供應(yīng)商正在投資新的12英寸（300mm）晶圓產(chǎn)能,，但這可能還不夠。盡管8英寸（200mm）晶圓的需求迅速增長,，但只有位于芬蘭的中國公司Okmetic 和中國的新玩家正在增加產(chǎn)能,。

作者簡介：

阿黛爾·哈斯，半導(dǎo)體工程特約作家,。自 1980 年代以來,，她一直在科技領(lǐng)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(dǎo)體晶圓的供應(yīng)鏈?zhǔn)Ш猓枨竺黠@高于晶圓供應(yīng)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(shè)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(jìn)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(dāng)分散的晶圓供應(yīng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)可能只是時(shí)間問題。

體積和成本是12英寸的關(guān)鍵所在,。但在8英寸晶圓上構(gòu)建的芯片是許多終端產(chǎn)品的關(guān)鍵路徑,。正如 Okmetic 的 CCO 和SEMI 硅晶圓制造商集團(tuán)的新主席 Anna－Riikka Vuorikari－Antikainen指出的那樣，消費(fèi)者不愿意購買沒有雷達(dá)的汽車,、沒有先進(jìn)傳感器的洗衣機(jī)或沒有 5G 的手機(jī),。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(wù)的市場所獨(dú)有的特性,，體積更小,，制造通常更復(fù)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(yīng)瓶頸。

不過,，晶圓供應(yīng)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(fù)到 2007 年的水平,，目前的 ASP （晶圓代工平均售價(jià)）仍比 2007 年低 36％。

硅晶圓收入預(yù)測（2022 年 2 月更新）,；硅晶圓收入在 2021 年增長 14．5％,，最終達(dá)到 2007 年的水平；資料來源：Techcet

但現(xiàn)在,，由于產(chǎn)能比以往任何時(shí)候都更加緊張,，價(jià)格正在上漲——晶圓供應(yīng)商報(bào)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(jià)格,，而在于供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性,。”

Tracy說,，2021年是創(chuàng)紀(jì)錄的一年,。總體而言,，晶圓出貨面積增長了 14％ 至 142 億平方英寸,，相當(dāng)于 1，700 個美國足球場,。與此同時(shí),，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(qiáng)勁復(fù)蘇,。Techcet 預(yù)計(jì) 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(dá)到 155 億美元,。這是十多年來晶圓行業(yè)首次連續(xù)兩年實(shí)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(jià)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(fù)荷運(yùn)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(shí),，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(yù)期的那樣發(fā)展，那么晶圓短缺也即將到來,。

12英寸：緊缺到2024年及以后

12英寸晶圓的大量投資活動正在進(jìn)行,，但即便如此,，需求仍將持續(xù)供不應(yīng)求,。

總部位于日本的兩家最大的晶圓供應(yīng)商 SEH 和 Sumco 共同占據(jù)了超過 50％ 的市場份額。Sumco 在其 2021 財(cái)年業(yè)績報(bào)告中分享了一些啟發(fā)性的例子,。

注：目前晶圓代工廠的擴(kuò)建有兩種方式,，分別是新建廠房擴(kuò)產(chǎn)（Green Field）和使用當(dāng)前廠房增加生產(chǎn)設(shè)備（Brown Field）。兩者的區(qū)別是,，前者從新建到投產(chǎn)時(shí)間為2－3年,，后者可以快速進(jìn)行部署并投產(chǎn)。

即使有這么多新產(chǎn)能,，未來幾年供應(yīng)仍可能短缺,。需要用到12英寸晶圓的設(shè)備多種多樣，不僅僅有智能手機(jī),，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(fèi)品等,。每個人都想要更多的芯片,，而晶圓供應(yīng)商確實(shí)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(fù)荷運(yùn)營,，但我們無法完全滿足需求。2022年和2023年,，使用當(dāng)前廠房增加生產(chǎn)設(shè)備的投資將受到限制,。新建廠房擴(kuò)產(chǎn)的投資要到2024年才會開始發(fā)揮作用。因此，預(yù)計(jì)12英寸晶圓的短缺將持續(xù)一段時(shí)間,?！?/p>

他補(bǔ)充說，SEH 的成本,，包括材料和設(shè)備,，遠(yuǎn)高于該公司一年前首次考慮擴(kuò)大投資時(shí)的成本。此外,，為 SEH 開發(fā)一些高度專業(yè)化設(shè)備的設(shè)備供應(yīng)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(shí)價(jià)格也會上漲,。但即使新建產(chǎn)能將于2024年投產(chǎn)，他們預(yù)計(jì)隨著新生產(chǎn)線的推出,，產(chǎn)能將進(jìn)一步提高,，價(jià)格將進(jìn)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(jìn)一步要求增加產(chǎn)量”,，但“無法滿足要求”。事實(shí)上,，盡管日本伊萬里耗資 20 億美元的12英寸新工廠預(yù)計(jì)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(yīng)商 GlobalWafers 此前欲收購第四大晶圓供應(yīng)商 Siltronic,。該交易原定于2022年1月敲定，但因未能及時(shí)獲得所有政府批準(zhǔn)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(zhuǎn)而用于產(chǎn)能擴(kuò)張。其中 36 億美元將用于從今年開始到 2024 年的新建廠房擴(kuò)產(chǎn)投資,?！杜_北時(shí)報(bào)》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(diǎn)有新建廠房擴(kuò)產(chǎn)和使用當(dāng)前廠房增加生產(chǎn)設(shè)備的項(xiàng)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(shí),，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?yàn)槠骄蹆r(jià)增加,，但也因?yàn)榍皫啄戡F(xiàn)有工廠的一些使用當(dāng)前廠房增加生產(chǎn)設(shè)備的擴(kuò)建。

