Логотип Зефирнет

Дефицит 200 мм может сохраняться годами

Дата:

Всплеск спроса на чипы на более зрелых технологических узлах вызывает нехватку как 200-миллиметровых литейных мощностей, так и 200-миллиметрового оборудования, и не собирается сдаваться. На самом деле, даже с вводом новых мощностей в этом году дефицит, вероятно, сохранится в течение многих лет, что приведет к росту цен и вызовет значительные изменения в цепочке поставок полупроводников.

Нехватка как 200-мм литейных мощностей, так и оборудования существует уже некоторое время, и ситуация остается проблематичной. Например, по данным Gartner, 200-миллиметровые литейные мощности полностью загружены в первой половине 2022 года. Кроме того, спрос на литейные мощности 200 мм будет по-прежнему превышать предложение, а это означает, что клиентам литейных заводов необходимо будет планировать заранее, чтобы получить достаточно 200-мм мощностей в будущем.

Есть два типа полупроводниковых компаний, которые производят чипы на фабриках. Производители интегрированных устройств (IDM) разрабатывают микросхемы под собственными торговыми марками и производят их на собственных фабриках. Тем временем литейные заводы производят чипы для других компаний на своих собственных фабриках. И IDM, и литейные цеха имеют фабрики толщиной 200 и/или 300 мм. (200 мм и 300 мм относятся к диаметру кремниевых пластин, которые производятся различными производителями пластин.)

200-мм фабрики существуют с 1990-х годов. Множество производителей чипов управляют 200-миллиметровыми фабриками, и, по последним подсчетам, сегодня их существует более 200. 200-миллиметровые фабрики производят устройства по отработанным технологиям, начиная от 6 мкм и заканчивая 110-нм узлами. Микросхемы, производимые на фабриках размером 200 мм, используются в каждом электронном продукте и включают в себя аналоговые микросхемы, микросхемы дисплеев, микроконтроллеры (MCU), микросхемы управления питанием (PMIC) и радиочастоты.

Некоторые, но не все, эти чипы также могут производиться на более современных 300-мм фабриках. Эти более крупные фабрики обрабатывают устройства с техпроцессом от 90 до 5 нм. (Технологический процесс — это рецепт, используемый для производства данного чипа на заводе. Узел относится к конкретному процессу и его правилам проектирования.)

Тем не менее, IDM и литейные заводы столкнулись с беспрецедентным спросом на чипы на всех узлах. Во время появления Covid-19 в 2020 году страны приняли различные меры для смягчения вспышки, такие как приказы оставаться дома. Многие начали работать дома или ходить в школу удаленно, что привело к ажиотажным покупкам новых компьютеров и телевизоров. Затем, в 2021 году, резко вырос спрос на автомобили, смартфоны и другие товары. Все это вызвало волну дефицита чипов на нескольких рынках.

Ситуация с нехваткой чипов распространилась на первую половину 2022 года. Многие считают, что ситуация со спросом и предложением вернется к относительной норме к середине 2022 года, за исключением некоторых автомобильных чипов, дефицит которых останется в течение всего года. Однако к середине 2022 года у многих производителей микросхем должно быть достаточно 300-миллиметровых производственных мощностей, чтобы удовлетворить спрос.

А вот 200мм это совсем другое. Сегодня несколько компаний строят новые 200-мм заводы. В целом, по данным SEMI, в 200 году отрасль увеличила производительность 300,000-мм фабрики более чем на 2021 5 пластин в месяц, что на 2020% больше, чем в XNUMX году. Этого недостаточно для удовлетворения спроса.

«Мощности 200 мм на литейных заводах распроданы на первую половину 2022 года. Я ожидаю, что нехватка 200-мм мощностей продлится несколько лет, возможно, до 2025 года», — сказал Сэмюэл Ванг, аналитик Gartner. По словам Вана, ситуация немного лучше у IDM, где коэффициент использования производственных мощностей для 200-миллиметровой емкости превышает 80%.

