8英寸晶圓代工產(chǎn)能 從2018年起CIS、電源芯片持續(xù)緊缺便可見端倪。今年二季度開始多個(gè)終端市場(chǎng)需求快速成長(zhǎng)以及恐慌性導(dǎo)致供需失配，8英寸產(chǎn)能連連告急，晶圓廠產(chǎn)能利用率基本都在90%以上，聯(lián)電更是在第二季度達(dá)到滿載。第三季度產(chǎn)能緊張進(jìn)一步加劇，華虹半導(dǎo)體、華潤(rùn)微的8英寸線也紛紛滿載。在緊張的供求關(guān)系推動(dòng)下，8英寸晶圓價(jià)格上漲，據(jù)統(tǒng)計(jì)，除三星、臺(tái)積電外，2020年第四季度聯(lián)電、格芯和世界先進(jìn)等公司價(jià)格提高了約10%~15%， 預(yù)計(jì)2021年漲幅可能接近20%，急單甚至達(dá)到40%；韓國(guó)媒體報(bào)道，韓國(guó)東部決定將在2021年將合同價(jià)格至少提高10%，最高20%，SK海力士和三星也計(jì)劃跟進(jìn)漲價(jià)。臺(tái)積電則在近日取消了12英寸的部分折扣。

產(chǎn)能吃緊，過去五年8英寸逆勢(shì)再次成為行業(yè)焦點(diǎn)

多年來，芯片制造一直在提升標(biāo)準(zhǔn)晶圓的尺寸，因?yàn)楦蟮木A尺寸可以減少浪費(fèi)，而且還可以提高晶圓代工廠的日產(chǎn)量，而且向更大尺寸的晶圓遷移，每片晶圓上芯片的數(shù)量可以提升2.2倍，從而降低制造成本。在1990年代，領(lǐng)先的制造商開始從6英寸遷移到8英寸，當(dāng)時(shí)建造8英寸廠的成本約為7億至13億美元，大部分用于半導(dǎo)體設(shè)備，包括蝕刻、沉積和光刻系統(tǒng)等。1995年時(shí)，全球共有65座8英寸廠投入運(yùn)營(yíng)，到2002年，增長(zhǎng)至186座。

2000年開始，芯片制造再次向12英寸遷移，最初建造12英寸廠的成本約為20億至30億美元。在此過程中，8英寸廠并沒有完全消失，相反大量芯片制造商仍在繼續(xù)使用，甚至到今天還有一些6英寸、4英寸廠。

盡管如此，到2015年8英寸產(chǎn)能隨著模擬、射頻、MEMS等芯片需求激增而緊缺前，它已經(jīng)不是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。隨后到從2015年至2019年間，8英寸產(chǎn)能一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，設(shè)計(jì)廠商一直希望代工廠能擴(kuò)產(chǎn)，但是此前大多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備廠商停止生產(chǎn)，市場(chǎng)上沒有足夠的8英寸設(shè)備可用，大多數(shù)是二手設(shè)備。今年疫情之后，產(chǎn)能的情形短缺愈演愈烈。8英寸晶圓逆勢(shì)再次回到代工行業(yè)舞臺(tái)中心。

根據(jù)SEMI今年11月份發(fā)布的全球晶圓預(yù)測(cè)報(bào)告，到2020年底8英寸晶圓生產(chǎn)線數(shù)量將恢復(fù)至191條，預(yù)計(jì)到2021年底持續(xù)增加到202條，超過歷史最高值。國(guó)信證券分析師指出，2019年至2022年，全球8英寸晶圓產(chǎn)能將增加700千片/月，增幅為14%，年均增速約為4.5%。我國(guó)8英寸晶圓線已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)線共有19條，對(duì)應(yīng)產(chǎn)能約為225千片/月；在建10條，規(guī)劃4條，在建及規(guī)劃項(xiàng)目對(duì)應(yīng)月產(chǎn)能約為372千片/月（占據(jù)未來兩年主要增量700千片/月比例的53%左右）。

