文｜ 阿黛爾·哈斯
編譯｜芯世相 小芯
作者簡介：
阿黛爾·哈斯，半導體工程特約作家。自 1980 年代以來，她一直在科技領域工作。她最近完成了為期 15 年的 SOI 新聞總編輯的工作。在此之前，她是十幾家科技和貿(mào)易出版物的特約編輯，包括 Semiconductor International、Design News、Lightwave、Control Engineering、Computer Graphics World、EETimes、Automotive Industries 和 Byte。
以下為編譯全文：《300mm的晶圓短缺得到改善，但不是200mm的晶圓》
半導體晶圓的供應鏈失衡，需求明顯高于晶圓供應商的能力，造成的短缺可能持續(xù)數(shù)年。
對于12英寸晶圓，排名前五的大廠商——日本硅晶圓制造商 SEH和 Sumco、德國的 Siltronic、中國臺灣的環(huán)球晶（GlobalWafers）和韓國的 SK Siltron——終于在去年采取了行動，它們在新的晶圓設施上投入了數(shù)十億美元。這五大廠商占據(jù)了 90% 的市場份額，但它們的“新建”晶圓廠最早要到 2024 年才能生產(chǎn)晶圓。
其中較大的玩家里，只有生產(chǎn)用于 MEMS、傳感器、射頻和功率器件制造的先進定制硅晶圓的 Okmetic（市場份額排名第 7）正在投資8英寸產(chǎn)線。還有一些玩家來自中國，中國有一個廣泛但相當分散的晶圓供應商群體正在參與這場游戲。業(yè)內(nèi)專家表示，中國生產(chǎn)商尚未掌握所需的質(zhì)量水平，但他們達到標準可能只是時間問題。
體積和成本是12英寸的關鍵所在。但在8英寸晶圓上構建的芯片是許多終端產(chǎn)品的關鍵路徑。正如 Okmetic 的 CCO 和SEMI 硅晶圓制造商集團的新主席 Anna-Riikka Vuorikari-Antikainen指出的那樣，消費者不愿意購買沒有雷達的汽車、沒有先進傳感器的洗衣機或沒有 5G 的手機。這些市場依賴于通常在8英寸晶圓上制造的芯片，而這些8英寸晶圓通常具有它們所服務的市場所獨有的特性，體積更小，制造通常更復雜。但在最終產(chǎn)品中，很可能包括成百上千的芯片，任何一個芯片的短缺仍然會造成供應瓶頸。
不過，晶圓供應商不能只是加快速度生產(chǎn)晶圓。正如 Techcet 的市場研究總監(jiān) Dan Tracy 所說，晶圓制造沒有摩爾定律，制作晶圓是一個艱巨的過程。此外，他指出，僅在過去一年，硅晶圓收入才恢復到 2007 年的水平，目前的 ASP（晶圓代工平均售價）仍比 2007 年低 36%。
但現(xiàn)在，由于產(chǎn)能比以往任何時候都更加緊張，價格正在上漲——晶圓供應商報告的盈利能力創(chuàng)歷史新高，尤其是對12英寸晶圓的需求。然而，他說，“問題不在于價格，而在于供應鏈的穩(wěn)定性?！?/p>
Tracy說，2021年是創(chuàng)紀錄的一年?？傮w而言，晶圓出貨面積增長了 14% 至 142 億平方英寸，相當于 1,700 個美國足球場。與此同時，12英寸出貨量增長超過 13%，而8英寸出貨量增長超過 15%，從2020年開始強勁復蘇。Techcet 預計 2022 年整體出貨量將增長約 6%。
Techcet 表示，整個硅晶圓市場（包括 SOI 晶圓）的收入增長了 14.5%，并在 2022 年再次增長 10%，達到 155 億美元。這是十多年來晶圓行業(yè)首次連續(xù)兩年實現(xiàn)兩位數(shù)增長。
然而，這種增長是以美元為單位的，主要是由于價格上漲，而不是晶圓產(chǎn)量的增加。Tracy指出，2022年12英寸的需求量約為每月7200片晶圓（wpm）。但到2024年，即使以100%滿負荷運營，12英寸晶圓的總生產(chǎn)能力仍將低于需求的10%左右。
