對(duì)更強(qiáng)大和更節(jié)能設(shè)備的空前需求刺激了對(duì)砷化鎵、氮化鎵和碳化硅等化合物半導(dǎo)體的需求。這種材料需要通過(guò)外延生長(zhǎng)的超純薄膜。盡管分子束外延 (MBE) 是三種外延設(shè)備之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是利基市場(chǎng)，但它已準(zhǔn)備好過(guò)渡到批量應(yīng)用。

在最近的一次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，為半導(dǎo)體行業(yè)提供服務(wù)的法國(guó) MBE 設(shè)備提供商 Riber 和法國(guó)研究和戰(zhàn)略咨詢(xún)公司 Yole Développement 介紹了全球 MBE 設(shè)備市場(chǎng)的現(xiàn)狀和前景。

MOCVD、HTCVD、MBE

外延設(shè)備市場(chǎng)按技術(shù)細(xì)分。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 外延設(shè)備涵蓋了大部分 III-V 外延，而高溫 CVD (HTCVD) 是硅和 SiC 器件最常見(jiàn)的沉積技術(shù)。正如 Yole 在最近發(fā)表的報(bào)告“超越摩爾 2021 的外延設(shè)備”中所解釋的那樣，基于 GaN 的傳統(tǒng) LED 等商品器件需要 MOCVD。然而，越來(lái)越多的高端應(yīng)用，例如快速充電器、MicroLED 顯示器和用于 3D 傳感的垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)，將在未來(lái)幾年推動(dòng)需求。對(duì)于 HTCVD，主要市場(chǎng)是功率應(yīng)用，基于硅和 SiC 外延材料，主要部署在汽車(chē)和工業(yè)等細(xì)分市場(chǎng)。

MBE 基于在超真空環(huán)境中用分子束蒸發(fā)復(fù)雜材料。原子從蒸發(fā)的材料沉積到基板上，在基板上形成結(jié)晶層。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有顯著物理特性的電子元件。MBE 用于低容量、高性能要求的應(yīng)用程序。

據(jù) Yole 稱(chēng)，包括 MOCVD、HTCVD 和 MBE 在內(nèi)的外延設(shè)備市場(chǎng)將以 8% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)，從 2020 年的 6.92 億美元增長(zhǎng)到 2026 年的 11 億美元。更具體地說(shuō)，MOCVD、在 2020 年收入中占設(shè)備市場(chǎng)份額的 60% 以上，在預(yù)測(cè)期內(nèi)將以 7% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到 2026 年達(dá)到 6.3 億美元。HTCVD 市場(chǎng)將以 9% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)期間，2026 年將達(dá)到 3.93 億美元。MBE 設(shè)備市場(chǎng)價(jià)值長(zhǎng)期以來(lái)一直有限，2020 年收入為 4500 萬(wàn)美元，但將以 7.1% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率健康增長(zhǎng)，到 2026 年達(dá)到 6800 萬(wàn)美元。 Yole 首席執(zhí)行官 Jean-Christophe Eloy 表示：

MBE 通常被認(rèn)為是一種利基技術(shù)，并面臨不幸的誤解，即它僅適用于研究和試生產(chǎn)。例如，雖然 Riber 確實(shí)在 1964 年開(kāi)始為研究實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)提供產(chǎn)品，但現(xiàn)在它在全球擁有 750 臺(tái) MBE 機(jī)器在運(yùn)行，一些領(lǐng)先的半導(dǎo)體代工廠(chǎng)在其生產(chǎn)環(huán)境中專(zhuān)門(mén)使用 MBE。

Riber 處于化合物半導(dǎo)體價(jià)值鏈的起點(diǎn)。它為化合物半導(dǎo)體材料的研究和外延晶片的批量生產(chǎn)提供 MBE 系統(tǒng)。這家總部位于法國(guó) Bezons 的公司還提供超高真空化學(xué)沉積機(jī)，用于在連續(xù)的原子層中生長(zhǎng)材料或晶體，并已涉足有機(jī) LED (OLED) 和光伏行業(yè)的蒸發(fā)器。

如今，Riber 服務(wù)于電信和基礎(chǔ)設(shè)施(衛(wèi)星、4G/5G 基站、光纖、激光器)、國(guó)防和航空航天(夜視、雷達(dá)、紅外線(xiàn))以及工業(yè)(光伏、OLED 和紫外線(xiàn))市場(chǎng)。然而，Yole 堅(jiān)信 MBE 提供了許多機(jī)會(huì)，現(xiàn)在是釋放其全部潛力的時(shí)候了。

“MOCVD 具有非常強(qiáng)大的增長(zhǎng)潛力，在多個(gè)市場(chǎng)具有多種應(yīng)用，但就大晶圓的技術(shù)和可擴(kuò)展性而言，它相當(dāng)復(fù)雜，而且需要時(shí)間，”Eloy 說(shuō)。相比之下，他說(shuō)，“MBE 是一種外延設(shè)備，用于在大尺寸上實(shí)現(xiàn)極其均勻的層和……晶圓頂部的任何類(lèi)型的層。MBE 憑借其實(shí)現(xiàn)外延層的極其精確的能力，為 MOCVD 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的器件、工藝和功能提供了重要機(jī)會(huì)。

