超越摩尔,中国动了外延设备市场的奶酪?

2021-11-22 09:42

Yole半导体制造技术与市场分析师Vishnu Kumaresan博士说:“我们正处于一个关键的历史时期,我们周围的每一台设备都在变得更加智能、绿色和紧凑。”他补充道:“即使是令人痛苦的新冠疫情也通过进一步加快技术创新对半导体行业产生了积极影响。在这样一场利用超越摩尔定律(MtM)的方法为我们的日常设备增加更多功能的创新竞赛中,PPAC(功耗power、性能performance、面积area、成本cost)系数不仅通过缩减而且通过使用非硅材料和异构将其彼此集成。”
 

外延设备市场预期

2020年超越摩尔定律应用的外延设备销售额约为6.92亿美元,Yole预测,到2026年,包括功率和光电应用关键的MOCVD(金属有机化学气相沉积)、HTCVD(高温化学气相沉积)和MBE(分子束外延设备)外延设备市场将达到11亿美元,复合年增长率为8%。
 
 
外延材料外延设备市场演变
 
从外延设备市场预测中可以看出,每一年的增长内容都有所不同,但其中的主流是氮化镓(GaN)功率器件、碳化硅(SiC)和MicroLED显示。
 
 
外延设备市场预测(单位:百万美元)
 
然而,这些数字并不能说明外延步骤在汽车(EV/HEV)、消费(智能手机、智能手表、AR/VR)和航空航天与国防等关键市场应用中的生命力和无所不在。令人感兴趣的是,HVM(大批量制造商)中使用的这些复杂外延设备系统仅由极少数参与者提供,包括主流前端市场中不太知名的一些参与者。
在2020年至2026年期间,各种应用促进了外延设备需求的增长。其中值得关注的将是功率电子和光电子。
从2020年外延设备供应商市场份额来看,外延设备厂商的收入排名变化不大,尽管Veeco似乎失去了相当大的市场份额。德国的爱思强(Aixtron)仍然是市场领导者,其次是美国的维易科(Veeco)和来自中国的中微半导体(AMEC)。
 
 
2020年外延设备市场份额
 

竞争格局纷繁复杂

Yole的《超越摩尔2021年外延设备》报告通过对半导体制造的研究,分析外延设备市场的现状发现,目前能够满足对大需求量的只有极少数设备供应商。在11家超越摩尔定律领域的主要外延设备供应商中,前三名在营收方面所占市场份额超过60%。
然而,这个市场比较复杂。从竞争格局来看,外延设备市场被三个不同类别的外延设备制造商占据:
第一类是顶级半导体设备供应商,例如硅基器件前端制造工艺领域的东京电子公司(Tokyo Electron)和应用材料公司(Advanced Materials),主要为外延工艺提供改进的化学气相沉积设备,但它们通常不参与MOCVD领域的竞争。2019年6月,东京威力科创也加入了遵守美方“实体名单”停止与华为半导体业务的行列。
第二类是专业的MOCVD设备供应商,例如前三强Aixtron、Veeco和中微半导体,它们分别开发专门用于固态照明的设备,而射频前端供应商在该领域没有任何产品。
第三类是来自功率半导体领域的碳化硅产业或高水平射频应用的设备供应商,提供高温化学气相沉积设备。
事实上,其他各类前端设备巨头也占有一席之地,包括:ASM International是原子层沉积(ALD)领域全球最大、占有率最高的ALD设备供应商,在外延生长、增强等离子体化学气象沉积(PECVD)等领域也颇多斩获。中国的北方华创(Naura)主要从事干法蚀刻设备的生产,在物理气相沉积(PVD)领域实现了国内高端薄膜制备设备的突破,设备涵盖90-14纳米多工序;还有一些特定领域的竞争企业,如大阳日酸株式会社(工业气体和空分设备)、株式会社纽富来科技(电子束掩膜光刻、掩膜检测和外延生长设备)、LPE(硅和化合物半导体材料外延设备),以及一些中国初创企业。
看看主要外延设备供应商的设备组合,顶级CVD(化学气相沉积)半导体设备供应商、III-V化合物半导体专业MOCVD制造商,以及碳化硅功率和高端射频行业的外延反应器(CVD、MBE)主要有以下几家。
 
 
外延设备供应商设备组合
 

技术趋势直接转化为设备需求

2020年和2021年加速的技术趋势将直接转化为设备需求。从技术角度来看,MOCVD覆盖了大部分III-V外延,而高温CVD是硅和碳化硅器件的主流沉积技术。从历史上看,MOCVD是基于氮化镓的传统LED等商品器件所必需的。不过,越来越多的高端应用,如快速充电器、微型LED显示器和用于3D传感的VCSEL,将推动未来几年的需求。
对于HTCVD而言,主要市场仍然是基于硅和碳化硅外延材料的功率应用,主要部署在汽车和工业等细分市场。作为第三种技术,分子束外延已经作为MOCVD的潜在竞争解决方案应用于小批量、高性能要求的应用中。虽然MOCVD和HTCVD在2020年的总收入约为6.5亿美元,但MBE的收入仍然有限,估计仅略高于4000万美元。这是因为MBE用户主要集中在试验生产线和研发应用上,而在射频和VCSEL器件的批量生产上,这只占一小部分。考虑到所有这三种器件类型,广泛应用的需求将直接转化为不同组外延材料的增长,特别是碳化硅在中国的需求量很大。
预计到2026年,氮化镓仍将是收入最高的表面活性物质类型。然而,由于汽车和工业市场的强劲需求,碳化硅预计将以10%的复合年增长率增长。
Yole认为,在许多情况下,2020年和2021年对外延设备的投资是战略性的,而不是实际的市场需求。预计2021年设备市场将增长15%,这种势头将持续到2022年。为了解释这一跳跃,还必须考虑各种宏观经济因素加速了器件级的技术转型。例如,氮化镓和碳化硅正以闪电般的速度渗透到汽车和消费品市场。总的来说,这些材料向非硅晶圆的过渡以及向更大晶圆直径的过渡的速度也比先前预期的要快。
 

