积(CVD)是晶圆厂中常用的沉积工具类型。在CVD系统中，晶圆被插入腔室。化学物质流入腔室并撞击晶片，在表面形成所需的材料。

芯片制造商使用蚀刻系统在所需位置去除这些材料。反应离子蚀刻 (RIE)是最常见的蚀刻系统，可连续去除器件中的材料。

需要200mm蚀刻和沉积系统。Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes表示：“总体而言，市场上用于满足产能增长需求的专用翻新200mm工具严重短缺。”（待续......）

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