“從中長(zhǎng)期來(lái)看，目前正在開(kāi)發(fā)潛在的游戲規(guī)則改變者，并可能進(jìn)入大批量生產(chǎn)，”埃洛伊補(bǔ)充道。

這種觀(guān)點(diǎn)適用于 Riber 及其直接且唯一的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Veeco Instruments。

事實(shí)上，Riber 和 Veeco Instruments 是僅有的兩家為批量生產(chǎn)提供高容量/高通量 MBE 生產(chǎn)工具的廠(chǎng)商。DCA Instruments Oy、SVT Associates、Eiko 和 VJ Technologies 等其他 MBE 制造商提供研發(fā)或試生產(chǎn)系統(tǒng)。

增長(zhǎng)動(dòng)力

Yole 對(duì) 2026 年約 6800 萬(wàn)美元的 MBE 市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)令人鼓舞，但最好的還沒(méi)有到來(lái)。與 MicroLED、VCSEL 和量子計(jì)算相關(guān)的機(jī)會(huì)確實(shí)有望在 2026 年之后出現(xiàn)。

“MBE 在射頻和光子學(xué)業(yè)務(wù)中根深蒂固，因?yàn)槭袌?chǎng)早在幾十年前就開(kāi)始了，”Eloy在問(wèn)答環(huán)節(jié)告訴EE Times Europe ?！肮庾訉W(xué)真正受到數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的推動(dòng)，并且在未來(lái) 20 年內(nèi)將繼續(xù)存在。它非常穩(wěn)定?！?

他繼續(xù)說(shuō)道，“新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)非常重要，因?yàn)?MicroLED 即將顛覆顯示行業(yè)?！?MicroLED 顯示器將在 2025-2026 年期間投入量產(chǎn)。

VCSEL 是更短期的應(yīng)用，而量子計(jì)算是更長(zhǎng)期的體量應(yīng)用。

總而言之，這些不同的發(fā)展領(lǐng)域“可以在市場(chǎng)上已有的基礎(chǔ)上增加很多價(jià)值和大量設(shè)備，”埃洛伊說(shuō)。這一前景“在業(yè)務(wù)上行方面非常重要”。

量子飛躍

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 物理學(xué)教授兼 Riber 監(jiān)事會(huì)副主席 Nicolas Grandjean 表示，量子計(jì)算有望改變 MBE 的游戲規(guī)則。

當(dāng)被問(wèn)及 Riber 在量子計(jì)算方面的當(dāng)前和未來(lái)發(fā)展時(shí)，Riber 執(zhí)行董事會(huì)主席 Philippe Ley 告訴EE Times Europe，該集團(tuán)正在開(kāi)發(fā)一種全新的機(jī)器來(lái)在低溫下沉積材料?！澳壳埃瑴囟燃s為 800°C，目標(biāo)是在 –100°C 或 –200°C 下進(jìn)行一些沉積，”Ley 說(shuō)。在這方面，Riber 和法國(guó)圖盧茲的 CNRS 系統(tǒng)分析和架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室于 2021 年 6 月建立了一個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室被稱(chēng)為 Epicentre，旨在開(kāi)發(fā)一系列原位測(cè)量工具以及專(zhuān)用解決方案用于生長(zhǎng)用于量子計(jì)算的超導(dǎo)材料。預(yù)計(jì)在未來(lái)兩年內(nèi)，共同開(kāi)發(fā)的解決方案將提供給世界上所有的研究中心，Ley 說(shuō)。

與此同時(shí)，Riber 正在開(kāi)展一個(gè)關(guān)于硅和化合物半導(dǎo)體融合的項(xiàng)目，以克服目前硅的局限性。該公司表示，各種材料正在出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兲峁┝藰O高的開(kāi)關(guān)速度特性，幾乎為零的光學(xué)損耗。這為從未考慮過(guò)的應(yīng)用開(kāi)辟了可能性，例如光束整形、全息術(shù)和可編程光學(xué)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)(人工智能、量子計(jì)算、識(shí)別)。

Ley 說(shuō)，該項(xiàng)目被稱(chēng)為 Rosie，旨在開(kāi)發(fā)第一臺(tái) 300 毫米機(jī)器，從而可以通過(guò)硅外延工藝制造這些材料的薄膜。

“砷化物、氮化物和藍(lán)色 LED 是通過(guò) MOCVD 生長(zhǎng)的，但如果你想生長(zhǎng)氧化物，那么前驅(qū)體和 MOCVD 本身就存在問(wèn)題，”Grandjean 說(shuō)?！皳?jù)我所知，我確實(shí)看到 [一個(gè)讓 MBE 真正參與競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)，可能不是在氮化物上，而是更多地用于功能性氧化物和超導(dǎo)體，而 MOCVD 根本無(wú)法生長(zhǎng)這些材料。這不是一項(xiàng)短期業(yè)務(wù)——硅上功能性氧化物可能需要五年時(shí)間?！?