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MOCVD设备应用概况介绍及市场情况分析2010-09-28 导读: 2010年中国LED产业异常火爆，在政策补贴的推动下，台湾、美国LED蕾晶业者积极进驻中国，预计中国在未来几年规划增加的LED设备MOCVD台数超过1200台，其中，今年增加的数量就超过300台。 关键字 MOCVD设备 LED外延片 GaN-MOCVD LED芯片 一、MOCVD设备与应用德国AIXTRON公司(德国艾思强公司)和美国VEECO公司(美国维易科精密仪器有限公司)两家公司几乎生产了全球90%以上的主流MOCVD设备。1、生产效率和成本概况国际上MOCVD技术已经相当成熟，主流设备从2003 年6-8 片机、2004 年12 片机、2005 年15片机、2006 年的21-24 片机，目前已经达到42、45、49 片机(一次可装载49片2英寸的衬底生长外延)。外延炉容量的不断扩大让LED 外延片生产商的单位生产成本快速大幅下降。目前，量产企业对单批产能的最低要求是在30片以上。国产设备目前为6片机，生产效率和生产成本差距甚远。2、价格及产值概况生产型MOCVD设备的售价高达10002000万元。根据机型，6片机70万美元左右，9片机100万美元左右，加上相关配套设备设施，一条产线LED生产线需要投入4000 多万元。若新采购设备为45 片机生产蓝光芯片，按3 炉/天计算，年产4 .9万片左右，收入4800 万元，投入产出基本为1:1。3、生产过程工艺复杂，参数众多，优良率与均匀性是关键外延片生长过程工艺复杂，参数众多，培养专业操作人员需时间较长。一个最简单的GaN蓝光LED单量子阱结构，其生长工艺包括：高温烘烤、缓冲层、重结晶、n-GaN、阱层、叠层及p-GaN等，工艺步骤达几十步，每一步需调整的工艺参数共有20多个，各参数之间存在比较微妙的关系，工艺编辑人员需根据工艺要求，对各个参数进行逐一调整，必要时还要进行计算，如升温速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等。如何根据工艺需要自动对参数进行检查，减轻工艺人员的工作量，是值得研究的新兴课题。每个外延芯片、生产批次与系统之间的关系，能确保良好的均匀性以及优良率，尤其在芯片厂商扩产时，还能维持相同的优良率与均匀性就显的特别关键。4、4英寸MOCVD设备将成为主流现阶段台湾外延厂商在技术上已经具备生产4英寸和6英寸的能力，但是出于成本的考虑，多数台湾厂家还是以2英寸的MOVCD设备为生产主线；大部分欧美与韩国厂商则早已使用4英寸MOVCD设备。市场预期一旦4英寸外延片材料成本大幅崩落（目前4英寸外延片的成本价格约为2寸外延片的四倍），2英寸的MOCVD设备将逐渐被4英寸所取代。AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX 2800G4 HT MOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%（相较于传统42x2-inch的架构），不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edge effect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。二、MOCVD设备市场情况1、设备供应商概况目前国际上主要的MOCVD设备供应商有两家： 德国AIXTRON公司(德国艾思强公司) 根据Gartner Dataquest最近的一份分析报告，2008年AIXTRON公司MOCVD复合半导体设备的全球占有率达到72%。目前，AIXTRON公司最先进的独特的行星转盘技术应用在大型G4 2800HT 42*2”以及Thomas Swan(1999年被AIXTRON收购) CCS Crius 30*2” MOCVD系统，使得AIXTRON的MOCVD设备被公认为世界上技术和商业价值最完美的结合。 美国VEECO公司美国维易科精密仪器有限公司占20%以上，其中主打机型45片机K465已经销售超过100台，至今K系列MOCVD产品全球销售超过200台。80%的世界顶尖LED企业已经采用K465型号的MOCVD，截止到目前，VEECO于中国地区大有斩获，累计MOCVD出货已达85台。VEECO的MOCVD主要有以下优势： 首先，它是量产型机器，能有效提高量产的时间，减少清洗和维护的时间和次数。因为开仓清洗过程需要从高达1000摄氏度的温度冷却后清洗，然后再将温度升高至1000摄氏度，需要浪费不少的时间。