Сектор пластин малого диаметра: состояние и перспективы

Сектор пластин малого диаметра: состояние и перспективы

Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г.
РУБРИКА: ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

Заводы по производству и обработке пластин диаметром 150 мм и менее по-прежнему процветают, занимая устойчивое положение в ряде технологических ниш. Это наблюдается во всех странах, особенно в КНР. Одна из причин – ​применение прорывных технологий, в которых используются новые перспективные материалы со специфическими свой-ствами.


Состояние производственной базы в секторе маломерных пластин

В последних сообщениях о развитии производственной базы полупроводниковой промышленности можно найти упоминания о крупных инвестициях в сооружение заводов по обработке 300‑мм пластин. Например, это завод корпорации Infineon в Австрии за 1,6 млрд долл. или начатое строительство «мегафабрики» в шт. Аризона (США) за 12,0 млрд долл., осуществляемое TSMC. Подобные события не означают, что мировая полупроводниковая промышленность отказывается от заводов по обработке пластин диаметром 150 мм и менее. В настоящее время существует около 800 подобных предприятий, более половины из которых (464) расположены в странах Азии, а значительное число по-прежнему действует в США (187) и Европе (136) (рис. 1). Несмотря на то что по многим типам полупроводниковых приборов наблюдается переход к обработке пластин большего диаметра (что уменьшает удельную стоимость продукции и снижает общие издержки за счет экономии, обусловленной ростом масштабов производства), сектор обработки пластин диаметром 150 мм и менее не испытывает серьезных трудностей.



Источник: Yole Développement

Рисунок 1. Географическое распределение заводов по обработке пластин диаметром от 25 до 150 мм


Интеграция аналоговых функций в технологии на основе КМОП-процесса достигла физических ограничений, описываемых т. н. законом Мура, что привело к появлению и развитию концепции «Больше, чем Мур». На ее основе реализуется широкий диапазон полупроводниковых приборов, таких как микроэлектромеханические системы (MEMS) и датчики, КМОП-формирователи сигналов изображения, силовая электроника, радиочастотные приборы. Все эти приборы интегрируют аналоговые и цифровые технологии.

Рост числа конечных систем, требующих использования полупроводниковых приборов, реализуемых по концепции «Больше, чем Мур», – ​один из факторов развития рынка пластин малого диаметра (150 мм и менее). Предполагается, что доходы от реализации пластин этих диаметров в период 2019–2025 гг. будут увеличиваться со среднегодовыми темпами роста в сложных процентах (CAGR) порядка 1,3%. Общий объем продаж в конце прогнозируемого периода составит 5,6 млрд долл. (рис. 2). Следует отметить еще несколько моментов. Во-первых, сектор маломерных пластин охватывает как кремниевые, так и некремниевые подложки, т. е. аналоговые функции интегрируются как в КМОП-технологии, так и в технологии на основе иных полупроводниковых материалов. Во-вторых, наиболее устойчивый спрос будут предъявляться на пластины диаметром 150 мм – ​CAGR в этом секторе за 2019–2025 гг. составит 4,7%. В-третьих, большая часть доходов от продаж 50‑нм пластин будет достигнута за счет InP-подложек.



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Структура рынка пластин диаметром 150 мм и менее в 2019 и 2025 г. (прогноз) в разбивке по используемым материалам


Для поддержки заводов по обработке пластин малых диаметров по всему миру существует достаточно богатая и разнообразная экосистема, охватывающая цепочку от поставщиков сырья до производителей необработанных пластин. К поставщикам сырья относятся, например, Silicon Wafer Enterprises (шт. Калифорния, США) и Atecom Technology (Тайвань), а к производителям пластин – ​АТЕКОМ, «Монокристалл» (Россия), Pam--Xiamen (КНР) и Siltronic (ФРГ). Производители необработанных пластин могут поставлять свою продукцию напрямую фирмам--владельцам заводов по обработке пластин (таким как Intel, Global Foundries и TSMC и т. д.) или дистрибьюторам необработанных пластин. Последние тоже поставляют эти пластины производителям ИС и полупроводниковых приборов, а также (в меньших объемах) научно--исследовательским учреждениям, таким как Межуниверситетский центр микроэлектроники (IMEC, Левен, Бельгия) и общество Фраунгофера (ФРГ), университетам, стартапам, малым и средним предприятиям.

Дистрибьюторы необработанных пластин также располагаются по всему миру. Например, это Elma в Азиатско--Тихоокеанском регионе (АТР), Wafer Export в Европе и Nova Electronic Materials в США.

