最近一段时间，由于对各种芯片的需求激增，导致12英寸半导体设备、光刻掩模设备、晶圆材料和其他产品的极度短缺，交货期普遍延长。
在过去的几年里，8英寸设备一直供不应求，现在轮到12英寸了。传统上12英寸设备的交付周期为3至6个月，部分系统的交付周期更长。如今，购买极紫外（EUV）光刻机可能需要一年或更长时间。沉积、蚀刻和其他设备的交付周期都普遍延长。
代工Fab设备包含了大量的组件和子系统，零部件的供应成为问题。更糟的是，由于Covid造成的旅行限制，供应商在工厂中安装设备也遭遇了延误。
12英寸设备交付周期过长，影响的不仅仅是某一特定设备。晶圆厂需要一定数量的不同类型的设备来加工芯片。如果没有设备，他们可能会错过向客户交付IC的时间表。许多有远见的芯片制造商提前计划，购买足够的设备，发货周期得到满足。但很多人则没这个幸运了。
设备短缺并非新鲜事。在过去六年中，市场对模拟、射频相关芯片的需求不断增长，造成了8英寸产能和设备的短缺。在同一时期，12英寸设备市场表现强劲，尽管需求情况遵循传统模式。现在，12英寸晶圆厂产能紧张，设备交付周期延长。
当前的繁荣周期让许多人措手不及。2020年初，由于Covid-19流行，芯片需求下降。但到了2020年中期，由于家庭经济推动了对电脑和电视的需求，集成电路市场出现反弹，刺激了芯片需求，许多设备供应商突然看到了订单激增的情况。
2021年第一季度，芯片需求还在增长，汽车和智能手机的需求正在回升，但汽车芯片极度短缺。英特尔、三星、台积电、联电等正在扩大其晶圆生产能力，推动了对更多晶圆制造设备（WFE）的需求。Evercore ISI数据显示，2021年WFE市场总额预计将达到750亿至800亿美元，而2020年为610亿美元。
“回顾设备的最新动向，现在可称谓是半导体设备的黄金时代，”Vercore ISI董事总经理CJ Muse说。“WFE（晶圆制造设备）在过去两三年中的显著提升是由逻辑芯片代工主导的。我们看到，芯片和WFE的需求不断上升，加上与Covid相关的数字化，几乎遍及所有垂直行业。包括美国和欧洲对本地化制造的渴望，所有这些都推动了WFE需求的提升，超过了人们12到24个月前的预期。”
掩膜/硅片：供应链瓶颈
如今，许多芯片制造商在全球拥有并运营着大量8英寸和12英寸的晶圆厂。8英寸用于制造成熟工艺的芯片，从350nm到90nm不等。
最先进的12英寸晶圆厂，用于在7nm和5nm加工最先进的芯片。这些晶圆厂也在65nm到28nm的成熟节点上加工芯片。
不仅8英寸产能紧张，12英寸也紧张。“在过去18个月里，我们看到12英寸的产能变得极度紧张，”联电副总裁Walter Ng表示。“一些关键的行业趋势推动了大量需求。除了5G、支持5G的智能手机，混合动力汽车和电动汽车的快速增长也带来了需求。新冠推动的家庭经济，在家里上课、上班，带来了对PC、网络计算机和平板电脑的需求。”
对汽车和其他芯片的需求加剧了晶圆厂的产能紧张状况。所有这些都会影响集成电路的供应链，尤其是对12英寸FAB的供应链。芯片制造是一个复杂的过程，它始于两个关键材料-光掩模和硅片。两者都是在不同的生态系统中分别制造的。如今，这两个领域都存在供应链瓶颈。
在一个基本的光掩模流程中，一个IC供应商使用EDA软件工具设计一个芯片。然后，芯片设计被转换成一个文件格式，然后被输送到光掩模供应商。光掩模是IC设计的主模板，由给定IC设计的图案组成。
光掩模供应商生产两种类型的光罩-光学和EUV。光学掩膜在工业中使用多年，由玻璃基板上不透明的铬层组成。
EUV掩模是不同的，它与EUV光刻机配合使用，后者可以在7nm及以下形成微小特征尺寸。EUV掩模由40到50层硅和钼在衬底上交替形成的薄层组成。
制作EUV光罩很复杂，它需要各种昂贵的设备。先进芯片制造商都拥有自己光刻掩模业务，可以生产EUV掩模。这个名单里只有英特尔、三星和台积电三家。
▲ EUV光罩制造步骤（来源：Sematech）
EUV掩模工艺流程从一个空白掩模或衬底开始。然后，使用一个称为多光束掩模写入器的系统对空白进行图形化。D2S首席执行官Aki Fujimura说：“EUV需要多光束掩模器有两个原因，一是图形的复杂度。二是在多波束计算机上，写入时间与图形数无关。”
英特尔的IMS纳米制造部门销售多光束掩模写入器，而NuFlare正在开发。设备行业消息人士称，IMS设备的需求旺盛，交付周期为12至18个月。“光罩设备市场，包括光罩写入器市场正在蓬勃发展，设备需求几乎翻了一番。”IMS首席执行官Elmar Platzgummer说。
