曾在2011年颇为夺人眼球的MOCVD市场,在2012年出现了一个暂缓期。两大巨头都出现了下滑,这也是回归。但是国内的MOCVD生产商却一再发声,频频召开产品发布会。笔者试着对MOCVD进行了简单了解,文章不对任何厂商进行评价,只是进行相关情况介绍。 

MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术,它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

目前应用最广的就是用MOCVD生长GaNGaAs外延片(用来做蓝、绿、红、黄、黄绿灯颜色的LED,还有探测器),也可以做太阳能电池。

MOCVD作为LED制造的最核心环节的外延片生长关键设备,也是制造环节中单项投资最大的部分。

 

一、MOCVD系统组成

目前全球及国内的MOCVD系统  随着化合物半导体器件( GaAs MMIC InP MMIC以及GaN蓝光LED)市场的不断扩大,MOCVD系统的需求量不断增长。因为MOCVD系统最关键的问题就是保证材料生长的均匀性和重复性,因此不同厂家的MOCVD系统最主要的区别在于反应室结构。Aixtron采用行星反应室(Planetary Reactor)Veeeo采用Turbo Disc反应室、Thomas Swan采用 Closed Coupled Showerhead(CCS)反应室。

由于MOCVD生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质,并且要生长多组分、大面积、薄层和超薄层异质材料。因此在MOCVD系统的设计思想上,通常要考虑系统密封性,流量、温度控制要精确,组分变换要迅速,系统要紧凑等。

不同厂家和研究者所产生或组装的MOCVD设备是不同的,但一般来说,MOCVD设备是由源供给系统气体输运和流量控制系统反应室及温度控制系统尾气处理系统安全防护报警系统自动操作及电控系统等组成。

1、源供给系统

包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装在特制的不锈刚的鼓泡器中,由通入的高纯H2携带输运到反应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸汽压,源瓶置入电子恒温器中,温度控制精度可达0.2℃以下。氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度5%10%后,装入钢瓶中,使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后,输运到反应室。掺杂源有两类,一类是金属有机化合物,另一类是氢化物,其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源的输运相同。  

2、气体输运系统

气体的输运管都是不锈钢管道。为了防止存储效应,管内进行了电解抛光。管道的接头用氢弧焊或VCRSwagelok方式连接,并进行正压检漏及Snoop液体或He泄漏检测,保证反应系统无泄漏是MOCVD设备组装的关键之一。流量是由不同量程、响应时间快、精度高的质量流量计和电磁阀、气动阀等来实现。在真空系统与反应室之间设有过滤器,以防油污或其它颗粒倒吸到反应室中。为了迅速变化反应室内的反应气体,而且不引起反应室内压力的变化,设置“run”和“vent”管道。

3、反应室和加热系统

反应室是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构的化合物半导体材料,各生产厂家和研究者在反应室结构的设计上下了很大功夫,设计出了不同结构的反应室。石墨基座是由高纯石墨制成,并包裹SIC层。加热多采用高频感应加热,少数是辐射加热。由热电偶和温度控制器来控制温度,一般温度控制精度可达到0.2℃或更低。

4、尾气处理系统

反应气体经反应室后大部分热分解,但还有部分尚未完全分解,因此尾气不能直接排放到大气中,必须先进行处理,处理方法主要有高温热解炉再一次热分解,再用硅油或高锰酸钾溶液处理;也可以把尾气直接通入装有H2SO4+H2O及装有NaOH溶液的吸滤瓶处理;也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理,以及用水淋洗尾气等。

5、安全保护及报警系统

为了安全,一般的MOCVD系统还备有高纯从旁路系统,在断电或其它原因引起的不能正常工作时,通入纯N2保护生长的片子或系统内的清洁。在停止生长期间也有常通高纯N2保护系统。

6、手动和自动控制系统

一般MOCVD设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。在控制系统面板上设有阀门开关、各个管路气体流量、温度的设定及数字显示,如有问题会自动报警,是操作者能及时了解设备运转的情况。此外,MOCVD设备一般都设在具有强排风的工作室内。

 

二、国际主要供应商

1、德国艾思强AIXTRON公司(收购)

1999年((该公司于20032月份被Aixtron兼并))收购英国THOMAS SWAN公司,使得AIXTRONMOCVD设备被公认为世界上技术和商业价值最完美的结合。目前,AIXTRON公司最先进的独特的行星转盘技术应用在大型G42800HT42*2”以及ThomasSwan()CCSCrius30*2MOCVD系统,

 

2美国维易科VEECO公司

并购美国 EMCORE

美国维易科精密仪器有限公司主打机型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。

 