Еще один источник поставок необработанных пластин для заводов по их обработке – ​фирмы, специализирующиеся на восстановлении пластин. Эти фирмы восстанавливают пластины, которые частично прошли технологический маршрут на -каком-либо из заводов по их обработке, но по тем или иным причинам (изменение конструкции, ошибка процесса литографии и т. п.) были забракованы. При восстановлении верхняя часть пластины стирается, и полученная пластина возвращается на завод по их обработке, где с ней поступают как со стандартной подложкой для тестирования и аттестации.

Сегодня фирмы по восстановлению пластин, как правило, в первую очередь занимаются 200‑мм и 300‑мм структурами. Заниматься восстановлением кремниевых пластин диаметром 25–150 мм экономически нецелесообразно. Однако существует интересная тенденция – ​растущий рынок восстановления некремниевых пластин, прежде всего SiC- и GaAs-структур. Оба типа этих пластин по-прежнему достаточно дороги по сравнению с кремниевыми, поэтому восстанавливать их выгодно даже при диаметрах 150 мм и ниже. Также наблюдается рост объемов восстановления GaN-пластин диаметром 100–150 мм и ряда пластин из других материалов. Сапфировые подложки данная тенденция пока не охватила (как и кремниевые).


Цепочка поставок

Заводы по обработке пластин поставляют свою продукцию как непосредственно изготовителям комплектного оборудования (ОЕМ), таким как Apple, Samsung, Dell и Huawei, так и фирмам, специализирующимся на сборке, корпусировании и тестировании полупроводниковых приборов (OSAT) – ​таким как корпорации ASE Technology (Тайвань) и Amkor Technology (США). Они могут поддерживать заводы по обработке пластин в операциях интеграции, а также в операциях завершающей обработки.

Хотя доминирующим материалом для 150‑мм пластин по-прежнему является кремний, особенно для MEMS потребительского назначения, в секторе пластин этого диаметра умеренный или наибольший рост в период 2019–2025 гг. будут демонстрировать пластины на основе других материалов. Например, продажи 150‑мм SiC-пластин в конце прогнозируемого периода могут достигнуть 712 млн долл. при CAGR = 18,6%. Наконец, по мере того как производство радиоприборов и мощных полупроводниковых приборов переводится на кремниевые пластины диаметром 200 и 300 мм, продажи кремниевых 150‑мм пластин за рассматриваемый период могут снизиться на 3,3%.


Консолидация отрасли

В последние годы в секторе пластин малого диаметра наблюдается тенденция консолидации, реализуемая посредством сделок слияния и поглощения. В наибольшей степени это касается сектора SiC-пластин, в чуть меньшей – ​сектора GaN-пластин. Например, в последние годы корпорация STMicroelectronics поглотила фирму Nortel в целях расширения своего SiC-бизнеса, а корпорация Soitec приобрела фирму EpiGaN. В феврале 2020 г. один из крупнейших в мире производителей кремниевых пластин, корпорация SK Siltron, купила подразделение группы DuPont по производству SiC-пластин. Этим она показала, что даже крупные производители кремниевых пластин заинтересованы в материалах, поддерживающих концепцию «Больше, чем Мур», а кроме того, желают обезопасить свои цепочки поставок. К тому же начиная с 2018 г. было заключено несколько заметных сделок. Например, корпорация Cree Wolfspeed договорилась о поставке своих SiC-пластин корпорациям Infineon Technologies, STMicroelectronics и ONSemiconductor для производства SiC ИС и приборов. Фирма SiCrystal (подразделение Rohm) в марте 2020 г. подписала соглашение о поставке SiC-пластин фирме ONSemiconductor. Наконец, с июня 2020 г. фирма II‑VI получила лицензию на использование SiC-технологии корпорации General Electric, специализирующейся на производстве SiC-приборов для рынков автомобильной и авиационной электроники.

Помимо строительства новых заводов по обработке пластин и закупки нового оборудования существует достаточно оживленный рынок модернизированного оборудования и технического обслуживания – ​дополнительный аргумент к утверждению «заводы по обработке пластин никогда не умирают». Амортизированные заводы по обработке пластин также предоставляют возможности массового производства недорогих приборов. То есть одновременно с тем, что полупроводниковые приборы старших моделей могут изготавливаться на новых заводах по обработке 200‑мм пластин, по-прежнему существует значительный спрос на изготовление стандартных мощных полупроводниковых приборов, таких как IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и MOSFET (МОП полевые транзисторы) на пластинах диаметром 150 мм.