關(guān)于向GlobalWafers的出售,，早在1月份,，當(dāng)交易顯然無法通過時(shí)，Siltronic的首席執(zhí)行官Christoph von Plotho告訴德國報(bào)紙F(tuán)．A．Z． ：“發(fā)生了很大的變化,。芯片稀缺,，價(jià)格不斷上漲。從今天的角度來看,，不變的報(bào)價(jià)不太有吸引力,?！?/p>

與此同時(shí),，Siltronic 正在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，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(jìn)且具有很高的成本效益的投資?！拔覀兒茏院?FabNext 的建設(shè)得到了長期采購協(xié)議（LTA）和幾個主要客戶的預(yù)付款的支持,，”Siltronic 說。首批晶圓預(yù)計(jì)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(yīng)器。其位于俄勒岡州波特蘭的工廠也有一些“適度擴(kuò)張”,。

韓國的 SK Siltron 在 5 大企業(yè)中也進(jìn)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(kuò)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(yùn)行。

SK Siltron 總裁 Yong－h(huán)o Jang 告訴韓國 IT 新聞,，“晶圓投資是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)投資,，因?yàn)樗茈y準(zhǔn)確預(yù)測并根據(jù)市場變化迅速做出反應(yīng)。通過與全球半導(dǎo)體公司的合作和技術(shù)創(chuàng)新,，我們將具備高質(zhì)量的晶圓制造能力,，成為晶圓領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。”

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(jī)會,。

8英寸晶圓短缺——看不到盡頭

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(yùn)氣,。2022年4 月,，SEMI 發(fā)布了8英寸晶圓廠展望報(bào)告，報(bào)告表明,，從2020年初到2024年底,，全球半導(dǎo)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(dá)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(shè)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(yīng)用不斷增長的需求?！盨EMI 總裁兼首席執(zhí)行官 Ajit Manocha 說,。

這在很大程度上是半導(dǎo)體行業(yè)“超越摩爾”的一部分。但是他們從哪里獲得支持?jǐn)U張所需的晶圓呢,？

唯一宣布擴(kuò)大8英寸產(chǎn)能的重要晶圓供應(yīng)商是芬蘭的 Okmetic,，它無法應(yīng)對行業(yè)預(yù)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(jī),、便攜式設(shè)備,、汽車電子、工業(yè)過程控制和醫(yī)療應(yīng)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(fù)責(zé)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(shè)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(wù)擴(kuò)大一倍以上。新工廠的晶圓生產(chǎn)預(yù)計(jì)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(bào)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(lǐng)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(shù)和服務(wù)提供商副總裁 Samuel T． Wang 總結(jié)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。

SiC 快速發(fā)展,，中國崛起

與此同時(shí),，中國正在為其晶圓供應(yīng)商設(shè)定雄心勃勃的目標(biāo),。雖然質(zhì)量水平仍有待提高,，但仍有晶圓供應(yīng)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(yīng)商正在迅速崛起,。它們包括奕斯偉（ESWIN）、杭州半導(dǎo)體晶圓有限公司（日本 Ferrotec 集團(tuán)的一部分）,、NSIG（國家硅工業(yè)集團(tuán),，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(jìn)硅技術(shù)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(dǎo)體業(yè)務(wù),。

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(yuǎn)高于硅,。SiC 晶片（晶錠）通常需要數(shù)周時(shí)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(guān)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(shù),，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(yīng)問題發(fā)生了沖突,，并從那時(shí)一直螺旋上升到本世紀(jì)末。

這有助于解釋為什么 SiC 行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者 Wolfspeed 剛剛在紐約州北部開設(shè)了世界上最大的 SiC 工廠,，并正在擴(kuò)建其北卡羅來納材料工廠,。

與此同時(shí)，SOI晶圓制造商Soitec正下大賭注,，利用其智能切割技術(shù),，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(yù)計(jì)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(yīng),，期限比以前更長,。”

Gartner 的 Wang 表示,，中國至少有 15 家晶圓廠在研究 SiC,，“他們認(rèn)為他們可以超越美國?！?/p>

需要一個生態(tài)系統(tǒng)

整個芯片行業(yè)都存在嚴(yán)重的短缺,，每個領(lǐng)域都感受到了這種短缺。許多公司正在囤積設(shè)備,、材料,，甚至制造的設(shè)備。

“我們對一些層壓基板的報(bào)價(jià)提前了52周,?！盦P Technologies營銷銷售總監(jiān) Rosie Medina 說,。“我們可能需要三個月的時(shí)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?yàn)槲覀冋谂抠徺I,，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(shí)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(shí)，晶圓供應(yīng)商們?nèi)匀槐３直Ｊ睾捅Ｃ?。他們不愿投資的歷史可以追溯到2009年市場崩盤前,，當(dāng)時(shí)他們?yōu)閷?shí)現(xiàn)高增長的承諾進(jìn)行了大量投資，結(jié)果卻陷入困境,。

Techcet 的 Tracy 表示,，直到今天，供應(yīng)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(dá)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(yīng)鏈的討論提供了一個平臺,。整個供應(yīng)鏈在健康的生態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)作至關(guān)重要。關(guān)于短缺問題,，現(xiàn)在是時(shí)候采取行動了,。

結(jié)論

芯片行業(yè)只能寄希望于整個生態(tài)系統(tǒng)在閉門造車的情況下，最終能進(jìn)行嚴(yán)肅而富有成效的談判,。只有這樣,，所有供應(yīng)鏈參與者才能獲得共同盈利所需的可見性和信任。否則,，芯片行業(yè)有可能陷入一場不斷加深的危機(jī)之中,，而這場危機(jī)可能需要數(shù)年才能被解決,。