第二，自动化程度高，减少人为操作。例如可自动化导入，机械手在生产完成后可自动更换蓝宝石等，属于量产型的设计。第三，保护设备投资，防止落伍。避免将来由于新的设备出现，造成旧设备的落伍。通过计划与客户充分沟通，新的设备与旧的设备联繫在一起，提升产品的良率。今年以来由于MOCVD机台供不应求的状况，使得VEECO在这段期间取得了相对有利的市场地位，尤其在中国市场大有斩获。中国地区的成长相较去年成长将近80%。根据了解，由于VEECO开始透过委外代工来增加产能，目前产能规模直追产业龙头AIXTRON，因此明年MOCVD机台供给不足的瓶颈将可望获得解决。 其他厂家主要包括日本酸素(NIPPON Sanso)和日新电机(Nissin Electric)等，其市场基本限于日本国内。此外，日亚公司和丰田合成的设备主要是自己研发，其GaN-MOCVD 设备不在市场上销售，仅供自用。从设备性能上来讲，日亚公司设备生产的材料质量和器件性能上，要优于AIXTRON和EMCORE(已经被VEECO收购)的设备。按生产能力计算，2006 年GaN型MOCVD 设备在全球市场的主要分布为：中国台湾地区48%，美国15%，日本15%，韩国11%，中国大陆7%，欧盟4%。MOCVD的主要厂商虽然为欧美，但最大的两家AIXTRON 和VEECO 都是单纯设备制造商，不会对外延片生产厂构成威胁。2、国产化艰难MOCVD设备是制作LED外延片的关键设备，而LED外延片的水平决定了整个LED产业的水平。我国于2003年正式实施“国家半导体照明工程”，并在“十五”、“十一五”重点攻关课题和“863”计划中，将MOCVD设备国产化列入重点支持方向。在国家政策的支持下，“十五”期间，我国在MOCVD设备国产化方面已取得了初步成效。中国电子科技集团公司第四十八研究所通过消化吸收和关键技术再创新等措施，研发成功了GaN生产型MOCVD设备（6*2），填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。同时，中科院半导体所、南昌大学、青岛杰生电器等单位也成功研发了研究型的MOCVD设备。然而，国产MOCVD设备还存在以下问题：（1） 国产MOCVD设备仍处于技术跟踪阶段，设备产业化水平与生产需要不相适应目前，国内研制的MOCVD设备最大产能为6片（48所的GaN-MOCVD）。然而，截至到2007年12月，在国外推出的最新型MOCVD设备中，AIXTRON已推出行星式反应器的42片机（AIX2800G4 HT）和CCS反应器的30片机（CRIUS）。由于产能的差距，小批量的MOCVD设备外延片生产成本较高，大大降低了设备的性价比，使得国产设备刚研发出来就已经落后了。量产企业对单批产能的最低要求是在30片以上。（2） 设备造价高，应用风险大，多数厂商更愿意采购技术成熟的进口设备MOCVD设备的造价昂贵，生产型MOCVD设备的售价高达10002000万元。厂商对此类设备的采购均十分谨慎，更愿意采购技术成熟、售后服务完善的进口设备，使得国产MOCVD设备的推广处于尴尬的境地。（3） 自主创新有待加强，国产MOCVD设备面临专利壁垒目前，国产MOCVD设备的研发还处于“消化、吸收”阶段，而国外主流商用机型已建立严密的专利保护，如AIXTRON的Planetary Reactor反应器、THOMAS SAWN的CCS（Close Coupled Showerhead Reactor）反应器、VEECO的Turbo Disk反应器和日本SANSO公司双/多束气流（TF）反应器均是自己独有的专利技术，国产MOCVD设备产业化面临专利壁垒的考验。3、中国MOCVD设备数量与增长情况高亮度LED需求强 台湾LED厂商扩产凶猛2007统计数据显示：台湾地区MOCVD 机台数量为310台，大陆地区为55 台左右。到2008年底，两地区累计增加了126台。2008 年底大陆地区增加到87 台，增长58%，由于一些厂商的设备08 年主要是安装调试，以及工艺上的摸索，产能的真正的释放在09 年。根据不完全统计，2009年中国大陆MOCVD设备新增台数将超过100台左右，从数字上讲，台湾厂商在扩充产能方面领先大陆，晶电、璨圆、泰谷今年以来陆续增购MOCVD机台，预计到今年底，晶电的MOCVD机台总数将达180-190台，璨圆MOCVD机台总数将达33台，泰谷MOCVD机台数也将达27台。2010年中国LED产业异常火爆，在政策补贴的推动下，台湾、美国LED蕾晶业者积极进驻中国，预计中国在未来几年规划增加的LED设备MOCVD台数超过1200台，其中，今年增加的数量就超过300台。 