Даже если клиентам литейного производства посчастливится обеспечить достаточную мощность 200 или 300 мм в 2022 году, они столкнутся с другим набором проблем. Ожидается, что в этом году поставщики литейных заводов поднимут цены на пластины диаметром 200 и 300 мм.

Количество 200-миллиметровых полупроводниковых заводов по всему миру

Год Количество заводов
1995 65
2002 186
2016 184
2022 216

Рис. 1: Количество 200-миллиметровых полупроводниковых заводов по всему миру. Источник: СЕМИ

Падение и подъем 200мм
В 1960-х годах, на заре полупроводниковой промышленности, полупроводниковые компании производили относительно простые микросхемы на заводах с использованием простейшего оборудования. В те дни производители чипов строили собственное оборудование.

В начале 1960-х производители чипов обрабатывали устройства на крошечных 20-миллиметровых (0.75-дюймовых) пластинах на этих первых заводах. В течение 30 лет они перешли на фабрики с пластинами большего размера, такими как 30 мм/40 мм, 50 мм, 75 мм, 100 мм, 125 мм и 150 мм.

Переходя к более крупным размерам пластин, поставщики могут производить примерно в 2.2 раза больше кристаллов на пластину, что позволяет им снизить производственные затраты.

Затем, в 1990-х годах, появились 200-мм заводы. В то время стоимость строительства 200-миллиметрового завода составляла от 700 до 1.3 миллиарда долларов. Большой процент стоимости фабрики связан с оборудованием, используемым для производства чипов.

В течение многих лет 200-миллиметровые фабрики считались самыми современными объектами. Затем, начиная с 2000-х годов, многие производители чипов перешли с 200-мм на 300-мм фабрики. Первоначально стоимость строительства 300-миллиметровой фабрики составляла от 2 до 3 миллиардов долларов.

В этот период все еще использовались 200-мм фабрики. Но рынок 200 мм был забыт до 2015 года, когда в отрасли наблюдался всплеск спроса на чипы, основанные на более зрелых процессах. Внезапно уровень загрузки 200-миллиметровых фабрик на литейных заводах достиг 100%. Появился дефицит мощностей.

С 2016 по 2021 год пропускная способность 200 мм была ограничена. «За последние три-четыре года 200-миллиметровые литейные заводы работали почти на 100%, — сказал Ву Ён Хан, менеджер по маркетингу продукции в На инновации. «Они наблюдают значительный рост PMIC, ИС драйверов дисплея и микроконтроллеров».

К концу 2021 года большинство поставщиков литейного производства распродали 200-мм литейные мощности. «Глядя на четвертый квартал, мы ожидаем, что поставки пластин и тенденция ASP останутся устойчивыми. Использование мощностей на 8- и 12-дюймовых объектах будет продолжать оставаться полностью загруженным», — сказал Джейсон Ван, UMC сопредседатель.

Тем не менее, некоторые клиенты литейного производства могут обеспечить достаточную емкость 200 мм для удовлетворения своих требований. Другим не так повезло, особенно автомобильным компаниям. В 2020 году, когда продажи автомобилей резко упали, многие автопроизводители перестали покупать чипы. К 2021 году, когда автомобильный бизнес восстановился, у автопроизводителей не было достаточного количества чипов.

Затем автопроизводители стали бешеными темпами заказывать чипы. Но производителям микросхем не хватало производственных мощностей, что, в свою очередь, вызывало нехватку микросхем в автомобильной и других отраслях. Многие из этих чипов производятся на 200-миллиметровых фабриках.

Ожидается, что в 2022 году спрос будет высоким как на автомобильные, так и на неавтомобильные микросхемы. «Литейные заводы также отмечают высокий спрос на мелкосерийное производство разнообразных устройств, поскольку все больше компаний начинают разрабатывать свои собственные устройства», — сказал Ву из Onto. «Автомобильная промышленность является хорошим примером высокого спроса на мелкосерийное производство различных устройств. Автомобильные компании, такие как Tesla, Ford, GM, Volkswagen и Hyundai, объявили, что начнут разрабатывать свои собственные полупроводниковые чипы, и такая тенденция стимулирует высокий спрос на производство 200-мм пластин».

