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8英寸晶圓30年
來源:《半導體行業觀察》 | 作者:chnchip | 發布時間: 2020-11-23 | 454 次瀏覽 | 分享到:
      近來,多家媒體報道,晶圓代工產能供不應求,以臺積電為首的代工廠第四季訂單全滿,然而車用芯片訂單近期大幅釋出并尋求晶圓代工廠支援,導致產能吃緊情況更為嚴重,后段封測廠同樣出現訂單塞車排隊情況。

      尤其是8(200mm)英寸晶圓,受新冠疫情影響,全球在家辦公、在線教育增多,筆記本電腦、平板類產品需求增長,從而拉動驅動IC及其他半導體產品需求增長,再加上華為在禁令生效前大舉拉貨,代工廠協商產能,中小企業訂單延后。在多重因素疊加的形勢下,全球8英寸晶圓產能十分緊張。

      然而與這種火熱程度不匹配的是,近年來,8英寸晶圓廠和產線數量的正在逐漸下滑,看起來像是要慢慢凋零,12英寸(300mm)晶圓廠的擴張及高端工藝制程的突破更是為此提供了強有力的佐證。

12英寸晶圓廠擴張情況 (左軸:設備支出;2020~2023 為預測值) 
 資料來源:AnySilicon,國盛證券研究所

      這其中涉及到哪些因素?30年來,8英寸晶圓廠到底經歷了怎樣的變化?都值得我們深究。

8英寸晶圓的30年


      眾所周知,在摩爾定律驅動下,芯片晶圓尺寸由 6英寸→8英寸→12英寸演變。晶圓面積越大,所能生產的芯片就越多,即降低成本又提高良率。但相比于12英寸晶圓,8 英寸固定成本低、達到成本效益生產量要求較低、技術成熟等特點被應用于功率器件、MEMS、電源管理芯片等特色工藝芯片的制作,與 12英寸形成互補。

晶圓尺寸發展歷史  來源:《矽龍:臺灣半導體產業的傳奇》

      8英寸的生產業者通常為IDM和Foundry。傳統IC市場可以分成領先優勢和成熟產品兩類,對應12英寸與8英寸生產線各占半壁江山。在前者,芯片制造商通常以16nm/14nm制程標準,在12英寸晶圓廠生產芯片,但并非所有芯片都需求高級節點,模擬芯片、MEMS傳感器、MCU等芯片可以在8英寸及以下更小晶圓廠所生產。

      1990年IBM聯合西門子建立第一個8寸晶圓廠之后,一度成為業內先進標準,8寸晶圓廠迅速增加,1995 年即達到70座,在2007年達到頂峰——200座,產能也達到560萬片/月的歷史高點。之后全球金融危機爆發,全球8英寸產線產能的持續擴充才告一段落。

全球8寸晶圓廠產能合計及晶圓廠數目 數據來源:SEMI

      金融危機來臨后,8英寸晶圓廠數目及產能快速收縮,雖然2009年整體產能有所恢復,但受12英寸晶圓廠產能快速釋放的擠壓,8英寸產能并未恢復到前期高點且在2010-2014年整體產能也未發生明顯改變。到2015年時僅剩 178 條。

      2015年是8英寸晶圓廠重新爆發的元年。隨著物聯網體系逐漸成熟鋪開,隨處可見的智能產品不僅帶來了MCU的需求,而且帶來了電源芯片、指紋識別產品的增長,同時工業、汽車電子應用需求也大幅攀升,這些產品恰好也對應8英寸晶圓廠做對應的領域,8英寸產品線供需出現逆轉。

      根據Semico Research的數據觀點,這一供求現象在2015年底出現顯著變化,在以往被認為成熟和落后制程的8英寸晶圓線產品的訂單需求不斷增加,這些芯片可以在較舊的8英寸晶圓廠中生產,但因為沒有對8英寸晶圓廠的持續投資,芯片制造商的產能已經不能滿足需求。于是,從2016年到2018年,8英寸晶圓廠產能已售罄。

      另外,在2010~2016年間,約超過20座6英寸晶圓廠關閉,如分立器件、功率器件、MEMS、模擬芯片等產品需求切換至8英寸晶圓,額外的加重了8英寸產能的負擔。

      饒是如此,鑒于8 寸晶圓廠由于運行時間過長,設備老舊,同時12寸晶圓廠資本支出規模巨大,部分廠商仍然在這些年中逐漸關閉了8寸晶圓廠,設備廠商也停止生產8寸設備。目前 8 寸設備主要來自二手市場,多來來自從8英寸向12英寸升級的內存廠商,如三星和海力士,目前舊設備市場資源逐漸枯竭,因此2014年后8寸晶圓設備較為緊缺,其中蝕刻機、光刻機、測量設備最難獲得。

