分子束外延设备

随着半导体市场,，特别是化合物半导体市场的逐步开放和增长，作为化合物半导体研发中相关材料制备的关键仪器，MBE、MOCVD等薄膜沉积与外延设备的市场也在逐年增长和扩大中，不论是海外品牌还是国产品牌，近几年的市场规模都在逐年扩大。由于高校的管理模式及制度，这些仪器设备大多养在“深闺”，大量科研资源潜能没有得到充分发挥。为解决这个问题并加速释放科技创新的动能，中央及各级政府在近几年来制订颁布了关于科学仪器、科研数据等科技资源的共享与平台建设文件。2021年1月22日，科技部和财政部联合发布《科技部 财政部关于开展2021年度国家科技基础条件资源调查工作的通知（国科发基〔2020〕342号）》，全国众多高校和科研院所将各种科学仪器上传共享。其中，对化合物半导体薄膜沉积与外延设备的统计分析或可一定程度反映科研领域相关仪器的市场信息（注：本文搜集信息来源于重大科研基础设施和大型科研仪器国家网络管理平台，部分仪器品牌信息不全则根据型号等信息补全，不完全统计分析仅供读者参考）。共享化合物半导体薄膜沉积与外延设备分布北京市共享化合物半导体薄膜沉积与外延设备分布本次统计，共涉及化合物半导体薄膜沉积与外延设备的总数量为184台，涉及23省（直辖市/自治区），73家单位。其中，北京市共享设备数量最多达64台，占比35%，涉及14所高校院所，北京如此高的占比主要是由于其科研院所较多，产品也主要用于科研领域。共享仪器平台主要来自科研用户上传并服务于科研用户，也因此该类仪器设备主要分布于科研院所众多的北京市。从北京市的分布情况来看，其主要分布于高校集中的海淀区，该地区共有60台共享设备。化合物半导体材料制备设备主要有MBE和MOCVD。从统计中可以看出，MBE在科研领域中的占比较大，高达73%，MOCVD占比为21%。MBE由于其外延生长时间长，大批量生产性差，对真空条件要求高，目前还无法大规模用于工业化生产中，又由于其可原位观察单晶薄膜的生长过程等优势，主要用于进行生长机制的研究，图中比例仅代表科研领域中的分布情况。虽然MBE成膜质量好，但生产效率低，因此在工业领域中，MOCVD占据主流。不过近年来，众多厂商和科研人员一直在致力于MBE技术的产业化，信息显示，北京意莎普科技发展中心有限公司近年来在推进MBE分子束外延片研发及产业化建设项目。还有知情人士称，深圳地区有人做相关产业化，一次性买入几十台MBE，做2寸的晶圆，做出来多少，就有人收多少。相关仪器设备所属学科领域分布从仪器所属学科领域分布可以看出，这些仪器设备主要用于物理学和材料科学研究，占比分别为36%和32%。需要注意的是，以上统计存在交叉分布的情况，即该仪器同时属于多类学科领域，实际上材料科学和物理学研究具有很大的重合度。化合物半导体薄膜沉积与外延设备TOP5品牌MOCVD设备中Aixtron占比那么这些仪器主要有哪些品牌呢？整体来看，化合物半导体薄膜沉积与外延设备中，沈阳科仪、Aixtron和Omicron占比最高，其中沈阳科仪MBE和MOCVD产品均有涉及，Aixtron则聚焦MOCVD设备，Omicron聚焦MBE产品。MBE产品的品牌占比可参考【这类仪器本土品牌在崛起——全国共享MBE盘点】。进一步统计分析了MOCVD的品牌构成，发现MOCVD主要以德国Aixtron的产品为主，占比高达49%。需要注意的是德国Aixtron集团在英国有子品牌Thomas Swan，本次统计未归入Aixtron中。Aixtron是一家总部位于德国的欧洲技术公司，专门为半导体行业的客户制造金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备。2016年10月，中国福建大芯片投资基金LP希望收购Aixtron，但德国经济部撤回了对该收购的批准。Axitron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。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。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。设备品牌所属国家分布那么这些仪器主要来自于哪些国家呢？统计结果表明，此类产品以德国品牌居多，占比达32%，其次为国产品牌，可以看出中国产品正在崛起。本次统计主要涉及牛津、Aixtron、Thomas Swan、沈阳科仪、Emcore、中科宏微、Veeco、Omicron、TSST、SPECS、MBE-Komponenten GmbH、DCA、VG、Unisoku、SVTA、国成仪器、RIBER、Neocera、大连齐维科、上海实路、KurJ.Lesker、青岛精诚华旗、湖南顶立、EPGRESS等品牌。