外延设备的机会在哪里?

外延设备在超越摩尔定律时代有着巨大的市场机会,随着应用范围的扩大,硅市场以及包括砷化镓(GaAs)、氮化镓、碳化硅和磷化铟(InP)等非经典衬底在内的其他市场正在以显著的复合年增长率增长。然而,这些材料的选择具有严格的质量要求,因此需要使用MOCVD、MBE和HTCVD等外延设备生长超纯薄膜和纳米结构。而且,这类设备的类型和型号选择不仅取决于技术约束,还取决于工厂动态,如投资回报率、设备正常运行时间、供应链协同效应等。
与超越摩尔定律高度相关的设备和衬底类型如下所示。
 
 
设备和衬底类型
 
按照应用划分,化合物半导体广泛应用于激光二极管、显示器、射频和功率电子器件,需要使用的设备类型如下所示。
 
 
应用和设备类型划分
 
超越摩尔定律的技术节点涵盖180nm到7nm,在这样一场竞相提高产品功耗/性能/面积/成本(PPAC)的竞赛中,主流微电子应用主要使用缩减的方法来提高PPAC系数。在超越摩尔定律方法中,PPAC系数不仅要通过缩减,而且要通过使用非硅材料以及通过彼此的异构集成而得到改善。
 
 
改进半导体器件的途径
 
超越摩尔定律需要技术和衬底多样化,这些都对应不同的应用和市场。
 
 
超越摩尔定律需要的衬底
 
在外延材料及其应用方面,一些是传统应用,另一些正在生产,还有一些在研发和进行可行性研究。
 
 
应用所需的外延层衬底
 

中国成为外延设备主要驱动力

动态的地缘政治形势加剧了外延设备供应商竞争格局的变化。很少有设备供应商能够满足对设备的大规模需求。2018年以来,前三强主导地位并不令人惊讶,但到2020年间,Aixtron的市场份额增加了10%,而Veeco的市场份额下降了15%。其中一个原因是美中贸易紧张,半导体行业是其主战场之一。
这场战争的影响在外延设备领域更加明显,因为需求主要是由中国驱动的。因此,2020年是Aixtron在中国销售最好的年份之一,其约57%的收入来自该地区,而Veeco只有13%的收入来自中国。
2021年第三季度,Aixtron继续报告强劲的订单量,前九个月订单量和收入达到2012年以来最高水平,与去年同期相比,订单量增加了80%,达到3.776亿欧元。其设备在GaN和SiC功率电子应用、无线和光学数据通信及LED应用方面的需求尤为突出。所以,Aixtron仍然是整个外延设备市场的领导者,Veeco保持其第二位(得益于2020年MBE收入的提高)。
中微半导体紧随其后排在第三位,为LED器件交付了大量设备。随着地缘政治形势的演变和供应链的日益脆弱,预计未来几年设备供应商之间的竞争将进一步加剧。
 
 
外延设备供应商分布
 
毋庸置疑,外延设备是超越摩尔定律应用中关键器件的基础。在全球设备高景气行情下,本土设备厂商将充分受益于国产替代。以中微半导体为例,其MOCVD设备成功打破国外垄断,在GaN基LED MOCVD市场份额领先。
作为MOCVD市场的后起之秀,中微半导体于2012年推出首台MOCVD设备切入LED市场,2016年推出第二台MOCVD设备,成功打破国外公司在LED用MOCVD设备市场的垄断。据Gartner数据,2020年全球MOCVD设备占薄膜沉积设备市场4%,为8亿美元,2020-2026年CAGR达8.5%,中微市占率为16%,排名第三。
目前中微客户覆盖亚洲主要LED厂商,近几年在GaN基LED用MOCVD设备细分市场中份额一直领先。
根据Gartner预测,2022年中国半导体行业资本投入可达279.71亿美元,创历史新高。与此同时,国际政治、经济局势紧张,外部挑战也将倒逼我国半导体行业提高产业链发展水平。内外部因素的共同推动将使国内半导体生态圈逐步完善,各类设备均有望实现快速增长。
现在,中国大陆正处于智能汽车、物联网、人工智能、5G通信等行业快速崛起的进程中,已成为全球最重要的半导体应用和消费市场之一。终端应用产品需求扩张、国家战略支持以及本土企业的技术突破,我国半导体设备企业正迎来机遇,在国产替代方面有望取得历史性突破。

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