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200mm的設備爭奪戰

2017-08-31 11:18:55 Ed Sperling

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200mm的爆炸式需求，掀起了對于二手半導體制造設備的瘋狂需求，這些設備能在較老的工藝節點使用。目前問題是沒有足夠的二手設備可用，并不是所有的新的或擴大的200mm fab廠都能承擔得起翻新或新設備的開支。

這聽起來像一個簡單的供需問題，但實際上隱藏的是不可預知的和分散的市場，以及一些差別細微和沖突的商業模式。需求依然強勁，特別是制作MEMS，模擬和的IoT芯片的晶圓廠。事實上，還有正在建設中的中國八個新的200mm工廠。但是這些晶圓廠的利潤率如此之薄，很難看出能承擔起所需要的設備費用，新來者可能需要經歷發展的艱難期。

圖1：趨勢線已經開始為200mm工廠作為新的市場和包裝再度攀升逼近添加了新的機遇。來源：SEMI

據業內人士透露，這掀起了網站上尋找二手設備的爭奪戰，如eBay。但隨著需求的上升，價格繼續上揚，而且目前大部分設備狀況不佳。此外，大型代工廠正在搶購任何可用的設備，暫時不用時寧可閑置。

這使得200mm工廠的選擇越來越少。其中：

•為新舊設備支付溢價，要么提高制造200mm晶圓的收費，這在許多情況下是沒有競爭力的，或延長攤銷期，這是有風險的;
•購買拍賣網站上的二手設備，希望它可以修復;
•購買先進的芯片制造商出售的整個晶圓廠;
•在現有的設備上添加新的技術應用，以提高該設備的產能，這基本上是逐步改進，而不是購買全新的機器。

無論采取哪種方法，新來者都不容易進入這個市場，特別是根深蒂固的代工廠在重新考慮是否將其200mm工廠升級到300mm設備。結果可能是更大的價格競爭，這對于新來者是無法承受的。

誰贏，誰輸
很快就會看清楚這個市場，競爭變得越來越激烈。直到幾年前，這部分市場才被納入雷達之中，因為最大的利潤是最新的工藝節點。但隨著芯片制造商之間的整合和摩爾定律的整體放緩，情況已經不復存在了。

這對于設備供應商而言，不一定是壞事，這些設備供應商現在都在金字塔頂端，舊節點上的芯片生產需求在增長。

“在這一點上，200mm的市場看起來將繼續走強到2030年”，Lam Research的Reliant Product Group的總經理Evan Patton說道，“我們看到舊節點設備的需求（28納米或以上），主要在200mm和300mm。”

擁有完全折舊的200mm設備和產能的工廠已經在其200mm的業務增加了收入。事實上，業務在舊的節點上那么好，很多人都開始重新思考資金究竟投資何處。

“對于大多數應用來說，除非你必須擁有最高水平的性能，否則可能沒有令人信服的商業案例集中在邊緣節點上，”UMC業務管理副總裁Walter Ng說道，“企業利潤方面那么大的壓力，選擇一個過程技術節點，一種或多種方式都影響商品成本，而不僅僅是硅成本，而是產量、上市時間和可預測性/風險。在代工廠中，還繼續開展大量的開發工作，拓寬這些既定節點的支持，擴大到更多的終端應用。在流程方面，例如，在電力/ BCD領域，新應用不斷推動新的設備要求，改進RDS性能。在設計方面，一些應用程序可能需要擁有更小的軌道高度的新標準單元庫，以更有競爭力。因此，繼續對已建立的節點進行重新投資對于代工廠來說是常見現象，并且對于客戶和代工廠而言是典型的雙贏”。

這點上似乎有廣泛的共識。TEL現場解決方案副總裁Fumihiko Kaminaga說道，“在可預見的未來，大多數市場將繼續保持在300mm以下，舊設備還有足夠的能力來跟上預期的節點變化和新興產品。”

對于二手設備的供應商而言，未來的發展方向并不明顯。對于翻新設備的需求不斷增長，但沒有足夠的設備出售。最重要的是，并不是所有的二手設備都可以或應該翻新。

SEMI協同技術平臺副總裁Tom Salmon說道：“有一些類型的設備運行良好，因此，對于濕長凳，是這樣的。但對于光刻，卻不然。設備的可用性是一個大問題，而二手設備市場容量已經觸頂。相對他們的成本結構而言，沒有設備可以做到。”