全球晶圓制造設備資本支出 數據來源:SEMI

      根據智研咨詢發布的資料顯示,以中國半導體市場為例,除了中芯國際,華虹在起步階段購買不少新設備之外,其余的大部分廠都是以二手設備為主。如和艦在建造第一條生產線時除了光刻機從Nikon購買有限幾臺之外,其余設備包括CMP、刻蝕及測量設備大部分從美國LSILogic購買。臺積電松江廠也是首先從臺灣轉移舊設備至大陸,然后適當補充部分設備,包括新及舊設備。

      以2013年為例,當時全球半導體二手設備市場占整個設備市場的比例約為6%左右。具體從二手設備的構成來看,8英寸晶圓廠是二手設備需求的主要來源,8英寸晶圓廠占整個二手設備采購比例約為53%,該數值在2014年達到81%。

二手設備是8寸晶圓廠設備投資中的主力 數據來源:SEMI

      面對中下游旺盛的需求,盡管各8英寸晶圓廠商擴產意愿較為強烈,但由于市場中新關閉的8英寸晶圓廠十分有限,因此二手設備市場供給量下滑態勢并未得到改觀,根據調查數據統計,當前二手設備市場庫存量較2017年并未有明顯變化。

      因此,2018、2019年開始出現8英寸晶圓產能緊缺的情況,主要是手機多攝像頭、指紋等帶動CMOS圖像傳感器、指紋識別芯片等需求提升。到2020年,5G手機、汽車、物聯網等滲透率快速提升,使得功率、電源管理、功率器件等需求大增,再加上“疫情”驅動在家辦公、在線教育等需求增加,使得筆記本、平板等電子產品需求增長,從而拉動驅動IC芯片、分離式元件及其他半導體元件需求增長。

      當然更深入的原因是,8英寸轉向12英寸生產線并不容易。12英寸晶圓廠進入門檻高,參與廠家數量較少,此前中芯國際建立上海12英寸晶圓廠投資金額數量可知,12英寸晶圓廠要求代工企業廠房潔凈室清潔度及設備的設計精密度要求很高,初期投資及后續研發投入巨大,百億美元方能達到有效競爭水平,因此,盡管12英寸晶圓市場高速增長,但直接參與競爭的企業數量少。

      代表先進制程的12英寸晶圓廠主要面對產品是精密制程的電子產品,留給65nm及以上制程的空間并不多,因為12英寸廠的投資金額巨大也導致同樣產品代工費用的高昂,而成本的大幅提升,這是對價格敏感的成熟制程產品所不希望看到的。同時,產品制程尺寸的減少,會導致漏電量的增加,因此電源電池類應用制程通常會選擇8英寸產品,其他例如MEMS感應器、LED照明等產品線上,8英寸的相對優勢也較大。

8英寸晶圓強勢回歸


      然而,對晶圓廠來說,擴建或者新建8英寸晶圓廠也非易事。

      首先是設備難尋,正如前文所言,大部分8英寸設備通過二手購入,如今越來越稀少。此外,8英寸設備的工藝分界線原來在90nm,現階段已經上移至65nm等,導致8英寸生產線的投資金額大幅上升。

      瑕不掩瑜,8英寸晶圓產業鏈的上中下游都呈現出滿載狀態。有限的供給和旺盛的多元化需求,大大提高行業的價值鏈變化,讓市場開始重新審視8英寸晶圓線的投資與價值。

      目前已有不少廠商開始擴建8英寸晶圓廠或擴充產能。

      具體到今年來看,不久前,外媒報道,針對8英寸產能供不應求的局面,全球排名第二的晶圓代工廠三星電子正考慮針對旗下的8英寸晶圓廠進行自動化擴建投資,以提高生產效率。

      三星不是個例,近幾年,包括臺積電、聯電、世界先進、中芯國際和華虹半導體在內的廠商,都在想各種辦法擴充8英寸晶圓代工產能。

      臺積電于2018年12月宣布在臺南廠區新建8英寸晶圓廠。這是2003年在上海松江8英寸廠成立后,臺積電15年來第一次新建8英寸廠。一直以來,臺積電將一些8英寸產能外包給了世界先進。

      在2019年,格羅方德宣布將購買紐約州馬爾他鎮的一處土地用作建設先進的8英寸晶圓廠,以應未來成長需求。

      最近幾年,聯電在大陸的產能擴充動作頻頻,特別是位于蘇州的8英寸廠和艦,接單越來越多,據悉,和艦月產能已從前年的6.4萬片,去年底達到7.7萬片。日前,外媒指出,援引市場消息人士的透露報道稱,聯電在考慮收購閑置且成熟的8英寸晶圓廠。在報道中,外媒提到的聯華電子高管,現任聯席總裁簡山傑透露聯華電子正在尋求收購閑置且成熟的8英寸晶圓廠。

