市场短缺,半导体设备制造商重启8英寸设备生产

       8英寸晶圆代工产能从2018年起CIS、电源芯片持续紧缺便可见端倪。今年二季度开始多个终端市场需求快速成长以及恐慌性导致供需失配，8英寸产能连连告急，晶圆厂产能利用率基本都在90%以上，联电更是在第二季度达到满载。第三季度产能紧张进一步加剧，华虹半导体、华润微的8英寸线也纷纷满载。在紧张的供求关系推动下，8英寸晶圆价格上涨，据统计，除三星、台积电外，2020年第四季度联电、格芯和世界先进等公司价格提高了约10%~15%，预计2021年涨幅可能接近20%，急单甚至达到40%；韩国媒体报道，韩国东部决定将在2021年将合同价格至少提高10%，最高20%，SK海力士和三星也计划跟进涨价。台积电则在近日取消了12英寸的部分折扣。
       产能吃紧，过去五年8英寸逆势再次成为行业焦点
       多年来，芯片制造一直在提升标准晶圆的尺寸，因为更大的晶圆尺寸可以减少浪费，而且还可以提高晶圆代工厂的日产量，而且向更大尺寸的晶圆迁移，每片晶圆上芯片的数量可以提升2.2倍，从而降低制造成本。在1990年代，领先的制造商开始从6英寸迁移到8英寸，当时建造8英寸厂的成本约为7亿至13亿美元，大部分用于半导体设备，包括蚀刻、沉积和光刻系统等。1995年时，全球共有65座8英寸厂投入运营，到2002年，增长至186座。
       2000年开始，芯片制造再次向12英寸迁移，最初建造12英寸厂的成本约为20亿至30亿美元。在此过程中，8英寸厂并没有完全消失，相反大量芯片制造商仍在继续使用，甚至到今天还有一些6英寸、4英寸厂。

      
       尽管如此，到2015年8英寸产能随着模拟、射频、MEMS等芯片需求激增而紧缺前，它已经不是行业关注的焦点。随后到从2015年至2019年间，8英寸产能一直处于供不应求的状态，设计厂商一直希望代工厂能扩产，但是此前大多数半导体设备厂商停止生产，市场上没有足够的8英寸设备可用，大多数是二手设备。今年疫情之后，产能的情形短缺愈演愈烈。8英寸晶圆逆势再次回到代工行业舞台中心。
       根据SEMI今年11月份发布的全球晶圆预测报告，到2020年底8英寸晶圆生产线数量将恢复至191条，预计到2021年底持续增加到202条，超过历史最高值。国信证券分析师指出，2019年至2022年，全球8英寸晶圆产能将增加700千片/月，增幅为14%，年均增速约为4.5%。我国8英寸晶圆线已实现量产的产线共有19条，对应产能约为225千片/月；在建10条，规划4条，在建及规划项目对应月产能约为372千片/月（占据未来两年主要增量700千片/月比例的53%左右）。
       另一个衡量方式是晶圆厂的产能，以每月晶圆片数量（wpm）衡量。SEMI指出从2019年到2021年，wpm每年约以3%到4%的速度稳定增长，到2021年8英寸芯增产能将达到22万wpm，总产能预计将达到640万wpm。
       VLSI研究部总裁RistoPuhakka指出，今年的情况比较特殊，不仅对8英寸产能需求激增，对电源、CMOS、射频等产品的需求也大大提升。但是比如TI、NXP这样的IDM或者模拟芯片制造商，由于疫情对工业、汽车和电力等市场的冲击，他们的2020年是非常艰难的。纯晶圆代工厂则是另一个极端。尽管IDM逐渐恢复景气，但在成熟工艺制程需求的推动下，大多数代工厂将在明年继续面对8英寸产能的强劲需求。不过他们仍将面临着8英寸设备短缺的局面。
       联电业务发展副总裁WalterNg指出，8英寸产能的需求曾经是周期性的，但在过去几年里发生了变化，8英寸的需求一直处于高位。8英寸上生产的许多芯片都是生命周期很长的产品，也将在很长时间内继续使用成熟制程。同时还有许多新产品被开发出来，也希望能利用8英寸节点的技术和成本优势。这催生了8英寸晶圆的新范式，在可预见的未来，供不应求的状态将持续存在。
       半导体设备供应商也作出了类似预测。KLA旗下公司SPTSTechnologies的执行副总裁兼总经理DavidButler表示，对SPTS的8英寸晶圆加工设备的前景非常乐观，就像过去5年左右一样。“在我们自己的统计数据中，较小晶圆市场的强劲表现非常明显。从2010年到2015年，8英寸或更小尺寸产品的销售额占比有所下降，与12英寸产品占比接近对半开。然而过去5年发生了逆转，8英寸及更小尺寸设备的销售占比再次回到2010年的水平。”该公司主提供蚀刻、PCD、CVD和热晶圆制程解决方案。2014年被奥宝（Orbotech）并购，后者于2018年被KLA收购。