Помимо 200 мм и 300 мм, также востребованы производственные мощности 100 мм и 150 мм. Многие силовые полупроводники производятся на 150-миллиметровых фабриках, особенно те, которые используют материалы из нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC). Силовые полуфабрикаты GaN и SiC являются популярными рынками.

Стоимость фабрики 200мм
Что касается производства, то несколько поставщиков литейных заводов производят чипы для других на 200-миллиметровых заводах, и каждая компания предлагает разные технологические решения. GlobalFoundries, Hua Hong, Samsung, SK Hynix, SkyWater, SMIC, Tower, TSMC, UMC, Vanguard и X-Fab входят в число поставщиков литейного производства с 200-мм фабриками.

По данным SEMI, в общей сложности в 216 году ожидается ввод в эксплуатацию 200 2022-мм заводов по сравнению со 184 в 2016 году. Что касается общей производственной мощности 200 мм, TSMC является лидером с долей 10% в 2020 году, за ней следуют STMicroelectronics (6%), UMC (6%), Infineon (6%), TI (6%), SMIC (5%). и другие, по данным IC Insights.

Сегодня несколько компаний строят новые 200-мм заводы или добавляют производственные линии к существующим 200-мм предприятиям. «Глядя на новые 200-миллиметровые фабрики, у нас на данный момент есть пять новых 200-миллиметровых фабрик, строительство которых начнется в 2021 и 2022 годах», — сказал Кристиан Дизельдорф, аналитик из SEMI. «Они запланированы Rogue Valley Microdevices, OnMicro Electronics, Infineon и Aosong».

Между тем, ожидается, что на существующих 200-мм фабриках с 17 по 200 год будет запущено около 2021 2024-мм линий. «В 2021 году к ним относятся Cree, CR Microelectronics, SMIC, Rohm, Innoscience и SiEn», — сказал Дизельдорф.

Звучит как много новых 200 мм, но этого недостаточно. «Спрос на устаревшие узлы остается высоким. За пределами Китая просто не хватает 200-мм литейных мощностей», — сказал Ванг из Gartner. «К 3 кварталу 22 года общее предложение 300-мм литейных изделий сравняется со спросом, а герметичность 200-мм сохранится еще много лет».

Очевидно, что заказчикам литейных заводов и IDM требуется больше 200-миллиметровой емкости. И есть несколько способов, которыми производители чипов могут решить эту проблему, в том числе:

  • Построить новые 200-мм заводы.
  • Добавьте новые производственные линии к существующим фабрикам.
  • Переместите часть щепы, производимой на 200-миллиметровых фабриках, на более крупные 300-миллиметровые заводы.

Очевидное решение — строительство новых 200-мм заводов. Несколько компаний расширяют свои 200-мм мощности, но это дорогое предложение. По данным SEMI, стоимость новой 200-миллиметровой фабрики колеблется от 450 миллионов долларов для производства МЭМС до 1.3 миллиарда долларов для завода по производству полуфабрикатов. «Если вы хотите обобщить, я бы сказал, что в среднем новый 200-миллиметровый завод с производительностью 50,000 1 слов в минуту может стоить до XNUMX миллиарда долларов, включая строительство и оборудование», — сказал Дизельдорф из SEMI. «Это зависит от мощности, типа продукта и местоположения».

Даже если вы построите новую емкость 200 мм, чипмейкеры столкнутся с другой проблемой. На рынке трудно найти новое 200-мм оборудование.

Есть еще один вариант. Несколько производителей чипов перемещают некоторые чипы с небольших 200-миллиметровых фабрик на более крупные 300-миллиметровые предприятия. Это работает для некоторых, но не для всех продуктов. И клиенты должны быть готовы платить больше за дорогие 300-мм пластины. «Многие заказчики не видят оправдания окупаемости замены устаревших микросхем на 300-миллиметровые фабрики, — сказал Ван.