與此同時，在規(guī)模小得多但增長極快的市場中，例如基于碳化硅（SiC）晶圓的芯片，目前不存在短缺。但如果需求如預期的那樣發(fā)展，那么晶圓短缺也即將到來。
12英寸晶圓的大量投資活動正在進行，但即便如此，需求仍將持續(xù)供不應求。
總部位于日本的兩家最大的晶圓供應商 SEH 和 Sumco 共同占據(jù)了超過 50% 的市場份額。Sumco 在其 2021 財年業(yè)績報告中分享了一些啟發(fā)性的例子。
即使有這么多新產(chǎn)能，未來幾年供應仍可能短缺。需要用到12英寸晶圓的設備多種多樣，不僅僅有智能手機，還有數(shù)據(jù)中心、汽車、個人電腦、人工智能、工業(yè)產(chǎn)品、消費品等。每個人都想要更多的芯片，而晶圓供應商確實無能為力。
最大的玩家 SEH 并沒有說太多。SEH 公司發(fā)言人在 2021年12月與分析師的電話會議中表示：“我們完全沒有改變我們的政策，以根據(jù)合同逐步增加產(chǎn)能。目前，公司繼續(xù)滿負荷運營，但我們無法完全滿足需求。2022年和2023年，使用當前廠房增加生產(chǎn)設備的投資將受到限制。新建廠房擴產(chǎn)的投資要到2024年才會開始發(fā)揮作用。因此，預計12英寸晶圓的短缺將持續(xù)一段時間?！?/p>
他補充說，SEH 的成本，包括材料和設備，遠高于該公司一年前首次考慮擴大投資時的成本。此外，為 SEH 開發(fā)一些高度專業(yè)化設備的設備供應商也遇到了產(chǎn)能壁壘。
他表示，今年一些客戶的銷量將會增加，同時價格也會上漲。但即使新建產(chǎn)能將于2024年投產(chǎn)，他們預計隨著新生產(chǎn)線的推出，產(chǎn)能將進一步提高，價格將進一步上漲。
同樣，在與分析師的 FY21 年終電話會議中，Sumco 表示，對于12英寸晶圓，“有邏輯和內(nèi)存客戶進一步要求增加產(chǎn)量”，但“無法滿足要求”。事實上，盡管日本伊萬里耗資 20 億美元的12英寸新工廠預計將于2024年投產(chǎn)，但 Sumco 與客戶簽訂的長期協(xié)議（LTA）目前已占到 2026 年產(chǎn)能的100%。
就其而言，第三大晶圓供應商 GlobalWafers 此前欲收購第四大晶圓供應商 Siltronic。該交易原定于2022年1月敲定，但因未能及時獲得所有政府批準而被擱置。GlobalWafers 表示，他們指定用于收購 Siltronic 的大約 50 億美元將轉而用于產(chǎn)能擴張。其中 36 億美元將用于從今年開始到 2024 年的新建廠房擴產(chǎn)投資。《臺北時報》最近的一篇文章指出，“中國臺灣、美國、意大利、韓國、日本和丹麥的六個地點有新建廠房擴產(chǎn)和使用當前廠房增加生產(chǎn)設備的項目”。
作為 Siltronic 的大股東，Wacker Chemicals仍然表示，它正在考慮在中期出售其剩余股份。與此同時，Siltronic 表現(xiàn)良好。2022 年第一季度的收入比 2021 年第四季度增長 10.7%，主要是因為平均售價增加，但也因為前幾年現(xiàn)有工廠的一些使用當前廠房增加生產(chǎn)設備的擴建。
關于向GlobalWafers的出售，早在1月份，當交易顯然無法通過時，Siltronic的首席執(zhí)行官Christoph von Plotho告訴德國報紙F.A.Z. ：“發(fā)生了很大的變化。芯片稀缺，價格不斷上漲。從今天的角度來看，不變的報價不太有吸引力?！?/p>