随着半导体市场，特别是化合物半导体市场的逐步开放和增长，分子束外延作为一种新发展起来的外延制膜方法而逐渐崭露头角。分子束外延技术是在半导体工艺中近十几年来发展起来的一项新技术，它是在超高真空条件下，类似于真空蒸发镀把构成晶体的各个组分和予掺杂的原子(分子)，以一定的热运动速度，按一定的比例从喷射炉中喷射到基片上去进行晶体外延生长而制备单晶膜的一种方法。简称MBE法。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子显微结构材料。专利一般是由政府机关或者代表若干国家的区域性组织根据申请而颁发的一种文件，这种文件记载了发明创造的内容，并且在一定时期内产生这样一种法律状态，即获得专利的发明创造在一般情况下他人只有经专利权人许可才能予以实施。在我国，专利分为发明、实用新型和外观设计三种类型。专利文献作为技术信息最有效的载体，囊括了全球90%以上的最新技术情报，相比一般技术刊物所提供的信息早5～6年，而且70%～80%发明创造只通过专利文献公开，并不见诸于其他科技文献，相对于其他文献形式，专利更具有新颖、实用的特征。可见，专利文献是世界上最大的技术信息源，另据实证统计分析，专利文献包含了世界科技技术信息的90%～95%。如此巨大的信息资源远未被人们充分地加以利用。事实上，对企业组织而言，专利是企业的竞争者之间惟一不得不向公众透露而在其他地方都不会透露的某些关键信息的地方。因此，通过对专利信息细致、严密、综合、相关的分析，可以从其中得到大量有用信息。基于此，仪器信息网特统计分析了国内分子束外延的专利信息，以期为从业者提供参考。（本文搜集信息源自网络，不完全统计分析仅供读者参考，时间以专利申请日为准）本次统计，以“分子束外延”为关键词进行检索，共涉及专利总数量为593条，其中发明专利540条、实用新型专利52条和外观专利1条。从统计结果可以看出，从1992年开始，分子束外延专利数量整体呈增长趋势，但在2004-2006年之间出现了一个小高峰。这表明分子束外延的研发投入整体在不断增加，相关企业和科研院所数量也在不断增加，从事相关研究的人数也在逐年增加。1992-2003是国内分子束外延技术的起步阶段，2004年进入了发展阶段。从申请人专利量排行可以看出，在专利申请人申请量排名中，中国科学院半导体研究所的表现最为突出共申请专利60件，中国科学院上海微系统与信息技术研究46件专利与中国科学院上海技术物理研究所24件专利，分列第二与第三位。整体来看，相关专利几乎都集中于科研院所，特别是中科院系统内，在专利申请量TOP20中的企业只有新磊半导体科技（苏州）有限公司和苏州焜原光电有限公司。具体来看，科研院所的分子束外延专利主要集中于材料生长、加工工艺等方面；而两家企业的专利主要围绕分子束外延设备方面。据了解，苏州焜原光电有限公司成立于2017年5月，位于苏州吴江汾湖高新区，地处江浙沪两省一市交汇的黄金腹地，由陈意桥博士携美国及国内团队创立，主要从事III-V族化合物半导体材料和器件的研发和生产。该公司技术团队拥有器件及材料结构设计、外延材料生长、器件研制、MBE设备设计及定制化升级改造等多方面人才。可以看出，目前分子束外延的研发主要集中于科研院所，相关设备主要用于科研领域。从发明人专利量排行可以看出，在专利申请人申请量排名中，中国科学院上海技术物理研究所的顾溢研究员的表现最为突出，共申请专相关利22件，其次为冯巍、张永刚等人。顾溢是中科院上海技物所研究员，主要研究领域为III-V族半导体光电材料与器件，包括半导体材料分子束外延、失配材料生长与应变控制、短波红外半导体探测材料及其光电特性等，在大失配异变和赝配In(GaAl)As晶格工程和大尺寸高均匀材料外延及其器件研制方面取得系列成果。通过对专利申请区域进行统计能够了解到目前专利技术的布局范围以及技术创新的活跃度，进而分析各区域的竞争激烈程度。从专利申请区域可以看出，国内分子束外延相关专利申请主要集中于北京市、上海市、江苏省等，这些地区都是半导体相关研究发达的地区，而分子束外延主要用于科研。从专利技术分类来看，大部分的专利都集中于电学领域（57.77%）。这主要是因为其被广泛应用于半导体器件或其部件的制造或处理（h01l21/02）。具体来讲，主要是其被用于半导体材料得生长等方面。

