近來，多家媒體報道，晶圓代工產(chǎn)能供不應(yīng)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(dǎo)致產(chǎn)能吃緊情況更為嚴(yán)重，后段封測廠同樣出現(xiàn)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(chǎn)品需求增長，從而拉動驅(qū)動IC及其他半導(dǎo)體產(chǎn)品需求增長，再加上華為在禁令生效前大舉拉貨，代工廠協(xié)商產(chǎn)能，中小企業(yè)訂單延后。在多重因素疊加的形勢下，全球8英寸晶圓產(chǎn)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(chǎn)線數(shù)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(kuò)張及高端工藝制程的突破更是為此提供了強(qiáng)有力的佐證。

這其中涉及到哪些因素？30年來，8英寸晶圓廠到底經(jīng)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(qū)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(chǎn)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(dá)到成本效益生產(chǎn)量要求較低、技術(shù)成熟等特點被應(yīng)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(bǔ)。

8英寸的生產(chǎn)業(yè)者通常為IDM和Foundry。傳統(tǒng)IC市場可以分成領(lǐng)先優(yōu)勢和成熟產(chǎn)品兩類，對應(yīng)12英寸與8英寸生產(chǎn)線各占半壁江山。在前者，芯片制造商通常以16nm/14nm制程標(biāo)準(zhǔn)，在12英寸晶圓廠生產(chǎn)芯片，但并非所有芯片都需求高級節(jié)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(chǎn)。

1990年IBM聯(lián)合西門子建立第一個8寸晶圓廠之后，一度成為業(yè)內(nèi)先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，8寸晶圓廠迅速增加，1995 年即達(dá)到70座，在2007年達(dá)到頂峰——200座，產(chǎn)能也達(dá)到560萬片/月的歷史高點。之后全球金融危機(jī)爆發(fā)，全球8英寸產(chǎn)線產(chǎn)能的持續(xù)擴(kuò)充才告一段落。

金融危機(jī)來臨后，8英寸晶圓廠數(shù)目及產(chǎn)能快速收縮，雖然2009年整體產(chǎn)能有所恢復(fù)，但受12英寸晶圓廠產(chǎn)能快速釋放的擠壓，8英寸產(chǎn)能并未恢復(fù)到前期高點且在2010-2014年整體產(chǎn)能也未發(fā)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(fā)的元年。隨著物聯(lián)網(wǎng)體系逐漸成熟鋪開，隨處可見的智能產(chǎn)品不僅帶來了MCU的需求，而且?guī)砹?a target="_blank">電源芯片、指紋識別產(chǎn)品的增長，同時工業(yè)、汽車電子應(yīng)用需求也大幅攀升，這些產(chǎn)品恰好也對應(yīng)8英寸晶圓廠做對應(yīng)的領(lǐng)域，8英寸產(chǎn)品線供需出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

根據(jù)Semico Research的數(shù)據(jù)觀點，這一供求現(xiàn)象在2015年底出現(xiàn)顯著變化，在以往被認(rèn)為成熟和落后制程的8英寸晶圓線產(chǎn)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(chǎn)，但因為沒有對8英寸晶圓廠的持續(xù)投資，芯片制造商的產(chǎn)能已經(jīng)不能滿足需求。于是，從2016年到2018年，8英寸晶圓廠產(chǎn)能已售罄。

另外，在2010~2016年間，約超過20座6英寸晶圓廠關(guān)閉，如分立器件、功率器件、MEMS、模擬芯片等產(chǎn)品需求切換至8英寸晶圓，額外的加重了8英寸產(chǎn)能的負(fù)擔(dān)。

饒是如此，鑒于8 寸晶圓廠由于運行時間過長，設(shè)備老舊，同時12寸晶圓廠資本支出規(guī)模巨大，部分廠商仍然在這些年中逐漸關(guān)閉了8寸晶圓廠，設(shè)備廠商也停止生產(chǎn)8寸設(shè)備。目前 8 寸設(shè)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(nèi)存廠商，如三星和海力士，目前舊設(shè)備市場資源逐漸枯竭，因此2014年后8寸晶圓設(shè)備較為緊缺，其中蝕刻機(jī)、光刻機(jī)、測量設(shè)備最難獲得。