Поиск 200-мм оборудования
Как на 200-мм, так и на 300-мм фабриках большая часть стоимости приходится на оборудование. Каждая фабрика состоит из закрытого чистого помещения с различными типами оборудования, такого как системы осаждения, травильные станки, контрольно-метрологическое оборудование и литографические сканеры.

Каждый тип чипа соответствует разному технологическому процессу с использованием этих и других типов оборудования. Во всех случаях важно найти правильное оборудование 200 мм. Неисправная система может вызвать дефекты чипов.

Есть несколько различных организаций, которые продают 200-миллиметровые инструменты, в том числе продавцы оборудования, компании-производители подержанных/восстановленных инструментов, брокеры, аукционисты и онлайн-сайты.

Многие организации пользуются уважением. Но есть также ряд ужасных историй из области, в которых производитель чипов по незнанию покупает подержанный инструмент, который не работает или в котором отсутствуют детали.

Брюс Ким, исполнительный директор SurplusGlobal, сказал, что покупатели нового или подержанного оборудования должны соблюдать несколько простых правил, чтобы избежать каких-либо проблем: 1) Начинайте искать заранее; 2) Работа в авторитетной компании; и 3) Будьте готовы заплатить почти новую цену за подержанный 200-миллиметровый инструмент.

Тем не менее, если вам нужна шестерня 200 мм, первым делом обратитесь к производителю оборудования. Некоторые, но не все поставщики оборудования создают новые 200-мм системы с новейшими функциями.

«Сроки поставки совершенно новых 200-миллиметровых инструментов очень велики, — сказал Ким. «Кроме того, цены на новые инструменты диаметром 200 мм иногда аналогичны ценам на новые инструменты диаметром 300 мм».

Некоторые поставщики оборудования также возьмут бывший в употреблении инструмент, называемый ядром, и восстановят его. Иногда поставщик не может обновить систему, потому что она устарела или непригодна для использования. Также трудно найти запчасти для устаревших инструментов.

Еще одним вариантом является обращение к поставщику подержанного / отремонтированного оборудования. Некоторые везут подержанное снаряжение 200 мм и/или 300 мм. Некоторые даже делают собственное оборудование.

Как правило, трудно найти отремонтированные 200-мм системы всех производителей. По данным SurplusGlobal, поставщика вторичного оборудования, в настоящее время на мировом рынке имеется менее 250 основных инструментов диаметром 200 мм от всех компаний.

«Нам, вероятно, потребуется от 1,500 до 3,000 основных инструментов, чтобы удовлетворить спрос», — сказал Ким. «Инструменты 300 мм на самом деле легче достать. Однако ремонт немного сложнее из-за проблем с цепочкой поставок. Интересно, что все больше и больше 300-мм инструментов переоборудуются в 200-мм системы».

Один из способов разобраться на рынке 200-миллиметрового оборудования — выделить некоторые основные этапы процесса и изучить имеющиеся проблемы с оборудованием. Невозможно перечислить всех поставщиков оборудования, поставляющих инструменты диаметром 200 мм. Выделение нескольких поставщиков, безусловно, подчеркнет проблемы.

Для всех чипов первый шаг происходит у поставщика кремниевых пластин. Используя различное оборудование, эти поставщики производят необработанные кремниевые пластины различных размеров, таких как 150 мм, 200 мм и 300 мм.

Спрос на пластины диаметром 200 мм остается высоким. «Пять крупнейших поставщиков пластин не стремятся к расширению производственных мощностей на 200 мм, поэтому ожидается, что поставки 200-мм пластин останутся ограниченными в 2022 году», — сказал Сунхо Юн, старший менеджер по исследованиям в SEMI.

Между тем, после того, как пластины изготовлены, они отправляются производителю микросхем для обработки на заводе. Для многих логических микросхем первым шагом является нанесение слоя диоксида кремния на пластину, а затем слоя нитрида. В зависимости от применения могут использоваться и другие материалы.

Рис. 2: Основные этапы производства чипов на заводе. Источник: Википедия

Затем пластины вставляются в систему, называемую устройством для нанесения покрытия/проявителем. В этой системе фоторезиста, светочувствительный материал, налитый на пластины.

