更成熟工艺节点芯片的需求激增，导致8吋晶圆代工产能和8吋设备都出现短缺，且没有减弱迹象。事实上，即使陆续有新产能投产，短缺也可能会持续数年，进而推高价格并迫使整个半导体供应链发生重大变化。

8吋晶圆代工产能和设备的短缺已经存在一段时间了，而且这种情况下仍然存在其他问题。例如，据Gartner数据，8吋晶圆2022年上半年的代工产能已被预订满。除此之外，对8吋晶圆代工产能的需求将继续超过市场的供应能力，这意味着代工客户需要提前计划以确保他们在未来获得足够的8吋晶圆产能。

有两种类型的半导体公司在晶圆厂制造芯片。IDM厂商设计自己的品牌牌芯片并在自家晶圆厂中制造。与此同时，代工厂在自己的晶圆厂中为其他公司制造芯片。IDM厂商和代工厂都有8吋晶圆或12吋晶圆的晶圆厂。

自1990年代以来，8吋晶圆晶圆厂就已经存在。许多芯片制造商运营着8吋晶圆晶圆厂，据最新统计，目前已有200多家。8吋晶圆厂采用成熟的工艺技术制造器件，从6µm到110nm节点。在8吋晶圆晶圆厂生产的芯片用于所有电子产品，包括模拟、显示IC、MCU、电源管理IC (PMIC)和射频器件。

这些芯片中的部分也可以在更先进的12吋晶圆厂中生产。这些较大的晶圆厂处理从90nm到5nm节点的器件。

尽管如此，IDM厂商和代工厂在所有节点上都看到了前所未有的芯片需求。在2020年Covid-19爆发期间，各国实施了各种措施来缓解疫情，例如居家令。许多人开始在家工作或远程上课，助长了PC和电视的一波购买需求。到了2021年，对汽车、智能手机和其他产品的需求又激增。综合因素影响之下，多个市场出现芯片短缺浪潮。

许多人认为，到2022年年中，供需情况将恢复相对正常，但部分汽车芯片全年仍将供不应求。不过，到2022年年中，许多芯片制造商应该有足够的12吋晶圆厂产能来满足需求。

但8吋晶圆是另一回事。目前，多家公司都在建设新的8吋晶圆厂。根据SEMI的数据，到2021年，该行业的8吋晶圆晶圆厂产能每月增加超过300,000片晶圆(wpm)，比2020年增长5%。但显然，这还不足以满足需求。

「代工厂2022年上半年的8吋晶圆产能已售罄。预计8吋晶圆代工厂产能的紧张局面将持续数年，可能会持续到2025年，」Gartner分析师Samuel Wang表示。Wang表示，IDM厂商的情况稍好一些，8吋晶圆产能的利用率高于80%。

即使代工厂客户有幸在2022年获得足够的8吋晶圆或12吋晶圆产能，他们也面临另一些问题。代工供应商预计今年将提高8吋晶圆和12吋晶圆晶圆的价格。

图1：全球8吋晶圆半导体量产晶圆厂的数量。资料来源：SEMI

1960年代，在半导体行业的早期，半导体公司使用很基础的设备在工厂中制造相对简单的芯片。那时，芯片制造商自己制造所需的设备。

1960年代初期，芯片制造商在这些早期工厂中使用20毫米（0.75吋）的微小晶圆加工设备。那之后的30年间，他们不断迁移到晶圆尺寸更大的晶圆厂，例如30mm/40mm、50mm、75mm、100mm、125mm和150mm。

通过转向更大的晶圆尺寸，供应商可以在每个晶圆上生产大约2.2倍的裸片，从而使他们能够降低晶圆厂的制造成本。

1990年代，出现了8吋晶圆厂。当时，建造一座8吋晶圆厂的成本为7亿至13亿美元。晶圆厂的大部分成本都围绕着用于制造芯片的设备。

多年来，8吋晶圆厂被认为是最先进的。然后，从2000年代开始，许多芯片制造商又从8吋晶圆厂迁移到12吋晶圆厂。最初，建造12吋晶圆厂的成本为20亿至30亿美元。

在此期间，8吋晶圆厂仍继续使用。但8吋晶圆本是一个几乎被遗忘的市场，直到2015年，业界对基于更成熟工艺的芯片的需求激增。突然间，代工厂的8吋晶圆厂利用率几乎都满载，出现产能短缺。

自2016年到2021年，8吋晶圆产能持续紧张。Onto Innovation产品营销经理Woo Young Han表示：「过去的三到四年里，8吋晶圆代工厂一直以接近100%的产能运营。「他们看到了PMIC、显示驱动器IC和MCU需求的大幅增长。」

