一、MOCVD设备供应商概况
目前国际上主要的MOCVD设备供应商有两家:
统计数据显示,爱思强和维易科两家公司占据着全球MOCVD市场90%以上的市场份额,这也让两家公司在2010年和2011年上半年的MOCVD投资热潮中风光无限。但到了2011年下半年,全球LED市场持续疲软,产能过剩危机猛然出现,迫使爱思强和维易科的业绩在一年内就如同坐上了“过山车”,一路滑至谷底。
财报显示,2011年爱思强全年营收为6.11亿欧元,同比下滑22%,净利润为1.129亿欧元,同比下滑59%。对于业绩出现滑坡,爱思强把主要原因归于一些重要客户交货延迟。“所有暂缓的订单已达到2亿欧元。”PaulHyland承认,去年第4季度的亏损主因就是库存。
① 德国AIXTRON公司(德国艾思强公司)
目前爱思强95%的市场都在亚洲,台湾是最大的设备安装基地,但2009年韩国的订单超过了台湾,目前可以说韩国、台湾和中国大陆这三大块是我们最大的市场。
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。爱思强首套19x4英寸规格的CRIUS II-XL系统目前已经在台湾晶元光电开始用于LED生产。
② 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系在一起,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。
③ 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。
作为全球前三大MOCVD设备商,大阳日酸的MOCVD设备相比AIXTRON和VEECO,在设备特性上各有优势。今年大阳日酸将会以4寸基板的MOCVD设备为重心,升级中国LED上游制造。
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。
大阳日酸是日本最大的MOCVD设备制造商,在日本本土市场占有率超过70%,但全球市场份额还不到6%。相比德国AIXTRON和美国VEECO两家MOCVD巨头的42%和50%的市场占有率,还存在着巨大的差距。
成立于1910年的大阳日酸,是日本最大的工业气体和空分设备制造公司,位居全球工业气体行业综合排名前五位。原本MOCVD设备收入占大阳日酸总收入比重并不大,但2008年金融风暴后,MOCVD的收入却逆势成长,导致大阳日酸加强了MOCVD等LED制造相关业务,并逐步开始拓展亚洲市场,增加海外销售比重。
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。
二、国产MOCVD情况
目前国内包括中科宏微、天龙光电(300029.SZ)、北京思捷爱普、北方微电子等在内的十几家企业正在研发MOCVD设备。国产MOCVD的优势在于价格,目前最大的难题则是如何保持设备的长期稳定性。[JF:Page]
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“guo jiaLED照明照明工程”,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guo jia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LED照明所、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1000~2000万元。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。
大尺寸衬底片是一个发展趋势,而4寸、6寸、8寸衬底是一个必然趋势。同时,自动化程度提高也是一个趋势,就是说我们从传统的手动放片转到现在的自动放片,包括全自动,这还是一个趋势。我们最终的目的是要加大产能,减少客户的单片成本。
未来MOCVD设备开发的趋势将围绕如何提高设备稳定性、提高产品良率、降低材料使用量等方面进行设计。具体来看,主要是从提高产品良率及产能两方面同时着手,降低外延成本,提高机台稳定性,扩大产能。而此次苏州演示实验室里的新产品CRIUS II-XL,就可以一次性加工19片4英寸晶片,是当前市场上制造容量最大的MOCVD设备。
三、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。
四、MOCVD价格及产值概况
生产型MOCVD设备的售价高达1000~2000万元【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。
五、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。
六、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。