Затем пластины отправляются в другую систему, называемую литографическим сканером или степпером. При работе пластины и фотошаблон помещаются в литографический инструмент. Фотошаблон представляет собой шаблон заданной конструкции ИС.

Затем сканер/степпер генерирует свет, который проецируется через маску на пластину, создавая крошечные узоры на пластине на основе заданного дизайна.

Для пластин диаметром 200 мм производители микросхем используют системы литографии 365 нм (i-line) или 248 нм. Согласно данным Nikon, система литографии i-line, использующая различные методы, обеспечивает разрешение до 280 нм, в то время как 248 нм составляет около 110 нм.

ASML, Canon и Nikon являются основными поставщиками 200-мм литографических систем. И 200-миллиметровые литографические системы часто являются самыми трудными инструментами для поиска на рынке. «Увеличение спроса на 200-миллиметровое оборудование и нехватка оборудования во всем мире привели к увеличению сроков поставки оборудования, чем обычно, — сказал Дуг Шелтон, менеджер по маркетингу Canon.

Все поставщики литографов продают новые или восстановленные 200-мм инструменты с новейшими функциями. «Canon продолжает производить новые шаговые двигатели и сканеры i-line и DUV, совместимые с 200 мм, и мы работаем над оптимизацией наших производственных мощностей, чтобы удовлетворить рыночный спрос на 200 мм, — сказал Шелтон. «Canon также разработала 200-миллиметровые версии наших сканеров DUV и шаговых двигателей i-line, которые обеспечивают разрешение, наложение и пропускную способность, необходимые для 300-миллиметровых высокопроизводительных вычислительных приложений на 200-миллиметровых подложках».

Canon также обновляет старое 200-мм литографическое оборудование. «Предложение литографических систем-кандидатов, подходящих для ремонта, ограничено и зависит от рыночных цен», — сказал он.

Между тем, после этапа литографии пластина подвергается различным этапам осаждения и травления. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — это распространенный тип инструмента для наплавки, используемый в производстве. В системе CVD пластины вставляются в камеру. Химические вещества поступают в камеру и попадают на пластину, образуя на поверхности нужные материалы.

Производители чипов используют системы травления для удаления этих материалов в нужном месте. Реактивно-ионное травление (RIE), наиболее распространенная система травления, постоянно удаляет материалы в устройствах.

Системы травления и напыления диаметром 200 мм пользуются спросом. «В целом на рынке ощущается значительная нехватка специализированных отремонтированных 200-мм инструментов для удовлетворения спроса на увеличение производительности», — сказал Дэвид Хейнс, управляющий директор по стратегическому маркетингу в Lam Research.

В течение многих лет Lam производит инструменты для напыления и травления диаметром 200 мм. Он также разрабатывает инструменты моста. «Это означает, что мы можем перенастроить 300-мм технологические инструменты для производства 200-мм», — сказал Хейнс. «Учитывая, что наличие стержней диаметром 300 мм лучше, чем специализированных инструментов диаметром 200 мм, это дает нам отличный способ удовлетворить требования наших клиентов. Это обеспечивает им улучшенные технологические возможности и производительность, связанные с более новыми 300-мм платформами».

Аналогичные тенденции наблюдаются и у других поставщиков материалов для осаждения и травления. «Спрос на технологическое оборудование размером ≤200 мм был стабильно высоким и рос в течение последних 10 лет, — сказал Майк Роза, директор по маркетингу Applied Materials. [1] «Можно с уверенностью сказать, что то, что мы наблюдаем сегодня, — это не просто ответ на нехватку микросхем, а продолжение тенденции, начавшейся несколько лет назад».