3、日本大阳日酸Taiyo NIPPON Sanso

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%。大阳日酸以销售氧气起家,MOCVD占其营收的比重不大,但大阳日酸MOCVD在亚洲有一定地位。主因日本大厂丰田合成及日亚化学均是其客户,而部分台湾、韩国及大陆LED厂商的MOCVD也来自该公司。大阳日酸MOCVD事业营收在20092010年度大幅成长,但2011年度又开始萎缩,其2011年度MOCVD事业营收甚至低于2008年度,未达到公司「Stage Up 10」经营计划的原订目标,大阳日酸MOCVD事业正面临金融海啸以来的最大考验。大阳日酸的新中期计划在MOCVD方面,主要是透过与海外厂商合作及研发效率更高的新机台来进行,其已在20115月与韩国厂商PSK合资在韩国成立制造及销售MOCVD的公司TNSK,此外,也在2011年度上半发表新开发的MOCVD机台,可使生产效率大幅提高,大阳日酸期望透过这样的方式,再创MOCVD事业销售佳绩。

 

4、日本日新电机Nissin Electric

市场基本以日本国内为主。

 

5、美国应用材料

向美国能源部取得资金,于2005年投入MOCVD设备的研发,近期已研制出设备样机,并和IMEC共同合作在其MOCVD样机上生产出8英寸硅衬底外延片。最后的生产阶段则很可能会在新加坡、台湾完成。

据称有一台设备在士兰明芯进行试用。

 

6、韩国周星工程Jusung

20106月完成MOCVD设备开发。

 

7、韩国Top Engineering

20106月完成MOCVD设备开发。

 

8、日亚公司和丰田合成也自己生产MOCVD 设备,但不在市场上销售,仅供自用。

三星目前正在自行开发MOCVD设备,用来供自家厂房使用,不会进行销售。

 

9、韩国VTSHanvac、日本Powdec、英国EMF等也积极加大MOCVD设备提升。

 

10、法国ASM MOCVD系统主要用于GaN LD/LED的研究和制造。

 

三、国内MOCVD厂商进展情况

1、中微半导体设备(上海)有限公司

2011年公司开始进入MOCVD的研发,目前542英寸工程样机已出,20121129日已经交付客户保利协鑫(中微公司的第一大股东)进行工艺验证。

 

2、中晟光电设备(上海)有限公司

是天龙光电控股子公司江苏中晟半导体设备有限公司的全资子公司,技术团队多在美国应用材料和中微半导体担任高管。

20121212号成功发运的MOCVD能生产LED蓝绿光,主要用在照明和背光源领域,比红光的应用范围还要广,技术一部分是自己的,一部分来自客户。

 

3、理想能源设备(上海)有限公司

技术团队多在美国应用材料和中微半导体担任高管。

MOCVD设备于2012126日成功下线。据介绍,该设备单腔一次可生产842英寸外延片,并已申请20项国内外专利。设备有五腔,其中一腔为退火腔。据公司称与台湾燦圆光电公司签订了37台套设备应用验证合同。

 

4、光达光电设备科技(嘉兴)有限公司

2013112月举行了自带高亮度LED工艺114英寸MOCVD设备发布会。

 

5、广东昭信半导体装备制造有限公司

与华中科技大学进行技术合作,设备一次可处理37/722英寸外延片。20101月中旬,广东昭信集团宣布推出大陆首台MOCVD设备的样机。公司从2012年起与外延厂商广东量晶光电科技有限公司合作,将更多生产型MOCVD设备定位于量晶光电进行工艺验证。借助量晶光电在LED外延工艺方面的优势力量,进一步验证昭信MOCVD设备的性能,建立示范应用的样板,推进市场推广。

20121227日召开科技成果鉴定会。

 

6、北京思捷爱普半导体设备有限公司

201110月首台492英寸设备在乾照光电调试完成,该设备属于四元系设备,调试后主要用于生产四元系LED红黄光和太阳能电池。

 

7、广东省中科宏微半导体设备有限公司

技术来源中科院半导体研究所。

20115月,48片机工程化样机已经设计加工完成,该机制造的蓝光小芯片LED20mA下发光功率达到8.3mW,发光波长460nm

20123482英寸MOCVD设备样机取得成功。样机经过了真空、压力、温度、旋转、自动传输等一系列设备性能指标实验考核。

 

8、中国电子科技集团公司48

200411月完成了62英寸机总装、整机联调和技术指标测试,发运至工艺单位后,仅用42天就完成安装调试并做出了InGaN/GaN多层量子阱结构的蓝光发光二极管芯片。

2012216日,成立MOCVD装备重大工程专项组,研发大尺寸、多片式生产型MOCVD装备。

20126月,与西安电子科技大学高温MOCVD项目合作达成。

 