中国各地方政府积极推动补贴政策，对区域LED企业引进MCOVD机台，给予每台800-1000万人民币的补贴额度，大幅降低了LED芯片企业的设备购置成本，使LED芯片厂MOCVD的规划数量大量提高，并吸引许多台湾、美国等地区的主流LED厂商进入中国大陆市场。进口1200台MOCVD的思考类别：行业动态 发布时间：2010-9-13阅读：1107最新发表的2010年中国LED芯片企业行业分析报告中指出，中国在未来几年内规划增加的MOCVD台数超过1200台，其中2010年规划增加的MOCVD数量超过300台。虽然，依据历史经验看，中国各年实际增加的MOCVD数量会小于规划值，但是MOCVD规划的数量从一个侧面反映出目前中国LED芯片行业异常火热。据说至少有6家企业MOCVD的总规划数量在100台以上，其中，厦门三安和德豪润达都已定购了超过100台。 1200台是惊人的数字 据水清木华研究报告称，LED是目前电子产业中投资最活跃的领域。依LED上游的MOCVD机台为例，预计2010年全球MOCVD机台出货量是662台，是2007、2008、2009年三年的总和。而预计2011年仍然能够维持这么高的出货量。MOCVD机台，根据芯片加工的数量不同，每台售价大约100-300万美元，而中国地方政府为了鼓励投资LED项目, 可以每台补助40%左右的货款。因此在中国境内掀起一股LED投资热，疯狂采购MOCVD机台，2010年单在发改委登记备案的就有近700台，有些厂家不等发改委的补贴而直接购买。全球MOCVD机台差不多被德国AIXTRON和美国VEECO公司垄断，由于两家的产能有限，据说订单已经排到2012年。 另外，据SEMI最新报道, 全球上游LED芯片厂的数量按地区分布，中国是增长最快的地区之一，基本上与台湾地区相当，居全球领先地位。如下表所示; 全球LED生产线数量按地区分布 因此, 中国为了迎头赶上发展LED产业, 各级地方政府正采取各种补贴措施，积极鼓励进口MOCVD设备。 假设进口1200台MOCVD实现的话, 如依平均单价每台2000万人民币计，需要总投资达240亿元,这是一个巨大的市场。 以下是对于进口如此大量MOCVD设备的几点思考： 先进技术是买不到的 LED与半导体业几乎雷同, 设备投资占主要地位。同样LED芯片生产中设备起着关键作用。目前阻碍LED普及的原因主要是成本太高, 仅设备折旧占成本的1/3，所以目前几乎是普通照明价格的10倍。并且从高功率LED发展中，设备更是起到卡壳的作用。 如此情况下, 中国进口大量的MOCVD, 虽说是可以缩短项目投产的时间，提早实现产值。但是不可否认由于进口设备价格高, 相应的折旧等费用大，导致成本下降缓慢，缺乏竞争力,更主要是对于进口设备, 由于专利技术掌握在别人手中可能阻碍自主研发的进程。因此，从长远看，进口设备几乎是等于永远被别人牵着鼻子走。 其实，这样用进口设备来发展的理论，在中国半导体业中已经深受教训。众所周知，先进技术是不可能用钱买来的，如今在LED业中将再次重演。 设备国产化的探讨 LED业的发展, 卡在芯片制造, 也即MOCVD设备是关键。然而，国内许多有识之士关于开发国产MOCVD设备方面提出许多中肯的建议。归纳起来无非是工业基础薄弱, 工艺与设备脱节, 专利技术的控制,产学研无法结合，以及国内政策方面有待改善，如进口另备件需要完税，而进口MOCVD又可以免税, 导致国产设备需用大量进口另备件而在价格上缺乏竞争力。这一切都不是短时间内能够解决, 也反映设备国产化是十分困难。因此各级地方政府尽管深明其理，然而首先为了迎合GDP的短期目标，通常对于设备的开发并不十分热心, 至少觉得这是国家层面需要解决的事。 近期看到媒体报道,印度政府拟禁止进口光伏发电相关设备来促迅印度国内制造业的发展。从明年3月起，这些入选项目必须使用印度制造的太阳能电池。由此觉得中国的主管部门至少可以仿效。任何事情肯定有困难，但是不去努力，永远无法达成目标。 1200台MOCVD的市场需求是一个筹码,要充分利用它。显然，如何形成合力是一门艺术，考验主管机关的智慧。为了说明1200台MOCVD的筹码有多重, 举美国Veeco公司的营收作说明。Veeco其Q2的营收由去年同期的7,200万美元大增251.4%至2.53亿美元；MOCVD设备出货量达81台。其中中国的订单可能占其40%的市场份额。 因此, 同样建议与印度政府采用类似的方案,与国内设备厂能联合起来,要求与中方合资建厂生产MOCVD来解决国内的需求。即便一开始合作生产的机型不是最先进，也可使国内MOCVD设备业水平上升一大步。 另外,近期看到Aixtron将斥资4,000万欧元(约5,600万美元)兴建先进研发中心，该研发中心将位于德国Herzogenrath-Kohlscheid，预计在未来23年内完工。 