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

以2013年為例，當(dāng)時全球半導(dǎo)體二手設(shè)備市場占整個設(shè)備市場的比例約為6%左右。具體從二手設(shè)備的構(gòu)成來看，8英寸晶圓廠是二手設(shè)備需求的主要來源，8英寸晶圓廠占整個二手設(shè)備采購比例約為53%，該數(shù)值在2014年達(dá)到81%。

面對中下游旺盛的需求，盡管各8英寸晶圓廠商擴(kuò)產(chǎn)意愿較為強(qiáng)烈，但由于市場中新關(guān)閉的8英寸晶圓廠十分有限，因此二手設(shè)備市場供給量下滑態(tài)勢并未得到改觀，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前二手設(shè)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(xiàn)8英寸晶圓產(chǎn)能緊缺的情況，主要是手機(jī)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(jī)、汽車、物聯(lián)網(wǎng)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(qū)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(chǎn)品需求增長，從而拉動驅(qū)動IC芯片、分離式元件及其他半導(dǎo)體元件需求增長。

當(dāng)然更深入的原因是，8英寸轉(zhuǎn)向12英寸生產(chǎn)線并不容易。12英寸晶圓廠進(jìn)入門檻高，參與廠家數(shù)量較少，此前中芯國際建立上海12英寸晶圓廠投資金額數(shù)量可知，12英寸晶圓廠要求代工企業(yè)廠房潔凈室清潔度及設(shè)備的設(shè)計精密度要求很高，初期投資及后續(xù)研發(fā)投入巨大，百億美元方能達(dá)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(yè)數(shù)量少。

代表先進(jìn)制程的12英寸晶圓廠主要面對產(chǎn)品是精密制程的電子產(chǎn)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(dǎo)致同樣產(chǎn)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(chǎn)品所不希望看到的。同時，產(chǎn)品制程尺寸的減少，會導(dǎo)致漏電量的增加，因此電源電池類應(yīng)用制程通常會選擇8英寸產(chǎn)品，其他例如MEMS感應(yīng)器、LED照明等產(chǎn)品線上，8英寸的相對優(yōu)勢也較大。

8英寸晶圓強(qiáng)勢回歸

然而，對晶圓廠來說，擴(kuò)建或者新建8英寸晶圓廠也非易事。

首先是設(shè)備難尋，正如前文所言，大部分8英寸設(shè)備通過二手購入，如今越來越稀少。此外，8英寸設(shè)備的工藝分界線原來在90nm，現(xiàn)階段已經(jīng)上移至65nm等，導(dǎo)致8英寸生產(chǎn)線的投資金額大幅上升。

瑕不掩瑜，8英寸晶圓產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游都呈現(xiàn)出滿載狀態(tài)。有限的供給和旺盛的多元化需求，大大提高行業(yè)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(kuò)建8英寸晶圓廠或擴(kuò)充產(chǎn)能。

具體到今年來看，不久前，外媒報道，針對8英寸產(chǎn)能供不應(yīng)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(jìn)行自動化擴(kuò)建投資，以提高生產(chǎn)效率。

三星不是個例，近幾年，包括臺積電、聯(lián)電、世界先進(jìn)、中芯國際和華虹半導(dǎo)體在內(nèi)的廠商，都在想各種辦法擴(kuò)充8英寸晶圓代工產(chǎn)能。

臺積電于2018年12月宣布在臺南廠區(qū)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(chǎn)能外包給了世界先進(jìn)。