2021年底时，大多数代工厂商的8吋晶圆代工产能已售罄。联电联席总裁Jason Wang表示，「2021年四季度，我们预计晶圆出货量和ASP趋势将保持坚挺，8吋和12吋设施的产能利用率将继续保持满负荷。」

尽管如此，一些代工厂客户仍可以获得足够的8吋晶圆产能来满足他们的要求。其他人则没有那么幸运，尤其是汽车公司。2020年汽车销量一度暴跌，很多车企芯片采购量也明显减少。到2021年，当汽车厂商业务反弹时，很多汽车厂商的芯片库存又不足了。

汽车厂商开始疯狂地订购芯片。但芯片制造商没有足够的晶圆厂产能，这反过来又导致汽车和其他领域的芯片短缺。其中许多芯片是在8吋晶圆厂中制造的。

预计2022年，汽车和非汽车芯片的需求都将强劲。「随着越来越多的公司开始设计自己的设备，代工厂也看到了对小批量生产各种设备的高需求，」Onto的Woo表示，「汽车行业是对小批量生产各种设备高需求的一个很好例子。特斯拉、福特、通用、大众和现代等汽车公司都先后宣布将开始设计自己的芯片，这种趋势正在推动8吋晶圆生产的高需求。」

除了8吋晶圆和12吋晶圆，4吋和6吋的晶圆厂产能也有需求。许多功率半导体是在6吋晶圆厂中生产的，尤其是那些使用氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)材料的晶圆厂。GaN和SiC功率半导体都是热门市场。

与此同时，在制造方面，几家代工厂商在8吋晶圆厂为其他厂商制造芯片，每家公司都有不同的工艺产品。格芯、华虹、三星、SK海力士、SkyWater、台积电、高塔半导体、中芯国际、联电、Vanguard和X-Fab都是拥有8吋晶圆厂的代工厂商。

据SEMI统计，总体而言，预计2022年将有216家8吋晶圆厂投入运营，而2016年这个数字为184家。据IC Insights的说法数据，8吋晶圆晶圆厂整体产能方面，2020年台积电以10%的份额领先，其次是意法半导体（6%）、联电（6%）、英飞凌（6%）、德州仪器（6%）、中芯国际（5%）等。

如今，有几家公司正在建造新的8吋晶圆厂或在现有8吋晶圆厂中增加生产线。SEMI分析师Christian Dieseldorff表示：「看看新的8吋晶圆厂，我们目前有五座新的8吋晶圆厂将于2021年和2022年开始建设。这些是由Rogue Valley Microdevices、OnMicro Electronics、英飞凌和Aosong规划的。」

与此同时，在现有的8吋晶圆厂中，预计从2021年到2024年，约有17条8吋晶圆产线将投入生产。「到2021年，这些工厂包括科锐、华润微电子、中芯国际、罗姆、Innoscience和SiEn，」Dieseldorff 表示。

这听起来像是有很多新的8吋晶圆产能，但这还并不够。「对传统节点的需求依然强劲。中国以外的8吋晶圆代工产能根本不够，」Gartner的Wong说。「到2022年第三季度，整体12吋晶圆代工产能将赶上需求，而8吋晶圆的短缺或将持续多年。」

显然，代工客户和IDM需要更多的8吋晶圆产能。芯片制造商可以通过多种方式解决这个问题，包括：

o 建造新的8吋晶圆厂。

o 为现有晶圆厂增加新的生产线。

o 将一些在8吋晶圆晶圆厂生产的芯片转移到更大的12吋晶圆工厂。

建立新的8吋晶圆晶圆厂是一个明显的解决方案。几家公司正在扩大他们的8吋晶圆产能，但这很昂贵。据SEMI称，新建8吋晶圆晶圆厂的成本从MEMS工厂的4.5亿美元到功率半导体工厂的13亿美元不等。SEMI的Dieseldorff说：「一座新的5万片月产能的8吋晶圆厂平均成本高达10亿美元，包括建筑和设备。这取决于产能、产品类型和选址。」

建立新的8吋晶圆产能的芯片制造商也会遇到另一个问题——市场上如今已很难找到新的8吋晶圆设备。

将部分芯片订单从较小的8吋晶圆厂转移到更大的12吋晶圆厂也是一个选择，但这只适用于部分芯片产品。客户必须愿意为昂贵的12吋晶圆支付更多的费用。「许多客户没有看到将传统芯片迁移到12吋晶圆厂的ROI合理性，」Wong说。