圖2：中國的預計產品類型200毫米工廠的產能。來源：SEMI全球200毫米的Fab展望，2017年。

是什么力量推動需求
也正因為這些都是舊的節點，所以并不意味著同樣的設備將在這些節點的各種應用中工作。智能手機可以很好的理解，但是對于那些用于這些手機中的組件的200mm設備的要求正在發生顯著變化。

“新的指紋傳感器現在切換到壓電材料，” 應用材料公司200mm設備集團的戰略和技術營銷的常務董事Mike Rosa說道，“這也促使我們拿出新技術存入新材料。然后每一個新的手機你需要乘上三到六倍的時間，因為你需要一個空間的焦點，新的光學薄膜，以及和硅片上有光學涂層的III-V材料整合。”

即使是相同的設備中，規格都在緊縮擠出更多的表現出了相同的設備。

“如果你看一下MEMS麥克風，那些從電容轉移到壓電為主，還有，”Rosa說到，“側壁在以前的規格上加上或減去0.5度傾斜。在實踐中，晶片的中心具有直的側壁，并朝向晶片的邊緣它們傾斜不符合規格。但是，新的規范已經從0.5度移動到0.3度。唯一的辦法是把晶片放在一個較大的腔室。”

應用材料公司的做法是為200毫米設備出售不同大小的腔室，這有效地改變了舊設備的能力。這也改變了設備供應商如何應對這個市場，為現有設備加入組件升級，而不是銷售的新設備。通常情況下，他們提供了一個服務組件來監測和維護設備。

這是一種方法。另一種方法是為較舊的節點建立新的設備。“較舊節點的測量和檢測設備的需求持續保持強勁，主要是200mm晶圓制造設備上40納米或更大的設計節點。”在KLA-Tencor公司KT Pro部門的副總裁/總經理Wilbert Odisho說道，“這些設施許多都在中國，物聯網服務和汽車領域。與此同時，核心工具的可用性繼續變小。我們通過再制造舊的工具，滿足客戶對裸晶圓檢測、邊緣檢測、寬帶和激光散射方式的晶圓檢查、薄膜計量和重疊度計量“。

但是，基于壓電MEMS麥克風和揚聲器是新的市場。所以有很多的傳感器用于汽車，物聯網，IIoT和醫療電子的，所以是5G。雖然這些被認為是潛在的巨大市場機會，但是對于這種新的業務，商業周期在很大程度上是猜測。因此，一個晶圓廠可以在設備上投資多少，以在規定的時間期限內獲得合理的投資回報是不明確的。

“如果你看一下5G，基站需要高功率，因為5G采用的高頻信號，不能被遠遠拋出，因為它容易被吸收，所以你需要調到最高功率，”Rosa說道，“這意味著新的放大器，新天線和一大堆的中繼器。而這些都是在200毫米或以下步驟進行。”

事實上，使用200mm工藝制造的芯片覆蓋幾乎所有市場。“支持200毫米和以下的令人興奮的部分就是市場和產品的多樣性，”TEL的Kaminaga說道，“需求可以來自任何地方，當你要支持汽車，物聯網，傳感器，過濾器，光電子，光電，分立器件，模擬。我們懷疑這是一個很大的內部的中國市場，以及一些物聯網設備，甚至汽車和工業設備。在我們的日常生活中廣泛使用的電子產品將繼續推動200mm及以下的設備生產的產品需求。公司尋找新的半導體設備市場和應用，舊的技術創造新的生活。”

包裝及材料的變化
先進的封裝和不同的材料也應有助于200mm設備的需求。

在封裝前，系統級封裝和fan-outs帶來在不同的工藝節點的IP開發的能力。這是理想的模擬的IP，因為模擬電路受益的方式和數字邏輯不同，如電源和SerDes。

“先進封裝不遵循經典的節點演變，過程沒有在FEOL規范，” KLA的Odisho說道，“先進封裝技術變革仍在加速新材料的使用。流程繼續，同時工藝窗口會減少。同時，封裝設計在很大程度上與節點無關。所以封裝代表一個單獨的維度，添加性能或控制成本。比起設備關鍵尺寸，先進封裝更是一個設備類型的函數“。

因此，先進封裝越流行，200mm設備需求越上升。

“先進封裝肯定會增加在28納米及以上的處理能力，”Lam公司的Patton說道，“我們預計其增長將進一步提高我們舊節點系統的需求。”