另一個(gè)衡量方式是晶圓廠的產(chǎn)能，以每月晶圓片數(shù)量（wpm）衡量。SEMI指出從2019年到2021年，wpm每年約以3%到4%的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，到2021年8英寸芯增產(chǎn)能將達(dá)到22萬wpm，總產(chǎn)能預(yù)計(jì)將達(dá)到640萬wpm。

VLSI研究部總裁Risto Puhakka指出，今年的情況比較特殊，不僅對(duì)8英寸產(chǎn)能需求激增，對(duì)電源、CMOS、射頻等產(chǎn)品的需求也大大提升。但是比如TI、NXP這樣的IDM或者模擬芯片制造商，由于疫情對(duì)工業(yè)、汽車和電力等市場(chǎng)的沖擊，他們的2020年是非常艱難的。純晶圓代工廠則是另一個(gè)極端。盡管IDM逐漸恢復(fù)景氣，但在成熟工藝制程需求的推動(dòng)下，大多數(shù)代工廠將在明年繼續(xù)面對(duì)8英寸產(chǎn)能的強(qiáng)勁需求。不過他們?nèi)詫⒚媾R著8英寸設(shè)備短缺的局面。

聯(lián)電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Walter Ng指出，8英寸產(chǎn)能的需求曾經(jīng)是周期性的，但在過去幾年里發(fā)生了變化，8英寸的需求一直處于高位。8英寸上生產(chǎn)的許多芯片都是生命周期很長(zhǎng)的產(chǎn)品，也將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用成熟制程。同時(shí)還有許多新產(chǎn)品被開發(fā)出來，也希望能利用8英寸節(jié)點(diǎn)的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)。這催生了8英寸晶圓的新范式，在可預(yù)見的未來，供不應(yīng)求的狀態(tài)將持續(xù)存在。

半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商也作出了類似預(yù)測(cè)。KLA旗下公司SPTS Technologies的執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理David Butler表示，對(duì)SPTS的8英寸晶圓加工設(shè)備的前景非常樂觀，就像過去5年左右一樣。“在我們自己的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，較小晶圓市場(chǎng)的強(qiáng)勁表現(xiàn)非常明顯。從2010年到2015年，8英寸或更小尺寸產(chǎn)品的銷售額占比有所下降，與12英寸產(chǎn)品占比接近對(duì)半開。然而過去5年發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，8英寸及更小尺寸設(shè)備的銷售占比再次回到2010年的水平。”該公司主提供蝕刻、PCD、CVD和熱晶圓制程解決方案。2014年被奧寶（Orbotech）并購，后者于2018年被KLA收購。

Gartner分析師Samuel Wang表示，預(yù)計(jì)所有臺(tái)灣代工廠的8英寸產(chǎn)能緊張狀況將持續(xù)到至少2021年第二季度末，而且全年產(chǎn)能利用率將維持高水平。為此一些代工廠開始漲價(jià)。他指出，代工廠將有選擇性的漲價(jià)，但是并不是全面漲價(jià)。例如臺(tái)積電公開說明不會(huì)提升8英寸的講個(gè)，并鼓勵(lì)8英寸客戶升級(jí)到12英寸來維持長(zhǎng)期合作關(guān)系。其他臺(tái)灣代工企業(yè)的漲價(jià)幅度有限，因?yàn)槎鄶?shù)與客戶簽訂了合約協(xié)議以保持價(jià)格穩(wěn)定，但是部分中小批量客戶的價(jià)格上漲幅度更大。

英國(guó)著名半導(dǎo)體咨詢公司FutureHorizon創(chuàng)始人、總裁Malcolm Penn接受集微網(wǎng)采訪時(shí)指出，1990年晶圓廠新建產(chǎn)線逐漸從8英寸轉(zhuǎn)到12英寸后，8英寸產(chǎn)能急劇下降。如今所有存儲(chǔ)產(chǎn)品和許多邏輯產(chǎn)品已經(jīng)切換到12英寸產(chǎn)線，剩下的大多都是只適用于8英寸晶圓的，比如模擬混合信號(hào)產(chǎn)品，一些功率器件、射頻器件等等，這些產(chǎn)品無法調(diào)整到12英寸晶圓，或是不需要12英寸的優(yōu)勢(shì)。