На полностью амортизированных заводах по обработке пластин диаметром 150 мм и менее технологическое оборудование может быть использовано для оказания услуг по производству обладающих конкурентоспособной ценой приборов – ​в зависимости от возможностей их адаптации к различным материалам и диаметрам обрабатываемых пластин (включая 100‑мм и 150‑мм пластины).


Устойчивость рынка

Устойчивость рынка услуг производства и обработки пластин малого диаметра не в последнюю очередь связана с «достаточно хорошим» соотношением выхода годных и рентабельности инвестиций. То есть отношение производительности прибора, произведенного на малых пластинах, к удельным затратам на его формирование не связано с высокими капитальными затратами или рисками, связанными с изменениями технологического процесса.

Это ценностное предложение в сочетании с развитой экосистемой подходит многим развивающимся секторам конечных электронных систем, услуг и применений, таким как электрификация транспортных средств, радиоприборы, датчики, актюаторы и MEMS в автомобильной и потребительской электронике. Стоимость изготовления пластин диаметром 25–150 мм невелика. Это делает их привлекательными для небольших изготовителей и научно--исследовательских институтов, для которых стоимость масштабирования инструментальных средств для обработки пластин бóльших диаметров может оказаться непомерно высокой. Кроме того, экономический смысл сохранять небольшие размеры кристаллов на пластинах малого диаметра существует тогда, когда объемы производства не испытывают значительный рост. Для некоторых производителей пластин инвестиции в масштабирование технологий для выращивания более крупных кристаллов могут оказаться неподъемными. Еще одно преимущество использования пластин малого размера – ​при освоении обработки пластин бóльшего диаметра выход годных может снижаться, по крайней мере на начальных этапах.


Выбор материала

Выбор материала для пластин диаметром 25–150 мм обуславливается как развивающимися рынками, так и конечными продуктами. Каждый материал, такой как сапфир, монолитный GaN, GaAs, SiC, InP или титанат лития – ​ниобат лития и кремний, имеет физические свой-ства, наиболее подходящие определенному применению (рис. 3).



Источник: Yole Développement

Рисунок 3. Эволюция диаметра пластин в зависимости от материала


Карбид кремния (SiC) – ​один из перспективных материалов, область применения которого быстро расширяется, что связано с привлечением крупных инвестиций. Почти все ведущие разработчики и производители силовой электроники и приборов на основе сложных полупроводников активно участвуют в разработке решений на основе SiC. Благодаря этому растут объемы производства SiC-пластин диаметром до 150 мм и даже 200 мм. Такое восходящее масштабирование в значительной степени обусловлено необходимостью снижения удельной стоимости (в пересчете на площадь) SiC-пластин, чтобы приблизить ее к покупателям традиционных кремниевых пластин.

Карбид кремния ценится за такие качества, как возможность изготовленных из него приборов работать с большими напряжениями и при высоких температурах. Он становится популярным выбором для использования в таких применениях, как возобновляемые источники энергии, полностью электрические транспортные средства, электрификация гибридных транспортных средств и транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Благодаря этому продажи SiC-пластин диаметром 150 мм и ниже увеличатся с 200 млн долл. в 2019 г. до 700 млн в 2025‑м при CAGR за прогнозируемый период в 18,6%.

Рынок InP также динамичен и вызывает большой интерес со стороны крупных компаний. В этом секторе тоже наблюдается процесс консолидации – ​недавно корпорация AXT поглотила фирму Crystacomm для развития бизнеса в области 150‑мм InP-пластин. Надо отметить, что производство InP-пластин диаметром более 100 мм серьезно затруднено по технологическим причинам. В то же время 50‑мм InP-пластины по-прежнему выпускаются в больших объемах. Они в основном используются для производства приборов, предназначенных для средств передачи данных. Одновременно поставщики увеличивают производство InP-пластин диаметром 75 и 100 мм. По оценкам, объем производства этих пластин в стоимостном выражении за период 2019–2025 гг. удвоится – ​со 100 млн до 200 млн долл., а CAGR за рассматриваемый период составит 14,4%. Физические свой-ства InP делают его привлекательным материалом для изготовления лазерных диодов с торцевым излучением (edge emitting laser, EEL). Эти приборы используются, например, в ЦОД, обрабатывающих большие объемы данных. При использовании в технологиях 3D-измерений приборы на основе InP обладают меньшей точностью, чем GaAs-приборы, но их диапазон больше. Поэтому InP-приборы используются в ToF‑датчиках, а не для распознавания лиц.

