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200mm晶圆厂面临的设备危机
发布时间:2017-08-28

  来源:半导体行业观察,作者Ed Sperling


  200mm 需求的爆炸式发展让生产商开始疯狂搜寻可以在更古老的工艺节点使用的二手半导体生产制造设备。问题是二手设备也不够用,而且并非所有的新或扩展的 200mm 晶圆厂都能够负担翻新或购买新设备的费用。


  这听起来可能只是一个供需问题,但在这种趋势背后,我们可以看到无法预测和碎片化的市场,以及一些差别非常细微和相互冲突的商业模式。需求整体上看依然强劲,尤其是对 MEMS、模拟和 IoT 芯片的需求。相关晶圆厂也在随之发展,事实上中国就正在新建 8 家新的 200mm 晶圆厂。但这些晶圆厂服务的市场的利润率非常低,以至于无法负担当前的设备费用,新入场的晶圆厂在盈利方面将道阻且长。



图 1:随着新市场和封装方法带来的新机会,200mm 晶圆厂的发展趋势已经开始攀升。来自 SEMI


  这就引发了在 eBay 这样的网站上对二手设备的争夺。但随着需求增长,二手设备的价格也水涨船高,而且今天很多可以买到的设备的状况都很糟糕。此外,据业内人士透露,大型代工厂会购买任何可以买到的设备,虽然有时候买下来只是闲置在一旁,直到他们决定好用它来做什么。


  这就使得 200mm 晶圆厂的选择越来越少。其中:


  • 为新设备或二手设备支付额外的费用,生产出的 200mm 晶圆也要为此分担更多成本,而这在很多情况下都会使其失去竞争力;或者可以延长摊销期,但这很有风险。


  • 在拍卖网站上购买二手设备,希望可以将其修复。


  • 在先进芯片制造商升级时购买它们出售的整个晶圆厂。


  • 将新技术加入到已有的设备中,以提高该设备的能力和功能,基本上这就是在进行循序渐进的改进,而非购买全新的机器。


  不管采用哪种方法,新入场者都难以突进这个市场,尤其是现在地位稳固的代工厂也在考虑是否将它们的 200mm 晶圆厂升级成 300mm 的设备。这可能会导致新代工厂无力承受的进一步价格竞争。


谁是赢家谁会输


  研究一下这一市场,很快就可以清楚地发现竞争正愈演愈烈。在几年之前,这部分市场还少有人关注,因为最近的工艺节点占据了利润的大头。但随着芯片制造商的整合和摩尔定律的整体放缓,情况已经发生了变化。


  对于设备供应商而言,这不一定是坏消息。随着更旧节点的芯片生产需求的增长,设备供应商已经站在了金字塔的顶点。


  “目前来看,200mm 市场似乎会持续强劲到 2030 年或更后面。”Lam Research 的 Reliant 产品组总经理 Evan Patton 说,“我们看到对更旧节点(28nm 或之前节点)设备的需求正在增长,主要是在 200mm 和 300mm 晶圆上。”


  使用完全抵消了成本的 200mm 设备和生产能力的代工厂在 200mm 业务上的收入已经在增长了。实际上,旧节点上的业务非常之好,以至于很多代工厂都在思考怎么做进一步投资了。


  “除非你必需最高水平的性能,对于大多数应用,其业务可能并不需要把重点放在最前沿的节点上。”联电(UMC)业务管理副总裁 Walter Ng 表示,“公司有非常大的利润压力,选择一个工艺技术节点,放弃另一个节点,都会以某种的方式影响商品成本——不只是硅方面的成本,还有产量、上市时间和可预测性/风险上的考虑。在代工厂内部,也有很多人在继续努力推动将这些成熟节点扩展到更多终端应用。在工艺方面(比如电源/BCD 区域),新应用将继续带来新的设备需求和性能的 RDS 提升。在设计方面,一些应用可能需要带有更小 track height 的新标准单元库,以便更具竞争力。因此,对已有节点再继续进行投资是代工厂的常见做法,而且通常可以给客户和代工厂带来双赢。”


  人们似乎都很认同这个看法。“在可预见的未来里,大多数市场将继续保持在 300mm 以下。”TEL 现场解决方案副总裁 Fumihiko Kaminaga 说,“更旧的设备中仍然还有足够的未来潜力,能够跟上预期的节点变化和新兴产品。”


  对于二手设备供应商来说,未来的方向并不非常明显。对翻新设备的需求正在增长,但却没有足够多的设备销售。除此之外,并非所有的二手设备都可以或应该翻新。


  “肯定有些类型的设备中,这么做效果很好,”SEMI 协同技术平台副总裁 Tom Salmon 说,“所以对湿式蚀刻清洗系统(wet bench)而言,确实如此。对于光刻,却并非如此。设备的可用性是一个大问题,而且次级设备市场没有能力翻新。在它们的成本结构内,没有设备来做这件事。”


图 2:中国预计 200mm 晶圆厂产能,按产品类型分。来自 SEMI Global 200mm Fab Outlook, 2017.


