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特種氣體運用于LED行業

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020-4-24     瀏覽次數:    

  特種氣體是光電子、微電子等領域,特別是超大規模集成電路、液晶顯示器件、非晶硅薄膜太陽能電池、半導體發光器件和半導體材料制造過程不可缺少的基礎性支撐源材料。它的純度和潔凈度直接影響到光電子、微電子元器件的質量、集成度、特定技術指標和成品率,并從根本上制約著電路和器件的精確性和準確性。

  半導體照明是正處于方興未艾的產業,隨著化合物半導體市場的擴展,特種氣體的需求呈現更大的增長,外延生長需要大量的超純源和過程氣體。目前臺灣和日本的化合物半導體市場占有率較高,近年來,中國、韓國的發展勢頭強勁,北美、歐洲的占有率也有所增長。應用于半導體技術中的特種氣體因為種類繁多、品質要求嚴格,生產、充裝、運送、儲存都有技術及安全的要求,再加上經濟規模等因素,需要多方面的積累,才能實現規?;a,因此目前國內呈現市場大、供應能力小的局面。很多氣體種類的研發和生產仍處于空白,市場供應主要依賴進口。

  應用于LED產業的特種氣體

  半導體工業用氣體品種多、質量要求高、用量少,大部分是有毒或腐蝕性氣體。品種高達百余種。半導體工業特種氣體按照應用分類,主要包括:

 ?。?)硅族氣體:含硅基的硅烷類,如硅烷(SiH4)、二氯二氫硅(SiH2Cl2)、乙硅烷(Si2H6)等。

 ?。?)摻雜氣體:含硼、磷、砷等三族及五族原子之氣體,如三氯化硼(BCl3)、三氟化硼(BF3)、磷烷(PH3)、砷烷(AsH3)等。

 ?。?)蝕刻清洗氣體:以含鹵素的鹵化物及鹵碳化合物為主,如氯氣(Cl2)、三氟化氮(NF3)、溴化氫(HBr)、四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)等。

 ?。?)反應氣體:以碳系及氮系氧化物為主,如二氧化碳(CO2)、氨(NH3)、氧化亞氮(N2O)等。

 ?。?)金屬氣相沉積氣體:含鹵化金屬及有機烷類金屬,如六氟化鎢(WF6)、三甲基鎵(Ga(CH3)3)等。

  在LED產業鏈中,外延技術、設備和材料是外延片制造技術的關鍵。實踐證明,MOCVD是適合生長外延片的良好技術,也是一種工業化的實用技術。當前,MOCVD工藝已成為制造絕大多數光電子材料的基本技術。外延技術需要的超純特種氣體包括高純砷烷、高純磷烷、高純氨氣,砷化鎵生產中應用硅烷N型摻雜,而氯化氫和氯氣常常用做蝕刻氣,氬、氫、氮則是必須的載氣。同時外延生長需要的有機源主要是三甲基鎵,三甲基銦,三甲基鋁,二乙基鋅,二甲基鋅,二茂鎂等?,F有技術的發展對這些產品的品質要求也越來越高。

  在半導體化合物生長過程中,除了純特種氣體之外,還需要部分混合氣體,主要包括SiH4/H2。SiH4/ N2作為成膜源用量盡管不大,但是對產品質量要求極高,配制混合氣體的露點達到-95℃以下,只有這樣才可以保證外延片生長的成品率。

  化合物半導體產業的擴展,帶動原材料市場的迅速提升,包括晶圓、襯底、蝕刻劑、過程氣體、有機金屬化合物、測試和包裝材料等的需求每年以大約21%的比例遞增,而過程氣體(砷烷、磷烷、氨氣、氬、氫、氮、氯化氫、氯氣等)占整體原料的消耗8%,金屬有機化合物占8%。

  LED產業的特種氣體技術發展趨勢市場

  隨著化合物半導體技術的日益成熟和產業化進程的加快,外延技術需要的超純特種氣體和有機源的研制和制造技術不斷提升。主要表現在:氣體和有機源的深度純化技術;氣瓶及管路內壁的潔凈處理技術;ppm、ppb、ppt氣體雜質檢測技術;ppb、ppt級金屬雜質的凈化控制及分析檢測技術;排放尾氣的解毒報警技術;一體化無污染供氣系統的建立;特種氣體混合氣的配制技術;配套器件技術以及0.01~0.002μm顆粒的測試過濾技術等。為了適應日益發展的下游產業的發展需要,特種氣體生產商在產品純化、灌裝、檢測等環節取得更多的創新技術。