Рынок GaAs-пластин также переживает переход от пластин диаметром 100 мм к 150‑мм пластинам. Хотя доля 100‑мм пластин в отгрузках и продажах остается значительной. Эта тенденция в основном обусловлена применением средств 3D-измерений и считывания малого радиуса действия, которые используются в лидарных системах автомобилей для помощи водителям и системах распознавания лиц в смартфонах, а также в некоторых изделиях потребительской электроники.

На рынке потребительских устройств 3D-измерений и считывания лидирует GaAs-технология излучающих с поверхности полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором. Если сравнивать InP EEL и GaAs VCSEL (vertical--cavity surface--emitting laser – ​излучающие с поверхности полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором), то вторые обеспечивают бóльшую точность 3D-измерений. Кроме того, VCSEL могут использоваться в передних и задних камерах систем безопасности автомобиля, в системах дополненной и виртуальной реальности (быстрое увеличение громкости и т. п.). GaAs также может использоваться в микроСИД, особенно для пикселей красного свечения. Общий объем продаж GaAs-пластин в 2019 г. достиг 300 млн долл., а в 2025 он увеличится до 400 млн при CAGR = 8%.

Монолитные пластины в основном применяются для производства изделий оптоэлектроники (рис. 4), причем гражданские применения на основе этих подложек менее развиты, чем в случае SiC-подложек. Монолитные GaN-пластины производятся в малых объемах и используются для изготовления специфических приборов, обладающих очень высокой производительностью, или очень узкоспециализированных (узконишевых) приборов.



Источник: Yole Développement

Рисунок 4. Категории полупроводниковых приборов, изготавливаемых на пластинах диаметра 150 мм и менее

* ROY (red-orange-yellow) – СИД красно-оранжево-желтого свечения.

** HEMT (high electron mobility transistor) – транзисторы с высокой подвижностью электронов.

*** POI (piezoelectric-on-insulator) – «пьезоэлектрик-на-изоляторе».


Сапфировые пластины применяются главным образом при изготовлении СИД для средств уличного и домашнего освещения, а также СИД, используемых в потребительских приборах. Рынок сместился из России в КНР, оставив компанию «Монокристалл» единственным российским производителем и лидером мирового рынка. Цена значительно снизилась, насыщенный рынок СИД в настоящее время обслуживает малое число поставщиков. В целом же объемы отгрузок сапфировых подложек очень велики – ​более 40 млн шт. в год (в пересчете на эквивалентную площадь структур диаметром 100 мм). Расширение потребления микроСИД может способствовать увеличению продаж сапфировых подложек, но это вряд ли произойдет ранее 2024–2025 гг. Когда (и если) это произойдет, наибольший спрос будет предъявляться на пластины диаметром 150 мм.


Смена ориентиров

Пластины титаната лития – ​ниобата лития (LiTaO3/LiNbO3, LT/LN) производятся в больших объемах, преимущественно для изготовления РЧ-фильтров для смартфонов. Это большой, но очень насыщенный рынок с небольшим пространством для роста. Основная доля LT/LN-пластин изготавливается тремя японскими компаниями: Sumitomo, Yamaju и Shin--Etsu. Данный сектор рынка жестко ограничен диаметрами пластин в 125 и 150 мм. Однако доминирование данной технологии на рынке оспаривается французской корпорацией Soitec, разработавшей технологию «пьезоэлектрик-на-изоляторе» (piezoelectric-on-insulators, POI). Эта технология предполагает формирование тонкого слоя LT/LN-кристаллов на кремниевой подложке диаметром 125 или 150 мм. Считается, что это серьезная альтернатива LT/LN-пластинам в качестве подложек для изготовления РЧ-фильтров.

Кремний, похоже, будет единственным материалом, теряющим свою долю на рынке пластин малого диаметра. Ожидается, что в период 2019–2025 гг. продажи кремниевых пластин сократятся с 2,2 млрд до 1,8 млрд долл. при CAGR = –3,3%. Отчасти это связано с ростом популярности приборов, реализуемых на основе концепции «Больше, чем Мур», и некоторых других массово выпускаемых изделий, для которых «чисто кремниевые» пластины не требуются. Это относится к определенным мощным полупроводниковым приборам, MEMS и ИС для автомобильной электроники.

Тем не менее для кремниевых пластин диаметром 150 мм и менее по-прежнему существует значительная область применения. Она включает, в частности, такие приборы, как мощные переключательные устройства (IGBT, MOSFET), а также MEMS для потребительских применений.