他還表示，過去2~3年內(nèi)8英寸晶圓供需關(guān)系保持著微妙的平衡，但是如今所有晶圓廠產(chǎn)能都售罄了，包括馬來西亞這樣沒有太大競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)，并且開始漲價(jià)，明年會(huì)漲更多。“唯一的出路是建更多廠，而這需要兩年時(shí)間。另外一個(gè)辦法是更新部分產(chǎn)品工藝使他們適用于12英寸晶圓，但這也將會(huì)是一個(gè)緩慢的過程。”

12英寸晶圓制造的情況相對(duì)好一點(diǎn)，供應(yīng)商比較少，能更精確地控制產(chǎn)能，保持供需平衡。“臺(tái)積電就很清楚客戶需求，并精準(zhǔn)控制著產(chǎn)能。這樣緊密的關(guān)系在供需變化時(shí)更容易保持平衡，因此12英寸晶圓不會(huì)面臨供應(yīng)受限的問題。有可能出現(xiàn)季節(jié)性短缺或微小波折，但都浮于表面。”Malcolm Penn解釋，與8英寸晶圓不同，當(dāng)12英寸市場(chǎng)需要更多產(chǎn)能時(shí)，只需平衡新增產(chǎn)能和需求的關(guān)系，這在8英寸晶圓上是做不到的。“以臺(tái)積電為例，他們會(huì)在擴(kuò)產(chǎn)之前要求客戶承諾，這樣他們?cè)诮◤S之前就已經(jīng)落實(shí)銷售渠道，永遠(yuǎn)不會(huì)過度供應(yīng)，也不會(huì)有嚴(yán)重的短缺。偶爾會(huì)有小波折，因?yàn)樾枨罂偸羌磿r(shí)的，而供應(yīng)需兩年準(zhǔn)備。”

市場(chǎng)短缺，半導(dǎo)體設(shè)備制造商重啟8英寸設(shè)備生產(chǎn)

隨著8英寸需求爆發(fā)，產(chǎn)能卻跟不上，究其原因，8英寸所需設(shè)備短缺是一個(gè)重要原因。由于多數(shù)8英寸晶圓代工建廠時(shí)間較早，運(yùn)行時(shí)間大多長(zhǎng)達(dá)10年以上，部分設(shè)備太老舊或者難以修復(fù)，同時(shí)，由于當(dāng)前12英寸晶圓代工廠資本支出規(guī)模巨大，部分廠商停止了8英寸晶圓產(chǎn)線，使得相關(guān)設(shè)備供應(yīng)商缺乏研發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的積極性。

Malcolm Penn表示，對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備公司來說更愿意出售12英寸設(shè)備，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格更高，公司能進(jìn)賬更多，8英寸設(shè)備不再那么有吸引力。因供應(yīng)有限，業(yè)內(nèi)很早就開始從已關(guān)閉的工廠購買二手設(shè)備，但最終二手設(shè)備也售罄，所有資源都已經(jīng)被高效利用，也沒有二手設(shè)備可購入，8英寸的產(chǎn)能就很難提升上去。

通常購買8英寸設(shè)備有幾個(gè)途徑，包括半導(dǎo)體設(shè)備制造商的新設(shè)備，以及翻新了核心系統(tǒng)的二手設(shè)備；二手市場(chǎng)或二手設(shè)備公司收購后自行翻新再出售，有些甚至建立了自己的品牌。此外一些中間商和在線購物平臺(tái)（例如eBay）出售二手設(shè)備，部分芯片制造商也在公開市場(chǎng)上出售。