在2019年，格羅方德宣布將購買紐約州馬爾他鎮(zhèn)的一處土地用作建設(shè)先進(jìn)的8英寸晶圓廠，以應(yīng)未來成長需求。

最近幾年，聯(lián)電在大陸的產(chǎn)能擴(kuò)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(jù)悉，和艦月產(chǎn)能已從前年的6.4萬片，去年底達(dá)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(lián)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(lián)華電子高管，現(xiàn)任聯(lián)席總裁簡山傑透露聯(lián)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(nèi)大陸地區(qū)，中芯國際也表示，受惠于訂單強(qiáng)勁，預(yù)計在今年內(nèi)于天津、上海、深圳三個8英寸晶圓生產(chǎn)基地增加3萬片/月的產(chǎn)能。在12寸晶圓方面，中芯國際預(yù)計增加2萬片/月產(chǎn)能。

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

SEMI報告稱，新工廠8英寸的產(chǎn)能中，37%將專用于替換工廠，24%專用于內(nèi)存，17%專用于微處理器。物聯(lián)網(wǎng)是未來的8英寸容量需求市場。

除了物聯(lián)網(wǎng)，自動駕駛也將是傳感器的一個重要應(yīng)用。自驅(qū)動不僅推動了對傳感器的需求，也推動了對功率半導(dǎo)體的需求，這將推動8英寸晶圓產(chǎn)能的消耗。

未來，包括IGBT和場效應(yīng)晶體管在內(nèi)的功率半導(dǎo)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(chǎn)能力的方向之一。目前大部分內(nèi)存市場具有12英寸芯片生產(chǎn)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(xiàn)出越來越火熱的趨勢，這與不斷追求先進(jìn)工藝的半導(dǎo)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(yīng)該開始量產(chǎn)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(xué)理工學(xué)院的研發(fā)專案 Global 450 Consortium ）成員在內(nèi)的主要芯片廠商都積極推動 18英寸晶圓設(shè)備能最快在2018年就能于晶圓廠裝機(jī)。

但事實上，該組織已經(jīng)在2016年底悄悄地逐漸停止運作，成員廠商的結(jié)論是目前的時機(jī)不適合邁入可選擇的第二階段計劃。短短幾年前還在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界被熱烈討論的 18 英寸晶圓，目前似乎已經(jīng)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(xù)沉寂 5~10 年；”市場研究機(jī)構(gòu) VLSI Research 的執(zhí)行長暨資深半導(dǎo)體設(shè)備分析師 G. Dan Hutcheson 表示：“也許它會起死回生，端看半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者是否會達(dá)成共識。”

有從業(yè)者認(rèn)為，這是18英寸晶圓產(chǎn)線發(fā)展上遇到了資金和技術(shù)的雙重壓力，導(dǎo)致晶圓廠向18英寸產(chǎn)線轉(zhuǎn)進(jìn)的速度急劇放緩，半導(dǎo)體公司紛紛轉(zhuǎn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一定要驅(qū)動的方向，但當(dāng)中面臨的技術(shù)障礙比預(yù)期高，可能導(dǎo)致量產(chǎn)時程延后，目前全球有能力進(jìn)入 18英寸晶圓世代的半導(dǎo)體廠很少。

同時，半導(dǎo)體廠要降低生產(chǎn)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(kuò)大產(chǎn)出，進(jìn)而降低成本，盡管從12英寸轉(zhuǎn)至18英寸晶圓面積可多出 1.25 倍，但因為投入研發(fā)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(dāng)然，一些半導(dǎo)體大廠如英特爾曾宣布投資 41 億美元，入股最關(guān)鍵的微影設(shè)備大廠 ASML ，第一階段的研發(fā)重點是 450mm Lithography 技術(shù)，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(quán)，而第二階段則是 EUV Lithography 技術(shù)開發(fā)，同樣也分為 5 年，約投入 10.2 億美元做技術(shù)研發(fā)，另外投資 10 億美元取得 5%股權(quán)。臺積電、三星電子對 ASML 也有類似的策略性投資。

總結(jié)

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

總體來說，雖然追逐先進(jìn)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。
責(zé)任編輯:tzh