2024年3月20日至22日，备受瞩目的SEMICON China 2024在上海新国际博览中心隆重举行。作为全球规模最大、规格最高、最具影响力的展会，有1100家企业参展，覆盖芯片设计、制造、封测、设备、材料、光伏、显示等产业链，是半导体行业的开年盛会。展会期间，仪器信息网有幸采访到了费勉仪器科技（南京）有限公司MBE应用专家高汉超。在采访中，高老师详细介绍了公司所带来的分子束外延设备的具体型号，同时，还深入阐述了这些设备的创新点。此外，高老师还分享了公司产品相比国外产品在价格好和服务售后方面所具有的优势。不仅如此，高老师还提及了公司过往的销售成绩，并且阐述了未来的规划，包括拓展产品线和实现更大量产型机台的销售。最后，高老师也就国产替代发表了看法，并对分子束外延设备的市场趋势进行了分析和预测。以下是现场采访视频：仪器信息网：本次是贵公司第几次参加Semicon China，参会感受如何？高老师：我们公司是第三次参加半导体展会，然后从这次参会的看，目前国产的设备厂商越来越多，从原材料到设备部件到整机，然后我们也看出来这几年的国产厂商在持续发力，我们这是非常好的现象，然后我们也希望国产的半导体厂商越来越多的进入半导体的供应链，然后实现国产替代。 仪器信息网：本次参会，贵公司带来了哪些分子束外延设备和产品？有哪些创新？高老师：我们这次带来总共有 MBE600、800、800plus和1000这一些型号，然后目前我们展板上就有1000，这些型号我们能覆盖从2寸到8寸的这种化物半导体的晶圆，然后覆盖材料从二代半导体的镓、砷、铟、磷到三代半导体的氮化镓以及超宽基带的半导体这种氧化镓的材料外延生产的分子外延设备。这些分子测设备我们的主要创新点其实主要包括两个方面，第一个我们采用直接蒙特卡洛这种模拟的方法，然后在通过模拟原子和分子在生长腔内的行为，然后我们能够实现结构的优化，我们可以通过这种优化能够实现分子束外延具有非常好的一个布局，能够实现这种良好的均匀性。然后另一个创新点就是采用这种重载式的机械臂，能够实现非常好的定位精度，定位精度大概在±0.05毫米，能够保证分子束外延这种持续高效稳定的运行。 仪器信息网：相比于其他分子束外延厂商有哪些优势和特点？贵公司如何保持自己的差异化优势？高老师：首先我们对比国外的这些产品，我们公司的产品的各项参数性能与国外类似的产品在指标性能上基本能够保持一致，但是价格我们比国外的产品应该是更有优势，而且我们公司立足在国内具有完善的研发服务，还有售后的这种团队，我们能够第一时间响应客户的要求，然后能够为客户提供这种多样的外延服务，就是多样的这种以客户为中心进行服务，能够满足客户的各种需求。 仪器信息网：您认为当前半导体行业对分子束外延设备的最大需求是什么？高老师：MBE需求 我认为主要体现在两个方面，第一个就是在面向应用的就是生产型的设备，主要是面向应用，主要是用于微电子和光电子。由于份数具有比较好的真空，它生产的材料纯度也高，而且它的可控性好，它特别适合制造就是长周期的一些结构，包括砷化镓、磷化铟基的这种激光器、探测器等等以及一些微电子材料。例如砷化镓的一些HTTP的这种结构，这种材料都要求这种界面的可控性要求就比较高。而且随着现在这种微电子和光电子技术发展，可能对材料可控性要求越来越高，然后我相信未来MBE会进入更多的这种研究生产领域。 仪器信息网：贵公司在过去一年中，在中国市场取得了怎样的成绩？在2024年又有哪些战略或市场规划？高老师：我们在2023年总共销售应该有9个产品，就是9套系统，然后目前在国内的分子束外延市场，我们几乎处于领先的一个位置2024年我们希望拓展我们的产品线，能够覆盖更多的材料，生产值及这种研发，然后我们希望能够实现这种更大的量产型机台的这种销售。 仪器信息网：近年来，国产替代受到广泛关注，请您谈谈在分子束外延设备领域的国产替代看法，以及贵公司在国产替代方面的布局。高老师：由于近年来大家众所周知的原因，有很多设备是不能进口到国内的，然后我们分子束有些客户也遇到相同的问题，而且随着这几年的发展，大家对国产设备的接受度越来越高，而且我们公司的产品迭代的也越来越快，性能相比于前几代的产品越来越好，得到了客户的广泛认可。我们现在基本能够实现零部件和一些运动部件的平替，后续我们希望整个产品线从研发生产一直到生产的所有的机台型号设备产品的一个平替。 仪器信息网：根据您的观察和分析，您认为未来分子束外延设备市场将呈现哪些趋势？高老师：我觉得主要有两个趋势，一方面是基础研究，目前国家对这个基础研究投入越来越高，而且MBE是作为一个非常灵活的基础研究的工具，它适合生长各类的材料和薄膜，这块是一个很明显的增量市场，还有一个趋势，可能大家希望在量产型设备向更大尺寸更高稳定性这块发展，我们公司也在规划未来会做一些量产型的这种大设备，以满足市场的需求。