       12英寸晶圆制造的情况相对好一点，供应商比较少，能更精确地控制产能，保持供需平衡。“台积电就很清楚客户需求，并精准控制着产能。这样紧密的关系在供需变化时更容易保持平衡，因此12英寸晶圆不会面临供应受限的问题。有可能出现季节性短缺或微小波折，但都浮于表面。”MalcolmPenn解释，与8英寸晶圆不同，当12英寸市场需要更多产能时，只需平衡新增产能和需求的关系，这在8英寸晶圆上是做不到的。“以台积电为例，他们会在扩产之前要求客户承诺，这样他们在建厂之前就已经落实销售渠道，永远不会过度供应，也不会有严重的短缺。偶尔会有小波折，因为需求总是即时的，而供应需两年准备。”
       市场短缺，半导体设备制造商重启8英寸设备生产
       随着8英寸需求爆发，产能却跟不上，究其原因，8英寸所需设备短缺是一个重要原因。由于多数8英寸晶圆代工建厂时间较早，运行时间大多长达10年以上，部分设备太老旧或者难以修复，同时，由于当前12英寸晶圆代工厂资本支出规模巨大，部分厂商停止了8英寸晶圆产线，使得相关设备供应商缺乏研发和生产相关设备的积极性。
       MalcolmPenn表示，对半导体设备公司来说更愿意出售12英寸设备，因为它们价格更高，公司能进账更多，8英寸设备不再那么有吸引力。因供应有限，业内很早就开始从已关闭的工厂购买二手设备，但最终二手设备也售罄，所有资源都已经被高效利用，也没有二手设备可购入，8英寸的产能就很难提升上去。
       通常购买8英寸设备有几个途径，包括半导体设备制造商的新设备，以及翻新了核心系统的二手设备；二手市场或二手设备公司收购后自行翻新再出售，有些甚至建立了自己的品牌。此外一些中间商和在线购物平台（例如eBay）出售二手设备，部分芯片制造商也在公开市场上出售。
       尽管如此，8英寸设备变得越来越紧俏，已经呈现出逐渐枯竭的态势，其中，蚀刻机、光刻机、测量设备最为抢手。一方面，市场上缺少可用的旧设备。二手设备供应商SurplusGlobal就曾表示，今年早些时候，行业需要2000至3000多个新的或翻新的8英寸设备或核心部件来满足8英寸晶圆厂的需求，但可用的不到500个。在8英寸产能需求激增的情况下，可用二手设备更少了。
       在市场短缺的情况下，不能再像以前一样购买廉价的二手设备，有时晶圆厂只能直接向设备制造商购买价格相对昂贵的新设备，包括应用材料，LamResearch，TEL，Kokusai，ASMI，ASML等等。不过好消息是一些半导体设备制造商又开始生产8英寸设备。据VLSIResearch统计，2020年预计8英寸WFE市场反弹并增长6％至7％，明年也将保持同等规模的增长。
       比如光刻系统是最难买的8英寸设备之一，佳能现在将继续开发8英寸及更小尺寸晶圆的新型i-line和248nm光刻系统，尼康也同时提供翻新和新的365nm和248nm光刻系统。几家8英寸沉积和蚀刻设备供应商也在制造和销售新设备，比如LamResearch虽然一直在积极地回收核心集团以提供翻新设备，但同时也在生产新的8英寸沉积，蚀刻和单片式清洗设备。检测与量测设备供应商KLA不仅提供翻新的8英寸设备组合，也在重启部分型号新设备的生产。
       挑战也是存在的。SPTS的Butler指出，通常现在生产8英寸设备已没有特别的，供应链已经成熟且稳定，测量系统很容易购买。挑战在于8英寸设备所支持的是各种各样的产品市场，每个市场都有非常不同的技术需求。他举例说，例如RF滤波器的压电薄膜，电源器件的GaN层，低于200°C时MEMS的高击穿电介质沉积等所需的均匀厚度和应力控制等参数都是不同的。
       因此，尽管人们认为8英寸芯片制造要求很简单，实际上有时是很复杂的，代工厂也希望设备能具备更精确的工艺能力和更高的生产效率。
       另一个有意思的话题是，市场火爆局面下是否会有部分芯片制造产线从12英寸返回到8英寸？MalcolmPenn认为答案是否定的。他指出，当市场从8英寸走向12英寸时，技术革新就全面停止了。所有技术进步都是基于12英寸晶圆，8英寸晶圆卡在了技术天花板上，使用的技术与10到20年前无异。“这对MEMS、模拟器和功率器件来说是好事，因为这些领域一般发展得比逻辑和存储慢，它们不需要太先进的工艺。”他表示，“正如在使用化合材料之前，150nm和180nm对于功率半导体来说也是足够的，当然化合物之后又是另一番景象了。”