同时，在工艺过程中，还要检测EUV面罩是否存在缺陷。一家供应商Lasertec开发了一种光化性图形掩模检测系统，它使用与EUV光刻相同的13.5nm波长。光化检验被用来检测EUV光罩缺陷。
消息人士称，Lasertec光化系统的交付周期为12至18个月。相比之下，Lasertec光化检测系统的交付周期为3到6个月。
除了光掩模，硅片也是制造芯片的关键部件。在供应链的另一部分，硅片供应商生产各种尺寸的裸晶片，如200mm、300mm等。
新越（Shin-Etsu）、胜高（Sumco）、GlobalWafers、Siltronic、SK Siltron、Soitec是主要的晶圆材料供应商。(GlobalWafers正在收购Siltronic。）
目前，用于逻辑芯片的外延片需求旺盛，而用于内存的抛光片目前供应很充足。“300毫米外延片的供应非常紧张，供不应求，处于短缺状态，”SEMI的分析师Clark Tseng表示。“抛光片还不短缺。然而，随着未来几个季度对内存（DRAM和NAND）的需求开始增加，供需平衡将向短缺倾斜。”
EUV光刻机短缺
一旦硅片被生产出来，它们就会被运到芯片制造商那里，然后将这些硅片加工成芯片。同时掩膜制造商将成品光罩发到代工厂。
代工厂制造芯片很复杂。为了制造一个先进的逻辑器件，晶圆在晶圆厂要使用各种设备进行600到1000个或更多的工艺步骤。一个新的300mm晶圆厂的起价是100亿美元或更多，其中很大一部分是设备成本。例如一个月产能5万片的晶圆厂，工厂可能需要的设备规模如下：
• 50台光刻机，以及晶圆传输带
• 10台大束流、8台中束流离子注入机
• 40台蚀刻机
• 30台CVD设备
除了上述主要设备，还需要其他设备。芯片类型不同工艺流程也不同。一般来说，要制造芯片，第一步是在硅片上沉积一层二氧化硅，然后再沉积一层氮化物。
然后将晶圆插入一个称为涂布机/显影机的系统中。在这个系统中，光刻胶（一种光敏材料）被涂到晶圆上。晶圆高速旋转，让抗蚀剂覆盖整个晶圆。
下一步是曝光。晶圆和光罩放置在光刻机中。光刻机透过掩模将光线投射到晶圆上，根据给定的设计在晶圆上创建图形。
多年来，芯片制造商使用基于光学的光刻系统在芯片上绘制图形。当今最先进的光学光刻机使用193nm波长在芯片上绘制最小的特征尺寸。
采用多图形发生器，芯片制造商将193nm浸没光刻延至7nm。但是在今天的5nm节点上，这些技术的使用难度太大了。EUV光刻技术简化了这一工艺，使芯片制造商能够在7nm及以下范围内制作出最小的特性尺寸。
2018年，三星和台积电分别在7nm节点上引入了EUV光刻技术。现在，两家厂商都在使用5nm的EUV技术来生产芯片。英特尔计划在7nm处引入EUV。三星、SKhynix和其他公司正在为DRAM制造引入EUV。
芯片制造商使用的是ASML最新的EUV光刻机（NXE:3400C）进行生产。该系统采用0.33数值孔径透镜，分辨率为13nm，每小时可处理135到145片晶圆。今年晚些时候，ASML计划推出NXE的升级版本NXE:3600D，吞吐量为每小时160片。
ASML计划在2021年出货40套EUV系统，2022年再出货55套。“我们看到所有细分市场和我们的产品组合的需求都在显著增长。”ASML总裁兼首席执行官Peter Wennink说。
▲ 晶圆制造工艺流程图（来源：TU Wien/微电子研究所）
但市场对EUV光刻机的需求超过了供应。“他们有一个明确的目标要求，规划到2023年的EUV，”Evercore ISI的Muse说。“2022年有70多台EUV设备的需求。ASML将努力达到55台的产能，所以供应是一个问题。”
EUV系统是复杂的，有来自不同供应商的数千个不同组件。例如蔡司的透镜，也许是EUV工具中最复杂的子系统。“栅控项目是卡尔蔡司的光学系统，”Muse说。“交货期很长。制造镜片的机器的生产周期甚至更长。”
因此，获得EUV的等待时间很长。“EUV基本是12到15个月，”Muse说。“浸没式机台时间为6到9个月。非浸没式DUV或 i-line大概是六个月。浸没式，如果你今天来找他们，你要等到2022年上半年才能得到设备。”
沉积/蚀刻需求
在光刻曝光之后，晶圆经历各种蚀刻和沉积步骤。沉积将材料沉积在晶圆上，而蚀刻则将其去除。