身为有机金属物化学气相沉积(MOCVD)机台大厂，Aixtron表示，这项研发投资的近期目标为配合LED一般照明市场需求，希望能够协助降低LED芯片制造商的成本。这座研发中心第1期营运预计聘雇350名研究人员，大幅增加原理型设备(prototype)的研发能力。同样，中国也迫切需要联合外方兴建一个MOCVD的研发中心。 结语 如同光伏产业等发展一样,LED具有巨大的市场潜力。一个简单的数字可以告诉大家，全球半导体业销售额今年可达3000亿美元，平板显示业为1000亿美元，光伏产业为300亿美元，而LED刚90亿美元，反映LED业的前景巨大。所以实现MOCVD设备国产化是迟早必须要解决的事。因为依靠大量进口设备来发展产业是任何国家无法容忍的, 因此中国一定要下功夫来寻找合适的对策与突破口。AIXTRON和VEECO的比较德国AIXTRON公司(英国THOMAS SWAN公司已被其收购)，大约占60-70%的国际MOCVD市场份额。美国VEECO公司（并购美国EMCORE公司），占30-40%。其它MOCVD厂家主要包括日本的NIPPON Sanso和Nissin Electric等，其市场基本限于日本国内。如日本日亚公司和丰田合成等公司的GaN-MOCVD设备不在市场上销售，仅供自用；而日本SANSO公司生产的GaN-MOCVD设备性能优良，但仅限日本市场销售。从设备性能上来讲，日亚公司设备生产的材料质量和器件性能，要远优于AIXTRON和EMCORE的设备。本人没有用过日本的设备没有发言权，而THOMAS SWAN的设备占有量很小，不详细介绍了，主要比较VEECO和AIXTRON。b. K8 kj. ?. S4 _5 J, ) C 7 k( D1 QB9 Q( c5 k一、VEECO6 / R: y I2 D9 F; 1、VEECO采用了高速旋转，但是没有自转，所以有明显的within-wafer和ring-ring的均匀性问题，但是run-run 和ring内的均匀性极好，这就是为何其设备比较适合生产LED，因为LED有个binning的步骤，对于ring-ring的均匀性问题可以通过binning 解决，但是如果是生长DFB、VCSEL等外延结构相互关系紧密且互相影响程度达到可以造成器件整体功能丧失的情况，VEECO则力不从心。8 u) W. . 8 f2、另外VEECO设备除了年度维护外不开炉体，适合大规模生产，还可以2个托盘交替，只要在年度维护结束后，对炉体和托盘进行适合的覆盖性生长，1-2月内使设备稳定，就可以放心的使用，同时，在几个月的时间内还是有规律可以摸索。但是需要注意的是，托盘的更换还是会导致参数变化。u- ? e- , Y) K+ f0 u3、但是，VEECO设备的炉体比较大，虽然最近进行了缩小，但还是在气体用量上比较浪费，但是其不可以进一步减小，这和炉体设计及生长优化机理相关。! R9 E( F; M7 B% C4、还有就是当使用VEECO生长一些有相互污染的材料，则有残留问题，而解决就只能拆炉子，这样就提高了维护成本，所以VEECO适合同一产品的反复生长。 L+ M$ v1 3 w( Z- | l 9 q/ 4 S: m5 二、AIXTRON; j4 U3 T5 s l1、AIXTRON采用了低速旋转加自转，所以明显改善了同一炉内within-wafer的均匀性，如果是生长DFB、VCSEL等外延结构相互关系紧密的器件，AIXTRON就比较适合。) A; q- V3 E v2 q4 g9 u7 N/ 2、AIXTRON每次需要打开炉体，run-run的均匀性掌握就很关键，而且每次托盘的更换之间只有20次左右的生长，且各种条件均变化，需要每一炉均有一定的调整。这就是技术难点所在，但也正是每一次的调整使我们有了掌握工艺的主动权，所以可以生长更精密的结构。3 L8 9 f5 F( G: 3、AIXTRON需要不断地维护，每次更换托盘需要工艺调整，同时还经常会出现自转速度变化甚至停转，这需要注意。; g3 s b w% & F1 g; x4、AIXTRON采用中央喷嘴的方式提供源，这就必然产生因为设计而形成的源不均匀分布，需要注意和调整。但是我们也可以通过观察喷嘴和炉体的情况判断工艺的稳定性，这就是AIXTRON灵活性所在。 + a, U; N2 * n- s9 N* 5、AIXTRON设备的炉体比较小，在气体用量上比较节省。+ w# O y9 i! j. U6、由于炉体的灵活性，对于生长一些有相互污染和残留效应的材料，也风险小一些，AIXTRON更可以生长多种产品，并尝试进行研发工作。) u i3 w, h # j) c6 Z m&