Как и многие компании, Applied производит новые 200-мм инструменты или модернизирует старые системы. «Для многих технологий мейнфреймов и камер в нашем портфеле продуктов мы уже некоторое время строим либо полностью новые, либо частично новые 200-мм системы», — сказал Роза. «В ответ на растущий спрос на 200-мм системы компания Applied предприняла шаги по значительному расширению своих производственных мощностей в США, а также в регионах, где, как мы ожидаем, сохранится высокий спрос. Поскольку спрос продолжает расти, а доступность 200-мм систем остается сложной, мы также активно работаем с клиентами, которые хотели бы оценить перенос своих процессов на более автоматизированное и крупномасштабное производство 300-мм».

Тем временем в ходе технологического процесса чипы проверяются на наличие дефектов. Для этого производители чипов используют системы проверки пластин, чтобы найти дефекты. Они также используют различное метрологическое оборудование для измерения конструкций.

Поставщики контрольно-метрологического оборудования отмечают огромный спрос на инструменты диаметром 200 мм. «200-миллиметровые фабрики получают солидные заказы от клиентов и работают на полную мощность», — сказал Уилберт Одишо, вице-президент и генеральный менеджер в АОК. «Клиенты запрашивают ускоренные даты доставки оборудования для удовлетворения этой потребности».

Для передовых чипов в 300-миллиметровых фабриках размеры элементов в устройствах крошечные. Так же и дефекты. Производителям микросхем нужны передовые системы контроля/метрологии, чтобы обнаруживать эти крошечные дефекты.

Для сравнения, чипы, произведенные на 200-миллиметровых фабриках, имеют больший размер элементов. Дефекты больше, что облегчает их поиск. Независимо от размера очень важно найти дефекты, особенно чипы для автомобильных приложений. Производители автомобилей хотят, чтобы чипы были без дефектов.

Много лет назад производители чипов могли обходиться более старыми 200-миллиметровыми контрольно-измерительными приборами. Это больше не относится ко многим приложениям. Учитывая сегодняшние требования к дефектам в автомобильной и других областях, многие производители микросхем хотят иметь более мощное 200-миллиметровое контрольно-метрологическое оборудование.

«Помимо ремонта и повторной сертификации ранее принадлежавшего оборудования, KLA перезапустила многие линейки продуктов, чтобы удовлетворить растущий спрос», — сказал Одишо. «Мы удовлетворяем этот спрос, перезапуская зрелое 200-мм оборудование на нашей производственной линии, позволяя системам нового поколения быть совместимыми с 200-мм и предлагая усовершенствования, повышающие пропускную способность и производительность уже используемых систем».

Другие рынки 200-мм оборудования также имеют строгие требования. Возьмем, к примеру, очистку пластин. Во время технологического процесса пластины требуют этапа очистки с использованием инструментов для очистки пластин.

«Для автомобилей это так важно, когда речь идет о требованиях к качеству и воспроизводимости», — сказал Ян Браун, вице-президент по разработке в Screen Semiconductor Solutions. Несколько лет назад компания Screen переработала все свои инструменты для 200 мм, в том числе мокрые столы с одной пластиной.

Заключение
Очевидно, что 200 мм — это динамично развивающийся рынок. Что касается 200-миллиметрового литейного производства, важно отслеживать ситуацию с производственными мощностями. Также важно знать, кто производит 200-мм оборудование.

Но динамика всегда меняется, добавляя проблем в сложном ландшафте.

[1] Майк Роза покинул Applied Materials.

Связанные Истории
Виден конец нехватки чипов?
Некоторые сегменты нормализуются, другие могут быть затронуты до 2022 года.

Нехватка чипов растет для зрелых узлов
Воздействие ощущается во многих отраслях, включая бытовую технику, смартфоны, автомобили и промышленное оборудование.

Дефицит, проблемы охватывают цепочку поставок упаковки
Несмотря на замедление в некоторых областях, дефицит оборудования сохранится и в 2021 году из-за отсутствия оборудования.

Дефицит автомобильных интегральных схем продолжается
Ожидается длительное время выполнения заказов, по крайней мере, до конца этого года, поскольку производители чипов пытаются найти решения.

Источник: https://semiengineering.com/200mm-shortages-may-persist-for-years/

Spot_img

Последняя разведка

Spot_img