Эпитаксиальное оборудование: ближайшие перспективы

Эпитаксиальное оборудование: ближайшие перспективы

Выпуск 19 (6718) от 01 октября 2020 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

Рынок эпитаксиального оборудования занимает достаточно малую долю рынка полупроводникового оборудования. Однако это оборудование имеет большое значение при производстве многих как массово выпускаемых, так и перспективных приборов. В целом дальнейшее развитие рынка эпитаксиального оборудования выглядит вроде бы безоблачно, но и на него оказывают влияние американо-китайские противоречия.

Общий объем рынка полупроводникового оборудования оценивается в несколько десятков миллиардов долларов. Напротив, рынок литографического оборудования для индустрии, придерживающейся концепции «Больше, чем Мур», представляет собой небольшую нишу, емкость которой на порядок меньше. Однако новые развивающиеся рынки способствуют увеличению сложности подобного оборудования, что приводит к росту инвестиций. В полупроводниковой промышленности традиционно доминируют кремниевые подложки – ​на них приходится более чем 80% рынка. При этом растет интерес к альтернативным подложкам с использованием GaAs, GaN, SiC и InP.

Действительно, по мере появления новых конечных электронных систем и изделий наряду с ужесточением требований к полупровод-никовым материалам такие подложки стали привлекательными там, где кремний больше не может соответствовать ужесточающимся требованиям. В настоящее время существует уже несколько типов перспективных подложек: «GaN-на-cапфире» для LED, «GaN-на-кремнии» и «GaN-на-SIC» для мощных полупроводниковых приборов, «SIC-на-SIC» для мощных полупроводниковых и радиоприборов, а также «GaAs-на-InP» для радиоприборов и фотоники (рис. 1).



Источник: Yole Développement

Рисунок 1. Выращивание эпитаксиальных слоев и их применение

* EEL (edge emitting laser) – лазеры с торцевым излучением.

** VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) – излучающий с поверхности полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором.


Все эти материалы полупроводниковых подложек, приборов на основе кремния, а также приборов с использованием соединений типа АIIIВV требуют осуществления такого этапа технологического процесса, как эпитаксия. Данный этап – ​один из первых при формировании электронных и оптических компонентов, он заключается в нанесении монокристаллической пленки на монокристаллическую подложку. Расширение применения данного процесса, позволяющего улучшить качество пленок, способствует росту продаж эпитаксиального оборудования, такого как системы химического осаждения из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD), установки молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE) и инструментальные средства химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ/CVD). Выбор установки эпитаксиального выращивания зависит от предъявляемых к конечному прибору требований с точки зрения эксплуатационных характеристик и стоимости.

Действительно, требования и методики эпитаксии для приборов на основе не кремниевых подложек (в основном подложек из сложных материалов типа АIIIВV) отличаются от требований, предъявляемых к эпитаксии для стандартных приборов на основе кремния.

С технологической точки зрения большинство приборов, формируемых на основе составных полупроводниковых материалов типа АIIIВV, таких как GaAs- и GaN-приборы, изготавливаются при помощи MOCVD-оборудования. В то же время основной технологией осаждения для компонентов на основе кремния, SiC-приборов и высоковольтных изделий в целом является высокотемпературное ХОПФ (HT CVD) (рис. 2). По сути эти процессы аналогичны процессам, используемым при формировании обычных полупроводниковых приборов, но осуществляются при высокой (более 1000 °C) температуре и для достижения оптимальной производительности при оптимальной стоимости владения требуют перепроектирования.



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Типы оборудования для выращивания эпитаксиальных слоев


MOCVD-оборудование в основном применяется для изготовления приборов на составных полупроводниковых материалах, включая лазерные диоды, LED и некоторые мощные компоненты на основе SiC или GaN. Эти производственные системы были освоены в серийном производстве LED, лазерных диодов и радиоприборов в конце 1990-х гг. Для некоторых применений в этой области уже используются альтернативные технологии, рассматривающиеся как конкурентные по отношению к MOCVD решения, – ​например, MBE. Однако применение здесь MBE-оборудования остается ограниченным рамками научно-исследовательских работ, направленных на совершенствование GaAs-радиокомпонентов или радиоприборов на основе InP. Появление каких-либо прорывных технологий в этой области, способных существенно изменить обстановку в среднесрочной перспективе, не ожидается (рис. 3).



Источник: Yole Développement

Рисунок 3. Прогноз развития рынка эпитаксиального оборудования


Большинство прогнозов рынка оборудования рассчитывается на основе базовых сценариев. Однако рынок LED и MicroLED очень сложен для анализа. Как правило, используются два сценария – ​базовый и энергичного развития. Такой подход используется, потому что сложно в точности предсказать, что произойдет.

Например, инвестиции в оборудование эпитаксиального выращивания для традиционных LED-приборов не следуют тенденциям спроса на обработанные пластины – ​на них влияют в основном избыточные мощности китайских изготовителей ИС. Цепочки поставок LED эпитаксиальных пластин и LED-кристаллов сейчас в основном находятся в руках китайских фирм – ​по крайней мере это касается LED малой и средней мощности. Такое состояние рынка эпитаксиального оборудования – ​прямое следствие стратегии руководства КНР по активному субсидированию отечественных изготовителей LED на уровне кристалла. Ситуация такова, что либо эти фирмы получают значительные субсидии на закупку MOCVD-реакторов и прекращают инвестировать на соответствующие цели в течение нескольких ближайших лет вследствие достижения избыточности мощностей, либо все основные китайские производители LED продолжают осуществлять избыточные затраты на MOCVD-реакторы.