在8吋晶圆和12吋晶圆厂中，很大一部分成本用于设备。每个晶圆厂都由一个封闭的洁净室组成，配备各种设备类型，例如沉积系统、蚀刻机、量测检验设备和光刻机。

使用不同的设备类型，每种芯片类型都遵循不同的工艺流程。在任何情况下，找到合适的8吋晶圆设备都很重要。有缺陷的系统会拉低产品良率。

有几家不同的企业销售8吋晶圆设备，包括设备供应商、二手/翻新设备公司、经纪人、拍卖商和在线网站。

许多设备销售企业都享有优秀的声誉，但是该领域也有许多糟糕的故事，例如有芯片制造商就在不知不觉间买到过无法使用或缺少零件的二手设备。

SurplusGlobal首席执行官Bruce Kim表示，新设备或二手设备的购买者应遵循一些简单的规则，以避免出现麻烦：1）尽早开始寻找所需设备；2)与信誉良好的公司合作；3)准备好为二手8吋晶圆设备支付几乎与全新设备相当的价格。

尽管如此，需要8吋晶圆设备，第一步是联系设备制造商。部分设备供应商构建了具有最新功能的新8吋晶圆生产系统。

「全新的8吋晶圆刀设备交货时间非常长，」Kim表示。「此外，8吋晶圆全新设备的价格有时与12吋晶圆全新设备的价格相当。」

一些设备供应商也使用被称为信心的使用过的工具并对其进行翻新。有时，供应商无法翻新系统，因为它已经过时或无法使用。过时的工具也很难找到备用零件。联系二手/翻新的设备供应商是另一个选择。有些带来8吋和/或12吋的二手设备，有些甚至自产设备。

一般来说，很难从所有供应商那里找到翻新的8吋晶圆系统。据二手设备供应商SurplusGlobal的数据，目前，全球市场上所有企业的8吋晶圆核心工具不到250个。

「我们可能需要1,500到3,000个核心工具来满足需求，」Kim表示，「12吋晶圆工具实际上更容易获得。但是，由于供应链问题，翻新有点困难。有趣的是，越来越多的12吋晶圆工具转换为了8吋晶圆体系。」

梳理8吋晶圆市场的一种方法是抓住一些主要工艺步骤并了解清楚手头的设备问题。要列出所有8吋晶圆工具的设备供应商几乎是不可能的，抓住几个供应商肯定会带来挑战。

所有芯片的制造，第一步都在硅晶圆供应商那里。这些供应商使用各种设备制造各种直径尺寸的未加工硅晶圆片，例如6吋晶圆、8吋晶圆和12吋晶圆。

对8吋晶圆晶圆的需求依然强劲。SEMI高级研究经理Sungho Yoon表示：「市场排名前五的晶圆供应商不追求8吋晶圆的产能扩张，因此8吋晶圆供应预计将在2022年维持供应紧张。」

晶圆生产出来后，它们会被运送到芯片制造商那里，在晶圆厂进行加工。对于许多逻辑芯片，第一步是要在晶圆上沉积一层二氧化硅，然后是氮化物层。视不同应用方向，也可以使用其他材料。

图2：晶圆厂的基本芯片制造工艺流程。资料来源：维基百科

下一步，将晶圆插入称为涂层机/显影机（coater/developer）的系统中。在该系统中，将光刻胶倒在晶圆上。

然后将晶圆发送到另一个称为光刻扫描仪或步进器的系统。在操作中，晶圆片和光掩模被放置在光刻工具中。光掩模是给定IC设计的模板。

然后，扫描仪/步进器产生光，通过掩模投射到晶圆上，根据给定的设计在晶圆上创建微小的图案。

8吋晶圆生产，芯片制造商使用365nm（i-line）或248nm光刻系统。根据尼康的说法，使用各种技术，i-line光刻系统可以实现低至280nm的分辨率，而248nm系统则可实现约110nm的分辨率。

ASML、佳能和尼康是8吋晶圆光刻系统的主要供应商。而8吋晶圆光刻系统通常是市场上最难找到的工具。佳能营销经理Doug Shelton表示：「8吋晶圆设备需求的增加和全球设备短缺导致设备交付周期比以往更长。」

所有光刻系统供应商都销售具有最新功能的新的或翻新的8吋晶圆工具。「佳能继续生产新的8吋晶圆兼容i-line和DUV步进器和扫描仪，我们正在努力优化我们的产能，以满足8吋晶圆市场需求，」Shelton表示，「佳能还开发了8吋晶圆版本的DUV扫描仪和i-line步进器，可在8吋晶圆基板上提供原本12吋晶圆体系的用于高性能计算的分辨率、套刻误差和吞吐量性能。」