KLA也借用其前端群體，包括舊節點技術和平臺系統，并使用它們在先進封裝工藝控制。“我們必須考慮幾個因素，” Odisho說道，“前端晶圓設備進入先進封裝時,基材厚度，基材翹曲，臨時載體類型，和目標臨界尺寸都是要考慮的因素。在許多情況下，先進封裝必須使用專業晶圓處理和夾緊系統，以及一些后端特定的軟件和算法的特點”。

先進封裝--有時在同一封裝，有時不是—在200mm上開發多種不同的材料和基底。

“大功率開關和感應電源水平的碳化硅有所增加，”應用材料公司的Rosa說道，“有BiCMOS工藝的電源管理。壓電材料被用于ADAS超聲波探測器（高級駕駛輔助系統）。已經有很多關于SiGe雷達的的預測，但是這是相同的技術，比如無線局域網，SiGe BiCMOS，因此可能不會有巨大的增長。但是，激光雷達將很大。汽車企業希望利用激光與振蕩鏡或相位陣列激光雷達等技術之一，將激光雷達的價格推至30美金以下。我們還關注到氮化鎵高功率開關。”

碳化硅增加了自己的一系列問題，因為與硅不同，材料是半透明的。這使得舊設備難以檢測晶片的邊緣。

“你必須升級激光器才能處理晶片，”Rosa說道，“沉積基本上是相同的，但對于刻蝕你還需要新的離子沉積工藝。氮化鎵需要不同的工藝，目前在200mm沒有MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）“。

設備供應商的商業模式轉變
設備供應商應該如何應對這個市場還不是很清楚，事實上方法很多。

“雖然我們最新的系統肯定比舊系統更先進，但如果可行的話，我們會繼續適應當舊系統的新功能，” Lam的Patton說道，“我們也繼續保持我們為舊節點制造新系統的能力，并為具有經濟效益的應用的翻新部件提供系統。我們也有能力提供全面翻新的系統，而且我們將繼續大力投入舊的解決方案-在某些情況下，將舊設備（如我們的2300控制系統）的新技術重新利用在舊設備上。”

KLA也是如此。“較新的設備采用最新的操作系統和硬件，以實現最高吞吐量，計算密集型算法和領先的性能，” Odisho說道，“對于較舊的型號，KLA-Tencor的KT Pro部門投資了一個工程團隊，其宗旨是積極為舊系統實現更新的技術提供解決方案。新的操作系統，固態激光器和更新計算機平臺，具有更新的芯片組和算法可以加速吞吐量，提高性能和延長舊系統的使用壽命。”

然而，為了配合KLA-Tencor通過翻新，再制造和升級延長檢測和計量設備生命周期的前端戰略，先進封裝部門也設計出具有長壽命的產品。先進的封裝檢測和計量系統旨在可擴展性和可升級性，為客戶在快速創新的環境中提供最佳的投資回報率，” Odisho說道。

結論
幾乎普遍認為，為今后幾年，舊節點將在許多設備發揮更大的作用。

“原因有很多，總體經濟（設計成本與硅成本），經過驗證的設計支持和上市時間，以及制造和和產量的可預測性，”UMC的Ng說道，“從設計和制造的角度出發，大多數領先的邊緣節點的成本大幅上漲，以及驅動產量所花費的成本，迫使客戶更仔細地考慮終端應用的適當節點。對于大多數應用程序，除非您必須具有最高級別的性能，否則可能沒有一個令人信服的業務案例來關注邊緣的節點。“

但是，對于設備供應商來說，弄清楚什么是翻新和升級，以及如何獨自離開，是一個相當模糊的決定。“在支持舊設備平臺方面存在挑戰，” Kaminaga說道，“TEL為幾代設備提供經過認證的翻新工具，但升級最舊的機型有一定的局限性。任何新的硬件改進開發涉及到工廠的資源和時間。我們面臨的挑戰是在為客戶帶來最大價值并具有市場需求的平臺上進行相應的修改。”

在新設備方面并不清楚。“200mm及以下的設備的需求仍然非常強勁，而缺乏可行的內核已對IDM的購買偏好有影響，”他說道，“但這種新工具生產的復蘇對價格優惠有很強的要求。

誰贏了這個市場，就贏得了什么策略，到目前為止并不明顯，明顯的是，200mm將是未來幾年熱烈爭議的競技場，這是大多數專家預測的引進300mm設備的根本變化。

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