與此同時，Siltronic 正在滿負荷運轉，并繼續(xù)向“FabNext”投資 20 億歐元，這是其在新加坡新建的12英寸晶圓廠。管理層將其描述為最先進且具有很高的成本效益的投資?！拔覀兒茏院?FabNext 的建設得到了長期采購協(xié)議（LTA）和幾個主要客戶的預付款的支持，”Siltronic 說。首批晶圓預計將于 2024 年上市。
在其位于德國弗萊貝格的工廠，Siltronic 正在建造一個新的晶體生產(chǎn)車間并在安裝新的外延反應器。其位于俄勒岡州波特蘭的工廠也有一些“適度擴張”。
韓國的 SK Siltron 在 5 大企業(yè)中也進行了用于12英寸晶圓制造的大筆投資。2022年3月，SK Siltron宣布投資約12億美元在韓國龜尾三產(chǎn)業(yè)園區(qū)擴大12英寸晶圓產(chǎn)能。在過去的兩年里，該公司一直在以最大的產(chǎn)能運行。
SK Siltron 總裁 Yong-ho Jang 告訴韓國 IT 新聞，“晶圓投資是一項風險投資，因為它很難準確預測并根據(jù)市場變化迅速做出反應。通過與全球半導體公司的合作和技術創(chuàng)新，我們將具備高質(zhì)量的晶圓制造能力，成為晶圓領域的領導者?！?/p>
如果說12英寸晶圓市場吃緊的話，那么至少等到2024年才會有一些喘息的機會。
對于那些芯片基于8英寸晶圓的廠商來說，卻沒有得到喘息的運氣。2022年4 月，SEMI 發(fā)布了8英寸晶圓廠展望報告，報告表明，從2020年初到2024年底，全球半導體制造商有望將8英寸晶圓廠的產(chǎn)能提高 120 萬片，即 21%，達到每月 690 萬片的歷史新高。
“晶圓制造商將在五年內(nèi)增加 25 條新的8英寸晶圓產(chǎn)線，以幫助滿足5G、汽車和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備等依賴于模擬、電源管理、顯示驅(qū)動器集成電路、MOSFET、微控制器單元（MCU）和傳感器等應用不斷增長的需求。”SEMI 總裁兼首席執(zhí)行官 Ajit Manocha 說。
這在很大程度上是半導體行業(yè)“超越摩爾”的一部分。但是他們從哪里獲得支持擴張所需的晶圓呢？
唯一宣布擴大8英寸產(chǎn)能的重要晶圓供應商是芬蘭的 Okmetic，它無法應對行業(yè)預期的所有8英寸規(guī)模的增長。
Okmetic 的客戶將他們的晶圓用于智能手機、便攜式設備、汽車電子、工業(yè)過程控制和醫(yī)療應用、物聯(lián)網(wǎng)以及各種解決方案的芯片，以提高電力使用和效率。
自 1985 年由諾基亞和一家冶金公司創(chuàng)立以來，Okmetic一直負責整個晶圓工藝，從晶體生長開始，晶圓定制始于硅錠的生長，生長中的晶錠如何摻雜取決于客戶產(chǎn)品所需的特性——射頻器件的高電阻率和功率器件的低或中電阻率。同樣，MEMS 和傳感器需要專門定制的材料和工藝。
Okmetic 已為新的8英寸晶圓生產(chǎn)設施投資了 4 億歐元，這是公司歷史上最大的一筆投資，這將使他們能夠?qū)⒐镜漠a(chǎn)能和業(yè)務擴大一倍以上。新工廠的晶圓生產(chǎn)預計將于2025年開始。在過去五年中，Okmetic 還投資了超過 1 億歐元來提高其萬塔（芬蘭）工廠的產(chǎn)能。
SEMI 報告顯示，今年全球8英寸晶圓廠產(chǎn)能中，代工廠將占 50% 以上，其次是模擬制造商，占 19%，分立/電源制造商占 12%。從地區(qū)來看，2022年中國將以 21% 的份額在8英寸晶圓產(chǎn)能方面領先世界，其次是日本，占 16%，中國臺灣和歐洲/中東各占 15%。
Gartner 研究、技術和服務提供商副總裁 Samuel T. Wang 總結道，對于 8英寸晶圓的短缺“看不到盡頭”。中國可能是唯一的解決方案。
