MOCVD国内外发展现状

MOCVD资料

定义

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。

缩写

M etal-o rganic C hemical V apor D eposition （金属有机化合物化学气相沉淀。

原理

MOCVD是以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。通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200℃,用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方),H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。

系统组成

因为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。一般由源供给系统、气体输运和流量控

制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统、自动操作及电控系统。

【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%一10%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。

【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VCR及Swagelok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(出口、通风孔)，，管道。

【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。

【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。

【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。

【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。

优点

1 适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体;

2 非常适合于生长各种异质结构材料;

3 可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡;

4 生长易于控制;

5 可以生长纯度很高的材料;

6 外延层大面积均匀性良好;

7 可以进行大规模生产。

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)。到目前为止，AXITRON最先进的GRIUS II-L，可以生产69X2”蓝绿光LED外延片，VEECO最先进的K465i可以生产54X2”蓝绿光LED外延片。

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。

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。

一、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：

①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。

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。

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设备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（48所简报2008年4月）

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。

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。

晶电预计明年要再导入30台MOCVD机台，最快在第二季建置完成，届时晶电的MOCVD机台总数将达210-220台。璨圆内部原本也规划明年要扩充30台MOCVD机台，但碍于机台订单太满，第一阶段先确定扩充12台，届时璨圆生产机台数将达45台。泰谷也

决定明年将扩增10台MOCVD机台，使MOCVD机台总数达到37台。

广镓目前共有38台MOCVD机台，日前董事也通过办理现金增资，预计将发行新股12万张，以每股金额暂定30元估算，将可筹募36亿元。预期这笔资金将用于扩充蓝/绿光LED之产能，推估广镓将再扩增38-39台MOCVD机台，使生产机台总数达到76-77台。

友达/隆达日前已通过将在中科后里兴建新厂，预计到今年底MOCVD机台总数将有15-20台，2011年以前要逐步完成150-200台MOCVD机台的生产规模建置。奇美电/奇力目前也已有37台MOCVD机台已在量产中，预计明年机台总数将扩增到47台. MOCVD数量激增

从2010年开始，中国购买MOCVD的数量急速增长。2009年全球出货228台，其中中国大陆仅占12%，韩国42%，台湾地区35%；2010年全球出货增至800台，中国大陆上升至32%，韩国和台湾地区分别为33%和26%，据Veeco估计，2011年MOCVD出货量为850-1100台，中国大陆将占据60%份额，韩国进一步下降至10%，台湾地区23%。全球2011-2015出货量为4000-7000台。

最新报告中关于2011年第二季度GaN MOCVD 出货量主要亮点包括：?自2008年以来，出货量第一次同比下降14%，如果Veeco的MaxBright反应器不计算在内。Veeco 尚未确认该新型设备的营收根据公认的会计准则。

?包括MaxBright反应器，安装量仍然下降两个百分点。

?不计 MaxBright 出货，中国大陆市场占有量第一，为70%；而韩国和台湾各占11% 。

? Lextar 是Q2中排名第一的客户，其余9名客户均在中国大陆。

? Aixtron GaN MOCVD出货排名仍是第一，市场份额增长4 个百分点至57%，而Veeco 失去3个百分点至41%（不包括MaxBright）。包括MaxBright的话，Aixtron 是49%，Veeco 为48% ，是两者市场占有率最接近的一次。.

?不包括 MaxBright根据区域划分，Veeco在中国大陆，美国和欧洲占主导地位；而Aixtron在韩国和台湾地区占主导。Veeco的K465i仍然是行业内最畅销的设备，Aixtron的 CRIUS II 和 G5位于第二和第三。

? 4寸外延超过 50%，6寸的市场份额也加了一倍。LED厂商转向生产大尺寸外延以增加产量并降低成本。