9、中科院西安光学精密机械研究所

研制出32英寸机。

该所从1986年开始从事MOCVD技术研究,是中国第一代MOCVD技术研究者,其研制的第一代MOCVD(常压卧式)设备于1989年鉴定。1999年研制成功第二代XG2-1型低压、气动旋转衬底座MOCVD设备,并通过鉴定。中科院 长春物理所、吉林大学、南昌大学先后购买了MOCVD设备核心部分-气动旋转衬底座反应室系统;南京大学购买了XG2-1MOCVD整机。

 

10、南昌黄绿照明有限公司

20124月研制成功372英寸GaNMOCVD。该设备具有自主创新的气体输运系统,较进口机具有材料生长时间短,原材料消耗少等特点。黄绿照明公司将实行较钥匙工程,保证客户芯片工艺制造水平达到冷白光110流明/瓦以上。

 

11、北方微电子

面向GaN外延沉积生长的大产能、高自动化、感应加热金属有机化学气相沉积设备,可用于高亮度蓝绿光LED芯片的生产。系统采用机械手自动装卸载技术,可兼容处理2英寸和4英寸蓝宝石、碳化硅和硅衬底。产品采用高可靠的软件控制系统, 有效提高生产可靠性,具有优异的人机交互性能。

 

12、青岛杰生电气有限公司

由归国博士张国华技术团队成立的青岛杰生电气有限公司,已建成了唯一一条深紫外发光二极管生产线,并成功研制出波长280纳米的深紫外发光二极管,填补了国内空白。

2002年与西安电子科技大学合作,承担了国家科研项目,成功研制出我国首台2英寸单片、2英寸3片和2英寸6GaN-MOCVD设备。销售对象为科研用。自己开发于生产紫外用的MOCVD不对外出售。

 

13、南昌大学材料科学研究所

目前已生产出蓝光的电光转换效率大于45%(在35A/CM2电流密度下)的372英寸硅衬底MOCVD设备。内片均匀性标准差0.6-2.2nm

 

14、中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司

研制出72英寸设备,技术来源中科院

 

15、青岛精诚华旗微电子设备有限公司

研发型,有2英寸单片、3片、7片三种规格

 

16、潍坊绿种子材料科技股份有限公司

第四代产品蓝光MOCVD装备项目已获得六项专利,一项核心专利,单机产量达到562英寸。

 

17、西安华光慧能科技有限责任公司

以法国CSMEC公司为技术合作方,以陕西神光新能源投资有限公司为主,联合西安国家民用航天产业基地创投公司所共同投资建设。

可满足未来微波功率应用、半导体照明领域中深紫外材料与器件的研发和产业化对外延设备的技术需求

 

18、北京泰科诺科技有限公司

研制出2英寸3片样机,目前情况不明。

 

19、上海蓝宝光电

由于公司经营不善,已经停产了。

 

20、上海永胜有限公司

研制出682英寸,公司已停业

 

其他宣布有计划进行研发的还有,但是目前还没有更多信息

山东大学晶体材料国家重点实验室

福建省半导体照明工程技术中心

华南师范大学信息光电子科技学院

南京大学江苏省光电信息功能材料实验

清华大学集成光电子实验室

 

四、个人的想法

1、既然国产MOCVD研发出来了,那么谁来购买呢?

由于MOCVD的维护成本太高,国内厂商是否肯去购买不成熟的国产MOCVD不得而知。除非政府给予补贴。

2、经过近两年的各地政府财政补贴的推波助澜,各大LED厂商已经购买了大量的MOCVD设备,有的还未运营,国内厂商是否还有必要购买国产MOCVD

3MOCVD的研发和制造是一个烧钱的过程,企业一定要有心理准备。这一持久战如果没有足够资金支撑,企业将很难坚持下来。

4MOCVD设备制造过程中要用机械学、光学、真空、气体动力、化学、热场分布、三废处理以及电控方面的知识,参与竞争者会面临很多的困难,特别是生产型设备要让用户觉得稳定,而且是长期稳定。

5、全球两大MOCVD生产商已经占据了90以上的市场,而中国却有二十家公司进入,僧多粥少,研发投资分散,人才缺乏,无法形成合力。政府相关部门应集中各方研制MOCVD设备的单位的人才和资源,要集中优势兵力打歼灭战,集中资源挑选国内有基础的项目进行重点支持,只有集中财力、物力、人力在某些领域,才有希望有所突破。

6MOCVD注重工艺与设备的结合,两者相结合才是真正的发展方向。设备厂商在开发MOCVD设备时,需要有外延生产企业去试用MOCVD,而外延生产企业又担心公司一旦和MOCVD商进行了工艺验证,MOCVD商又将此设备售予其竞争对手。如何解决此中的问题也是一个关键。就算双方有合作的意愿,可是这个过程要花费巨大的人力、物力和财力,又由谁来承担?