对沉积、蚀刻和其他制造设备的需求非常旺盛。“在推动WFE强劲增长的过程中，有几个因素在起作用，”Lam Research总裁兼首席执行官Tim Archer在最近的一次电话会议上表示。“首先，AI、5G和IoT等长期顺风继续加强。第二，先进半导体器件制造的复杂性继续快速增加，导致各个领域的设备产能都在上升。”
总的来说，TEL预计2021年WFE将增长30%。“虽然在逻辑/代工方面的投资是可观的，但2021年WFE增长的主要驱动力是DRAM。尽管一些芯片制造商将EUV引入DRAM制造业，层数可能有限。因此，蚀刻和沉积将与DRAM的WFE保持一致，”TEL America副总裁兼副总经理Ben Rathsack说。
“另一方面，逻辑/代工公司在尖端节点上采用了更多的EUV。在这个非常前沿的技术中，蚀刻和沉积的发展速度可能不及逻辑/代工的WFE，”Rathsack说。“不过，更成熟的节点也有很强的需求，根本不需要EUV。因此，在逻辑/代工领域，蚀刻和沉积需求将保持强劲。就NAND而言，它的总投资增长速度不如其他应用。然而，由于3D NAND的规模是由堆叠而不是小型化驱动的，因此蚀刻和沉积投资正在快速增长。总之，存储器中对蚀刻和沉积的需求正在增长，而逻辑/代工领域的需求仍然强劲。”
然而，沉积和蚀刻设备的交货周期也在增加。“蚀刻和沉积的标准化订货时间为3至6个月。现在我们大概在6个多月，”Evercore ISI的Muse说。
不是所有的蚀刻和沉积系统都一样。在许多工艺中，芯片制造商使用化学气相沉积（CVD）方法在芯片上沉积材料。某些工艺需要不同的系统，称为原子层沉积（ALD）工具，它一次沉积一层材料。
也有不同类型的蚀刻工具。主流的刻蚀设备称为反应离子刻蚀（RIE）系统。该系统可连续移除物料。芯片制造商还使用原子层蚀刻（ALE）系统，在原子水平上选择性地去除材料。
蚀刻供应商正在扩大他们的产品组合。最近，TEL推出了下一代蚀刻平台。这个系统被称为Episode UL，可以容纳4到12个腔室。腔室的数量和配置取决于工艺。
这些腔室排列成两行，而不是集群式设计。这减少了洁净室和公用设施区域每个腔室的占地面积。
“我们的蚀刻和沉积的制造提前期大约是从收到订单到发货的三个月。实际装配时间要短得多，”TEL的Ratsack说。
为了满足对其沉积、蚀刻和其他产品的需求，TEL正在位于Tohoku和Yamanashi的两个新制造厂加紧生产。“我们在2020年建立了两个工厂。有了这两个新工厂，我们的生产能力可以分别提高两倍和1.5倍。我们在Tohoku制造沉积，在Yamanashi做单晶圆沉积、化学干法蚀刻、晶圆探针和FPD干法蚀刻，”Rathsack说。
同时，Lam Research最近为它的Sense.i蚀刻平台发布了一个新的腔室。这种被称为Vantex的腔体，能够使用比以前更高的射频功率水平，以高吞吐量刻蚀高宽高比特性的晶圆。
Lam也在扩张。去年，该公司宣布计划在马来西亚槟城新建一家生产工厂。
工艺控制
检验和计量在制造工艺流程中也很重要。检测系统被用来定位芯片中的微小缺陷。计量设备用于测量结构。芯片制造商使用许多不同的计量设备，如CD-sem、光学和X射线系统。
检验和计量设备的需求量都很大。例如，KLA的设备交付周期通常为6个月左右，但随着需求的增长，这些数字正在发生变化。”他们在下半年增加产能以满足需求。他们试图用6个月的时间来管理自己的业务，现在他们的交付周期是7到8个月，”EvercoreISI的Muse说。
KLA正在预见到设备需求急剧增加。“我们的客户正在增加其战略资本支出投资，以应对这些增长的市场，同时继续投资于领先的研发工作，”KLA首席执行官Rick Wallace在最近的一次电话会议上表示。
计量和检测系统供应商OntoInnovation也看到了类似的趋势，并表示正在跟上需求。“我们建立预测模型是为了保持交付周期的一致性，”Onto的高级主管Mike Sheaffer说。“这意味着为我们的供应商创造了长期交货期组件的预测，以便我们能够满足不断增长的需求。随着我们成为客户更大、更具战略意义的供应商，我们能够与最大的客户签订批量采购协议/预测，使我们能够开始为其所需的装机日期构建系统。”
结 论
没有迹象表明200mm和300mm晶圆厂的芯片需求正在放缓。但是，动力学机制可能会在一夜之间发生变化。
与此同时，芯片制造商需要提前计划。他们的客户也是如此。他们都不想失去任何机会。■
（原文编译自：SEMICONDUCTOR ENGINEERING，BY: MARK LAPEDUS）
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