盡管如此，8英寸設(shè)備變得越來越緊俏，已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸枯竭的態(tài)勢(shì)，其中，蝕刻機(jī)、***、測(cè)量設(shè)備最為搶手。一方面，市場(chǎng)上缺少可用的舊設(shè)備。二手設(shè)備供應(yīng)商SurplusGlobal就曾表示，今年早些時(shí)候，行業(yè)需要2000至3000多個(gè)新的或翻新的8英寸設(shè)備或核心部件來滿足8英寸晶圓廠的需求，但可用的不到500個(gè)。在8英寸產(chǎn)能需求激增的情況下，可用二手設(shè)備更少了。

在市場(chǎng)短缺的情況下，不能再像以前一樣購買廉價(jià)的二手設(shè)備，有時(shí)晶圓廠只能直接向設(shè)備制造商購買價(jià)格相對(duì)昂貴的新設(shè)備，包括應(yīng)用材料，Lam Research，TEL， Kokusai， ASMI，ASML等等。不過好消息是一些半導(dǎo)體設(shè)備制造商又開始生產(chǎn)8英寸設(shè)備。據(jù)VLSI Research統(tǒng)計(jì)，2020年預(yù)計(jì)8英寸WFE市場(chǎng)反彈并增長(zhǎng)6％至7％，明年也將保持同等規(guī)模的增長(zhǎng)。

比如光刻系統(tǒng)是最難買的8英寸設(shè)備之一，佳能現(xiàn)在將繼續(xù)開發(fā)8英寸及更小尺寸晶圓的新型i-line和248nm光刻系統(tǒng)，尼康也同時(shí)提供翻新和新的365nm和248nm光刻系統(tǒng)。幾家8英寸沉積和蝕刻設(shè)備供應(yīng)商也在制造和銷售新設(shè)備，比如Lam Research雖然一直在積極地回收核心集團(tuán)以提供翻新設(shè)備，但同時(shí)也在生產(chǎn)新的8英寸沉積，蝕刻和單片式清洗設(shè)備。檢測(cè)與量測(cè)設(shè)備供應(yīng)商KLA不僅提供翻新的8英寸設(shè)備組合，也在重啟部分型號(hào)新設(shè)備的生產(chǎn)。

挑戰(zhàn)也是存在的。SPTS的Butler指出，通常現(xiàn)在生產(chǎn)8英寸設(shè)備已沒有特別的，供應(yīng)鏈已經(jīng)成熟且穩(wěn)定，測(cè)量系統(tǒng)很容易購買。挑戰(zhàn)在于8英寸設(shè)備所支持的是各種各樣的產(chǎn)品市場(chǎng)，每個(gè)市場(chǎng)都有非常不同的技術(shù)需求。他舉例說，例如RF濾波器的壓電薄膜，電源器件的GaN層，低于200°C時(shí)MEMS的高擊穿電介質(zhì)沉積等所需的均勻厚度和應(yīng)力控制等參數(shù)都是不同的。

因此，盡管人們認(rèn)為8英寸芯片制造要求很簡(jiǎn)單，實(shí)際上有時(shí)是很復(fù)雜的，代工廠也希望設(shè)備能具備更精確的工藝能力和更高的生產(chǎn)效率。

另一個(gè)有意思的話題是，市場(chǎng)火爆局面下是否會(huì)有部分芯片制造產(chǎn)線從12英寸返回到8英寸？Malcolm Penn認(rèn)為答案是否定的。他指出，當(dāng)市場(chǎng)從8英寸走向12英寸時(shí)，技術(shù)革新就全面停止了。所有技術(shù)進(jìn)步都是基于12英寸晶圓，8英寸晶圓卡在了技術(shù)天花板上，使用的技術(shù)與10到20年前無異。“這對(duì)MEMS、模擬器和功率器件來說是好事，因?yàn)檫@些領(lǐng)域一般發(fā)展得比邏輯和存儲(chǔ)慢，它們不需要太先進(jìn)的工藝。”他表示，“正如在使用化合材料之前，150nm和180nm對(duì)于功率半導(dǎo)體來說也是足夠的，當(dāng)然化合物之后又是另一番景象了。”
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