需求的驱动力是什么


  这些确实是更旧的节点,但这并不意味着在这些节点下的同样设备在各种不同的应用上都可用。智能手机可能已经得到了很好的理解,但生产这些手机的组件所用的 200mm 设备的需求正在发生显著的变化。


  “新的指纹传感器现在正在换成压电材料。” Applied Materials 的 200mm Equipment Group 战略和技术营销总经理 Mike Rosa 说,“为了沉积新材料,这驱使我们开发新的腔室技术。然后每款新手机都有 3 到 6 个这些器件,你需要考虑这些因素,因为你需要关注空间尺寸,需要关注新的光学薄膜,以及使用光学涂层在硅晶圆上集成 III-V 族材料。”


  即使是同一款器件,也有更加严格的规格指标,以便从同样大小的器件中获取更多性能。


  “如果你看看 MEMS 麦克风,它们也正从基于电容向基于压电转变。”Rosa 说,“之前的椎体规格是侧壁正负 0.5 度倾角。实际上,晶圆的中心的侧壁是直的,并且朝向晶圆的边缘,它们让规格倾斜了。但新的规格从 0.5 度变成了 0.3 度,所以晶圆上的合适范围缩小了。解决这个问题的唯一方法是将晶圆放入更大的腔室中。”


  Applied 的方法是为 200mm 设备销售不同尺寸大小的腔室,这能有效地改变旧设备的能力。它也改变了设备供应商进入这一市场的经济效益——为已有设备增加组件升级,而不是销售新设备。一般来说,它们也会提供用于监控和维护设备的服务组件。


  这是一种方法,另一种方法是为旧节点开发新设备。“对旧节点计量和检测设备的需求一直以来都很强劲,这些需求主要来自生产 40nm 设计或更大节点的器件的公司,而且往往是在 200mm 晶圆上。”KLA-Tencor 的 KT Pro Division 副总裁/总经理 Wilbert Odisho 说,“这些设施中很多都在中国,为 IoT 和汽车行业提供服务。同时,核心工具的可用性正在不断缩减。我们已经响应过再造传统工具的需求,以满足客户对裸晶圆检测、边缘检测、宽带和基于激光散射的图案化晶圆检测、薄膜计量和套刻精度(overlay)计量。”


  但基于压电的 MEMS 麦克风和扬声器都是新市场。很多用于汽车、IoT、IIoT、医疗电子和 5G 的传感器也都是新市场。尽管这些市场被认为有很大的市场潜力,但它们较新,产品周期很大程度上还不确定。所以晶圆厂可以在设备上投入多少才能在一定时间内获得合理的回报,目前还是个未知数。


  “看看 5G,它的基站将需要很高的功率,因为 5G 使用了高频信号,很容易被吸收,所以无法传播那么远,所以你需要提升功率。”Rosa 说,“这意味着需要新的放大器、新的天线和大量中继器。而这些都在 200mm 或以下的晶圆上完成。”


  事实上,使用 200mm 工艺制造的芯片覆盖了几乎所有市场。“支持 200mm 及以下的让人兴奋的好处是市场和产品的巨大多样性。”TEL 的 Kaminaga 说,“当你必须支持汽车、IoT、传感器、滤波器、光学器件、光电器件、分立器件和模拟器件时,需求可能会来自任何地方。我们猜想其中很大一部分来自中国国内市场,以及一些 IoT 器件甚至汽车和工艺器件。电子产品在我们日常生活中的广泛应用将继续推动在 200mm 及以下设备上生产的产品的需求。随着公司企业为半导体器件创造出新的市场和应用,旧技术也将焕发新生。”


封装和材料变化


  先进封装和不同的材料应该也将助长对 200mm 设备的需求。


  在封装方面,系统级封装和 fan-out 带来了混合不同工艺节点开发的 IP 的能力。对于电源和 SerDes 这样的模拟 IP 来说这非常完美,因为模拟电路无法像电子逻辑电路那样从尺寸缩减中受益。


  “先进封装并没有跟随经典的节点演进,其工艺还远远没有 FEOL 那样标准化。”KLA 的 Odisho 说,“先进封装技术的演变仍然在加速,新的材料也正在得到应用。而且工艺流程也在继续演进,同时工艺窗口正在下降。与此同时,封装设计很大程度上与节点无关。所以封装是另一个实现性能增长和成本控制的另一个方面。与其说先进封装是器件的关键方面,倒不如说是器件类型的一个功能。”


  所以随着先进封装变得越来普及,对 200mm 设备的需求也将随之上涨。


  Lam 的 Patton 说:“先进封装肯定能增加 28nm 和以前节点工艺的能力。我们预计它的增长将进一步推升对更旧节点系统的需求。”