      看向國內大陸地區,中芯國際也表示,受惠于訂單強勁,預計在今年內于天津、上海、深圳三個8英寸晶圓生產基地增加3萬片/月的產能。在12寸晶圓方面,中芯國際預計增加2萬片/月產能。

      華虹半導體擁有3座8英寸晶圓廠,2019年月產能由17.4萬片增至20.1萬片8英寸等值晶圓,產能利用率為91.2%。2020年市場需求好于預期,華虹半導體8英寸產能利用率已到達100%,12英寸產能利用率不斷上升。

      SEMI報告稱,新工廠8英寸的產能中,37%將專用于替換工廠,24%專用于內存,17%專用于微處理器。物聯網是未來的8英寸容量需求市場。

      除了物聯網,自動駕駛也將是傳感器的一個重要應用。自驅動不僅推動了對傳感器的需求,也推動了對功率半導體的需求,這將推動8英寸晶圓產能的消耗。

      未來,包括IGBT和場效應晶體管在內的功率半導體的使用將大大增加。這將推動8英寸晶圓的市場需求。此外,NOR Flash存儲器也是消耗8英寸生產能力的方向之一。目前大部分內存市場具有12英寸芯片生產能力,部分NOR Flash主要使用8英寸芯片。

18英寸晶圓去哪了?


      在30 年后的今天,8英寸晶圓市場展現出越來越火熱的趨勢,這與不斷追求先進工藝的半導體市場似乎不太符合。按照一貫的流程,目前早已是12英寸晶圓的天下,而18(450mm)英寸晶圓也應該開始量產了。

      畢竟在幾年前,包括 G450C(英特爾、臺積電、Globalfoundries、IBM、三星以及美國紐約州立大學理工學院的研發專案 Global 450 Consortium )成員在內的主要芯片廠商都積極推動 18英寸晶圓設備能最快在2018年就能于晶圓廠裝機。

      但事實上,該組織已經在2016年底悄悄地逐漸停止運作,成員廠商的結論是目前的時機不適合邁入可選擇的第二階段計劃。短短幾年前還在半導體產業界被熱烈討論的 18 英寸晶圓,目前似乎已經失去了背后的推動力,至少在目前看來如此。

      “18英寸晶圓議題可能會繼續沉寂 5~10 年;”市場研究機構 VLSI Research 的執行長暨資深半導體設備分析師 G. Dan Hutcheson 表示:“也許它會起死回生,端看半導體設備業者是否會達成共識。”

      有從業者認為,這是18英寸晶圓產線發展上遇到了資金和技術的雙重壓力,導致晶圓廠向18英寸產線轉進的速度急劇放緩,半導體公司紛紛轉向努力增加12英寸和8英寸晶圓線的利用率。

      雖然18 寸晶圓世代是半導體產業一定要驅動的方向,但當中面臨的技術障礙比預期高,可能導致量產時程延后,目前全球有能力進入 18英寸晶圓世代的半導體廠很少。

      同時,半導體廠要降低生產成本可透過制程微縮或增加晶圓尺寸,由于制程微縮已見瓶頸,尤其10納米以下難度大增,目前似乎只有增加晶圓尺寸來擴大產出,進而降低成本,盡管從12英寸轉至18英寸晶圓面積可多出 1.25 倍,但因為投入研發和蓋廠費用飆升,估計一座12英寸廠成本約 25 億美元,但 18英寸廠要 100 億美元起跳,讓廠商躊躇不前。

      當然,一些半導體大廠如英特爾曾宣布投資 41 億美元,入股最關鍵的微影設備大廠 ASML ,第一階段的研發重點是 450mm Lithography 技術,將分 5 年投入 6.8 億美元,加上普通股投資約 21 億美元取得 10%股權,而第二階段則是 EUV Lithography 技術開發,同樣也分為 5 年,約投入 10.2 億美元做技術研發,另外投資 10 億美元取得 5%股權。臺積電、三星電子對 ASML 也有類似的策略性投資。

總結


      8英寸晶圓的再度火熱似乎給半導體行業帶來了一個重新審視工藝的機會,畢竟靠此賺的盆滿缽滿的聯電在成熟制程方面賭贏了一把。

      總體來說,雖然追逐先進制程是永恒的主題,但是老瓶裝新酒的8英寸晶圓廠依然有巨大的潛力可挖。


源文地址:http://www.semiinsights.com/s/electronic_components/23/40950.shtml


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