  特種氣體的發展趨勢也伴隨光電子、微電子產業的發展不斷更新、進步。主要表現為產品品種的不斷增加,新型半導體材料的出現,代之而來的是新一代支撐材料的需求,特種氣體生產廠家緊緊圍繞下游芯片廠的需求,不斷推出符合半導體工藝的新品種;同時特種氣體質量不斷提高,以LED產業用量最大的氨氣為例,高純氨產品的純度由最初的技術指標要求電子級(5N)到兆位一級(5.5N)、兆位二級(5.7N)發展到市場廣泛應用在氮化鎵生產中的藍氨(6.4N),目前氮化鎵技術需求的高純氨技術指標純度超過99.99999%,業界已經認可的白氨已經完全商品化;由于產品中雜質如水份、碳氫化合物的含量在特種氣體純度中都有嚴格限制,但絕大多數特殊氣體因化學活性大,所以不容易保持其純度,因此氣體的純度、供氣系統的保證便成為半導體廠要求品質和經濟性的關鍵。為避免化合物半導體生產過程中頻繁更換過程氣體瓶,保證盡可能少引入雜質,氣體的充裝容器規格趨向大體積,產品包裝的集裝化,在具備條件的工廠還可以直接建設氣體輸送管道,保證特種氣體的供應質量穩定。

  特種氣體產品供應最有代表性的公司為美國Air Product、Praxair、德國Linder、法國AirLiquid、日本酸素等,這些公司的產品在國際電子氣體的市場占有主要份額。國內特種氣體的研究開發取得了一定的成績,形成產業化的還很少,使得絕大多數產品仍然依賴進口。在國家“863”項目的支持下,大連保稅區科利德化工科技開發有限公司生產的高純氨產品純度99.99999%以上,可以替代進口產品,應用在氮化鎵生產中。江蘇南大光電材料有限公司在關鍵源的研究和生產過程中,取得巨大的進步,可以部分滿足國內LED市場的需求。

  LED產業的特種氣體市場需求

  目前,全球每年對高純電子氣體的需求速度遞增,2009年全球LED用高純度特種氣體市場規模已達20億美元。美國Air Product、Praxair、德國Linder、法國Air Liquid、日本昭和等幾大氣體公司在全球市場占有壟斷地位,年產能高達數千噸。

  近年來隨著光電子、微電子技術的發展,特別是氮化鎵技術的突破,對特種氣體的需求和技術要求愈來愈高。越來越多的生產廠家和用戶開始關注原材料的質量及其對生產、銷售和企業經濟效益帶來的影響。

  根據國家半導體照明工程研發及產業聯盟統計,從2004年開始國內LED產業累計新增投資規模達150億元,最近連續3年,每年企業訂購并安裝投入的MOCVD數量超過50臺以上,國產化率大幅提高,截止2008年底,芯片國產化率達到49%。按照目前聯盟成員單位的擴產計劃和機臺訂單數量,預計未來3年國內將增加MOCVD近200臺。目前Cree、旭明以及臺灣芯片廠商都以合資的形式進入國內,勢必進一步帶動芯片的國產化。2015年芯片國產化率有可能達到70%。包括高純氨在內的特種氣體產品的需求呈現快速增長的勢頭,并以每年19%的速度遞增,國內LED產業特種氣體總需求量達到3 000噸。

  國際市場應用領域與國內市場相似,處于半導體材料生產和技術先進的國家和地區,如美國、日本、臺灣、韓國是高純氣體產品需求量比較大的地區。韓國三星已經計劃建設規模達100臺MOCVD設備的芯片工廠;臺灣許多大型光電公司在原有的成熟下游封裝工藝基礎上,積極向藍、綠光LED上游產品領域進軍;由于發光二極管具有省電環保等優勢,歐美發達國家和日本以政府為后盾,投入巨額資金,積極發展相關產業,這些地區應是特種氣體產品未來推廣的重要區域。

  在全球經濟一體化的今天,經濟飛速發展的中國吸引了全世界的目光。世界幾大氣體供應商巨頭,都瞄準了中國巨大的特種氣體市場。他們或者直接在中國建立子公司,銷售其產品,如美國AirProduct、Praxair,日本昭和;或者與國內氣體公司聯合,實行產品總代理如美國Airgas、MethesonTrigas;或者在中國建分裝廠,如德國Linde;或者以OEM方式,銷售國內廠家優質電子氣產品,如法國AirLiquid,目的就是要在中國電子氣市場占有一定份額,取得巨大經濟利益。面對國際公司的競爭,國內特種氣體廠家面臨巨大的挑戰,在LED芯片工藝中,目前實現國產化的品種包括高純氨、高純三甲基鎵、混合氣體等,而包括高純砷烷、高純磷烷等在內一些重要原料目前還依賴進口,短期內國內無法實現工業化供給用戶。

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