  KLA 也从其前端组借用了技术和平台——包括旧节点系统,并将它们用在了先进封装工艺控制中。Odisho 说:“我们必须一直考虑几个因素。在将前端晶圆设备向先进封装迁移时,需要考虑基板厚度、基板翘曲、临时载体类型和目标关键尺寸。在许多案例中,必须要在封装中使用专门的晶圆操作和夹持系统,还有一些后端的特定软件和算法特性。”


  除了先进封装(有时候在同一个封装中,有时候不是),还有许多面向 200mm 的不同种类的材料和基板正在开发。


  “碳化硅正被越来越多地应用于高功率开关和用于传感功率级的应用。”Applied 的 Rosa 说,“现在有用于功率管理的 BiCMOS。压电材料正被用于 ADAS(高级驾驶辅助系统)的超声检测器。还有很多人预测将 SiGe 用于雷达,但这个技术也可用于无线 LAN,这可以说是无处不在,SiGe BiCMOS,所以那可能不会出现巨大的增长。但 LiDAR 将会是很大的市场机会。汽车公司想将 LiDAR 的价格降到 30 美元以下,这可能会用到带有振荡镜的激光或相位阵列 LiDAR 等技术。我们也可以看到在高功率开关领域 GaN 的应用。”


  碳化硅也会带来自己的问题,因为和硅不一样,这种材料是半透明的。对于旧设备来说,检测这种晶圆的边缘更难。


  Rosa 说:“为了处理晶圆,你必须升级激光。沉积基本上还是一样,但你需要为离子沉积使用新的蚀刻工艺。GaN 需要不同的工艺,而在 200mm 上,现在还没有 MOCVD(金属有机化学气相沉积)。”

设备供应商业务模式转型


  我们目前还不完全清楚设备供应商进入这一市场的方式,但有证据表明实际上存在多种途径。


  “尽管我们最新的系统肯定比我们的旧系统更先进,但我们将在合理的时候继续为旧系统纳入新功能。”Lam 的 Patton 说,“我们也将继续维持我们为旧节点生产新系统的能力,同时也将为成本敏感的应用提供带有翻新组件的系统。我们也有能力提供完全翻新的系统,而且我们也在继续为旧解决方案大力投入——在一些案例中将技术重新投放到更新的设备上,就像我们之前旧系统上的 2300 控制系统。”


  KLA 也是一样。“更新的设备使用了最新的操作系统和硬件,这对最高的吞吐量、计算密集型算法和前沿的性能而言是必需的。”Odisho 说,“对于更旧的模型,KLA-Tencor 的 KT Pro Division 已经投入了一个工程开发团队,他们的目标就是为在旧系统上应用新技术积极开发解决方案。新操作系统、固体激光器和带有更新的芯片组和算法的更新后的计算机平台可以提升吞吐量、增强性能和延长旧系统的使用寿命。”


  但是,在 KLA-Tencor  通过翻新、重新加工和升级延长检测和计量设备的使用寿命的同时,其先进封装组也在设计有长使用寿命的产品。Odisho 说:“为可扩展性和可升级性设计的先进封装检测和计量系统可以在这个快速创新的环境中为客户提供最佳的投资回报率(ROI)。”


结论


  未来几年,旧节点将在许多设备中发挥更大的作用。这一点基本上已经是普遍的共识了。


  “原因多种多样——总体经济(设计成本到硅成本)、已验证的设计支持和上市时间以及生产制造和产量上的可预测性。”联电的 Ng 说,“从设计和制造的角度来看,随着大多数前沿节点所带来的显著成本增长,以及提升产量所要花费的成本,会迫使客户更加谨慎地考虑最适合他们的终端应用的节点。对于大多数应用而言,除非你必需要最高水平的性能,否则你的业务案例并没有充分的理由把重点放在前沿节点上。”


  但是对设备供应商而言,要确定应该翻新什么、更新什么以及让什么保持原样是一个相当不确定的决策。Kaminaga 说:“在支持旧设备平台上存在一些挑战。TEL 确实服务和提供基于不同几代设备的验证过的翻新工具,但更新最古老的模型也有局限性。任何新硬件的改进发展都涉及到工厂的资源和时间。挑战性的难题在于如何改进这些相关平台,从而为客户带来最大的价值和带来市场需求。”


  新设备方面的情况还不清楚。他说:“对 200mm 及以下设备的需求将继续保持非常强劲,而缺乏可行的核心也会对 IDM 的购买偏好产生影响。但这种新工具生产的复兴也伴随着对价格优惠的强大需求。”


  谁将会是这一市场的赢家?什么策略会获胜?到目前为止还不明朗。但很显然,未来几年 200mm 将成为一个竞争激烈的竞技场;与之前关于 300mm 设备的预测相比,专家们的看法已经发生了根本性的改变。


  原文链接:https://semiengineering.com/the-200mm-equipment-scramble/

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