佳能还翻新旧的8吋晶圆光刻设备。「适用于翻新的候选光刻系统供应有限，并受市场定价影响，」他表示。

同时，在光刻步骤之后，晶圆片经历各种沉积和蚀刻步骤。化学气相沉积( CVD )是晶圆厂中常用的沉积工具类型。在CVD系统中，晶圆被插入腔室。化学物质流入腔室并撞击晶圆片，在表面形成所需的材料。

芯片制造商使用蚀刻系统在所需位置去除这些材料。反应离子蚀刻(RIE)是最常见的蚀刻系统，可连续去除器件中的材料。

需要8吋晶圆蚀刻和沉积系统。Lam Research战略营销董事总经理David Haynes表示：「总体而言，市场上用于满足产能增长需求的专用翻新8吋晶圆工具严重短缺。」

多年来，Lam Research一直在生产8吋晶圆沉积和蚀刻工具。它还开发桥接工具。「这意味着我们可以为8吋晶圆生产重新配置12吋晶圆工艺的工具，」Haynes表示，「鉴于12吋晶圆内核的可用性优于专用的8吋晶圆工具，这为我们提供了满足客户要求的好方法。它为他们提供了与更新的12吋晶圆平台相关的改进的工艺能力和生产力。」

其他沉积和蚀刻供应商也看到了类似的趋势。「在过去10年中，对≤8吋晶圆工艺设备的需求一直保持强劲并不断增长，」应用材料公司前首席营销官Mike Rosa表示，「可以肯定地说，我们今天看到的不仅仅是对芯片短缺的回应，而是几年前开始的趋势的延续。」

与许多公司一样，应用材料制造新的8吋晶圆工具或翻新旧的系统。「对于我们产品组合中的许多主机和腔室技术，一段时间以来，我们一直在构建全新或部分新的8吋晶圆系统，」Rosa表示，「为了应对8吋晶圆系统不断增长的需求，应用材料公司已采取措施显着扩大其在美国以及预计需求将持续强劲的地区的制造能力。随着需求的不断增加，8吋晶圆系统的可用性仍然具有挑战性，我们还积极与希望评估将其工艺移植到更自动化和更高规模的12吋晶圆生产的客户合作。」

同时，在工艺流程中，还需要检查芯片是否存在缺陷。为此，芯片制造商使用晶圆检测系统来发现缺陷。他们还使用不同的计量设备来测量结构。

量测检验设备供应商看到了对8吋晶圆工具的巨大需求。KLA副总裁兼总经理Wilbert Odisho表示：「8吋晶圆厂一直收到稳定的客户订单，并且正在满负荷运转。客户要求加快设备发货速度以支持这一需求。」

对于12吋晶圆厂中的尖端芯片，器件中的特征尺寸很小。缺陷也是如此。芯片制造商需要先进的量测检验系统来发现这些微小的缺陷。

相比之下，在8吋晶圆厂生产的芯片具有更大的特征尺寸。缺陷更大，更容易被发现。无论大小如何，找到缺陷都至关重要，尤其是用于汽车的芯片，他们对芯片的缺陷更加敏感。

多年前，芯片制造商可以通过使用较旧的8吋晶圆量测检验工具来获得。对于许多应用来说，情况不再是这样了。鉴于如今汽车和其他应用的缺陷要求，许多芯片制造商需要功能更强大的8吋晶圆量测检验设备。

「除了翻新和重新认证现有的设备外，KLA还重新推出了许多产品线来支持不断增长的需求，」Odisho 表示，「我们通过在我们的生产线上重新推出8吋晶圆成熟设备来满足这一需求，使新一代系统能够兼容8吋晶圆，并提供增强功能以提高已使用系统的吞吐量和性能。」

其他8吋晶圆设备市场也有严格的要求。以晶圆清洗为例。在工艺流程中，晶圆需要使用晶圆清洗工具进行清洗。

「对于汽车而言，质量要求和可重复性要求非常精确，」Screen Semiconductor Solutions工程副总裁Ian Brown表示，「几年前，Screen重新开发了所有适用于8吋晶圆的工具，包括单晶圆湿式工作台。

显然，8吋晶圆是一个充满活力的市场。在8吋晶圆代工厂方面，跟踪产能情况很重要。了解谁在制造8吋晶圆设备也很重要。

但动态总是在变化，复杂的环境中挑战进一步增加。

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