與此同時，中國正在為其晶圓供應商設定雄心勃勃的目標。雖然質(zhì)量水平仍有待提高，但仍有晶圓供應商提供適合 90nm 工藝生產(chǎn)的8英寸和12英寸晶圓。
Wang 列舉道，中國至少有十多家晶圓供應商正在迅速崛起。它們包括奕斯偉（ESWIN）、杭州半導體晶圓有限公司（日本 Ferrotec 集團的一部分）、NSIG（國家硅工業(yè)集團，它是 Soitec、Okmetic、ZingSemi 和 Simgui 的投資者，后者又與 Soitec 合作生產(chǎn) RF-SOI 晶圓等）、重慶先進硅技術有限公司（“AST”）和南京國盛電子有限公司等。
但中國真正推動的是化合物半導體業(yè)務。
碳化硅（SiC）晶圓用于電力市場。這是一個處于起步階段的市場，雖然今天沒有短缺，但短缺可能即將出現(xiàn)。碳化硅晶圓制造業(yè)的速度要慢得多，能耗更高，成本也遠高于硅。SiC 晶片（晶錠）通常需要數(shù)周時間才能在比硅高兩倍的熔爐中生長，每個晶塊只能生產(chǎn)約50個晶片/晶錠，產(chǎn)量損失在30%范圍內(nèi)，成本是硅的20到50倍。
但由于 SiC 在解決電動汽車（EV）里程焦慮（以及其他與電力相關的挑戰(zhàn)）的芯片方面的前景，SiC 目前是競爭日益激烈的一個來源。
Halo Industries 的首席執(zhí)行官引用了他最喜歡的 Canaccord Genuity 圖表，該公司擁有一種激光技術，可以更有效地將 SiC 晶錠切割成晶圓。它表明，2023年，需求與供應問題發(fā)生了沖突，并從那時一直螺旋上升到本世紀末。
這有助于解釋為什么 SiC 行業(yè)領導者 Wolfspeed 剛剛在紐約州北部開設了世界上最大的 SiC 工廠，并正在擴建其北卡羅來納材料工廠。
與此同時，SOI晶圓制造商Soitec正下大賭注，利用其智能切割技術，從SiC晶圓棒中獲得的晶圓數(shù)量將可能是目前的10倍。該公司宣布了一個新的碳化硅晶圓制造廠，預計將在2023年下半年產(chǎn)生第一筆收入。公司發(fā)言人表示：“我們提高了對未來的可見性，客戶要求通過長期協(xié)議確保我們的晶圓供應，期限比以前更長?！?/p>
Gartner 的 Wang 表示，中國至少有 15 家晶圓廠在研究 SiC，“他們認為他們可以超越美國?！?/p>
整個芯片行業(yè)都存在嚴重的短缺，每個領域都感受到了這種短缺。許多公司正在囤積設備、材料，甚至制造的設備。
“我們對一些層壓基板的報價提前了52周?！盦P Technologies營銷銷售總監(jiān) Rosie Medina 說?！拔覀兛赡苄枰齻€月的時間，客戶正在耐心等待。一些公司甚至不接受陶瓷封裝訂單，即使是較舊的傳統(tǒng)陶瓷封裝。我們的 QFN 的引線框架還不錯，交期已經(jīng)從 8 周到大約 16 周了。因為我們正在批量購買，而且我們看到的采購訂單提前了很多。但我們剛剛被告知，晶圓現(xiàn)在需要一年的交貨時間，所以我不得不回去跟客戶說，‘我需要更多的采購訂單保障才能獲得（晶圓）訂單，否則你們的晶圓就會售罄?！?/p>
同時，晶圓供應商們?nèi)匀槐３直Ｊ睾捅Ｃ堋Ｋ麄儾辉竿顿Y的歷史可以追溯到2009年市場崩盤前，當時他們?yōu)閷崿F(xiàn)高增長的承諾進行了大量投資，結果卻陷入困境。
Techcet 的 Tracy 表示，直到今天，供應商仍在激烈斗爭，只是為了提醒業(yè)界，晶圓并不是一種商品。他們需要遵守多達1000個不同的參數(shù)，以滿足每個客戶的需求。
Vuorikari-Antikainen 說，SEMI 為整個供應鏈的討論提供了一個平臺。整個供應鏈在健康的生態(tài)系統(tǒng)中運作至關重要。關于短缺問題，現(xiàn)在是時候采取行動了。