Кроме того, в случае MicroLED увеличению спроса на них способствует расширение области использования – ​в телевизорах класса люкс, средствах дополненной реальности и наголовных проекционных дисплеях, автомобильных системах и смарт-часах. Корпорация Apple заявила о намерении использовать MicroLED в своих старших моделях смарт-часов в 2021 г., что станет дополнительным фактором увеличения вложений в MOCVD-реакторы.

Единственное различие между базовым сценарием и сценарием энергичного развития – ​потенциальный вклад смартфонов. Во втором случае смартфоны предъявят высокий спрос на MicroLED, за счет чего годовое число эпитаксиальных 150-мм пластин, на которых те формируются, приблизится к 6,5 млн шт., что сопоставимо с современными объемами производства пластин со сформированными LED. Тогда появится еще одна причина для роста спроса на MOCVD-оборудование. Впрочем, существует значительный риск того, что эти ожидания не сбудутся.

Дополнительная возможность роста продаж оборудования эпитаксии связана с лазерными диодами, поскольку промышленность массово использует лазеры с торцевым излучением (EEL) и излучающие с поверхности полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), в том числе при изготовлении потребительской электроники. С другой стороны, на MEMS и мощные приборы приходится небольшая ниша общего рынка эпитаксиального оборудования. Как следствие, общие отгрузки оборудования эпитаксии, исключая MBE-оборудование, как ожидается, вырастут с 522 установок в 2019 г. до 1213 в 2025-м по базовому сценарию и до более чем 2000 по сценарию энергичного развития. Объемы продаж составят, соответственно, почти 960 млн долл. в 2019 г. и более 2,9 млрд/6,2 млрд долл в 2025 г. Доход будет в основном генерироваться за счет микро-LED и мощных SiC-приборов, а также лазерных диодов.

В настоящее время основным источником доходов поставщиков эпитаксиального оборудования служат поставщики традиционных LED, за которыми следуют производители мощных полупроводниковых приборов. В то же время со стороны изготовителей радиоприборов объемы поступаемых заказов пока малы. Что касается среднегодовых темпов роста продаж в сложных процентах (CAGR) то здесь, как ожидается, в период 2019–2025 гг. наибольшие показатели будут демонстрировать лазерные диоды и мощные полупроводниковые приборы – ​как в базовом сценарии, так и в сценарии энергичного развития (20 и 36% соответственно).

По мнению отраслевых аналитиков, MOCVD-оборудование больше подходит для изготовления приборов на основе GaAs, GaN и InP, в то время как высокотемпературные ХОПФ-системы предпочтительнее приборов на основе SiC и кремния (рис. 4).



Источник: Yole Développement

Рисунок 4. Характерные свойства эпитаксии и требования к ее применениям


В настоящее время оборудование MBE в основном применяется для производства фотонных микросхем, детекторов и PIN-диодов. Хотя эта технология обеспечивает значительные преимущества фотонике на основе InP, а также сетям и средствам связи 5G, работающим в диапазоне 20 ГГц, точно предсказать развитие рынка MBE-оборудования в краткосрочной и долгосрочной перспективе крайне затруднительно.

С точки зрения структуры рынка можно отметить высокий уровень монополизации: на трех ведущих поставщиков, Aixtron, Veeco и AMEC, в 2018 г. приходилось почти 60% продаж эпитаксиального оборудования (рис. 5). Хотя в конкурентном ландшафте представлено значительное число поставщиков, их можно разделить на две группы в силу специ-фики бизнес-моделей. С одной стороны находятся ведущие поставщики полупроводникового оборудования, такие как DELL и AMAT, поставляющие оборудование начальных этапов обработки (front-end-on-line, FEOL). Они в основном предлагают ХОПФ-оборудование, оптимизированное для процесса эпитаксии. С другой стороны представлены поставщики специализированного оборудования, такие как Aixtron, Nuflare, AMEC и LPE. Они главным образом предлагают MOCVD-оборудование, не производимое фирмами первой группы. Их целевой рынок – ​поставщики приборов на сложных (составных) полупроводниках.



Источник: Yole Développement

Рисунок 5. Структура мирового рынка эпитаксиального оборудования в 2018 г. (на фирмы Aixtron, Veeco и AMEC приходится почти 60% рынка)


На рынке оборудования для производства GaAs-приборов лидирует корпорация Aixtron, в то время как AMEC занимает схожие позиции в сфере систем для изготовления LED. При этом Aixtron активно расширяет ассортимент предложений, пытаясь выйти в другие секторы рынка. Сложные отношения между КНР и США также оказывают воздействие как на рынок эпитаксиального оборудования в целом, так и на конкретные фирмы. Например, американская корпорация Veeco из-за ужесточения экспортного законодательства потеряла китайский рынок, и ее долю захватила AMEC. Если американо-китайский конфликт будет усиливаться, существует риск обострения подобных проблем.


Pizzagalli Amandine. Epitaxy: An Epic Growth. Semiconductor Digest, September 3, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/09/03/epitaxy-an-epic-growth/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