КНР крупным планом

КНР производит большие объемы кристаллов (для последующей резки на пластины) и пластин, в первую очередь для обслуживания собственного обширного рынка. Пожалуй, наиболее известна Поднебесная производством GaAs- и сапфировых пластин.

Китайские фирмы уже могут формировать полную цепочку поставок пластин для определенных применений. Так, в начале цепочки поставок может располагаться компания VITAL, производитель кристаллов для дальнейшего изготовления пластин. Далее могут следовать фирмы, увеличивающие добавленную стоимость пластин за счет выращивания эпитаксиальных структур, такие как IntelliEPI (GaAs) и VPEC. На другом конце цепочки поставок может оказаться производитель полупроводниковых приборов – ​например, San’an Optoelectronics, всемирно известный производитель GaAs-приборов и один из мировых лидеров по производству VCSEL.

Прогресс китайских фирм в области GaN-технологии достаточно стремителен. Так, например, фирма ETA Research, относительный новичок данного сегмента, уже предлагает на коммерческом уровне перспективные решения, такие как независимые GaN 100‑мм-подложки.

В настоящее время в КНР осуществляется массовое производство SiC- и InP-пластин, предназначенных прежде всего для внутреннего рынка. В частности, SiC-пластины и изготовленные на них полупроводниковые приборы используются многими национальными автопроизводителями в своих электромобилях и гибридных транспортных средствах. По мере роста рынка все более значительными игроками становятся такие местные фирмы, как SICC и TANKE Blue.

Качество и диаметр выпускаемых в КНР кристаллов для изготовления пластин и самих пластин пока остаются менее современными, чем американские и европейские предложения. Однако, как ожидается, в ближайшее время китайские поставщики улучшат качество своей продукции и будут активнее продвигать ее на мировом рынке.

Отраслевые специалисты отмечают, что для наращивания производства InP-пластин и одновременного увеличения их диаметра требуются специальные знания и значительные инвестиции. Объем произведенных в КНР инвестиций таков, что из пяти основных игроков на данном рынке три являются китайскими фирмами. В их число входит и VITAL, одна из наиболее развитых национальных компаний в секторе InP-технологий.

Наконец, множество китайских фирм выращивают кремниевые кристаллы для производства пластин, ряд из них производит и сами пластины. Крупнейшими здесь являются LDK, Huantai Group и Luoyang Single Crystal Silicon Group. Все эти компании в первую очередь обслуживают внутренний рынок.

Заключение

Последствия пандемии COVID‑19 сказываются и на производстве пластин. Ожидаемый спрос на них, по оценкам, снизится для некоторых конечных применений на 10%. Тем не менее, несмотря на временное замедление производства, существует большое число новых технологий, требующих изготовления полупроводниковых приборов на пластинах малых диаметров. Именно такие приборы, в т. ч. изготавливаемые с учетом концепции «Больше, чем Мур», будут и дальше служить движущим фактором развития рынка пластин диаметром 150 мм и менее, доля которых на общем рынке пластин будет сокращаться постепенно – ​с 63% в 2019 г. до 53% в 2025‑м. Одна из причин устойчивости – ​наличие необходимого числа заводов по обработке малых пластин и выпуску ИС и полупроводниковых приборов по всему миру, а также надежная экосистема, обеспечивающая безопасность цепочки поставок.

Пластины малого диаметра используются на высокодинамичных рынках. Электрификация транспортных средств осуществляется на основе SiC-приборов. Системы помощи водителю в современных машинах, а также функционирование полностью автономных машин в будущем в конечном счете завязаны на лидарные системы, создаваемые на основе GaAs-датчиков и актюаторов. GaAs-датчики также востребованы в потребительских применениях, коммерческих использованиях технологий дополненной и виртуальной реальности. Наконец, потребность в повышении быстродействия средств передачи данных для удовлетворения растущих требований сверхбыстрой обработки данных – ​еще одна из причин, обеспечивающих перспективы долгосрочного существования сектора производства и обработки пластин диаметром 150 мм и менее.


Kumaresan Vishnu. Fabs Never Die. I-Micronews. February 15, 2021: https://www.i-micronews.com/fabs-never-die//?utm_source=ZohoCampaigns&utm_campaign=iMN_19Jan


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 7(6731) от 08 апреля 2021 г. г.
Выпуск 7(6731) от 08 апреля 2021 г. г.
Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г. г.