Schwerpunkte

Kleinformatige Wafer

Alte Fabs sterben nie

22. Februar 2021, 15:30 Uhr   |  Ralf Higgelke


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Neue Materialien gewinnen an Bedeutung

Welche Materialien bei den 1-Zoll- bis 6-Zoll-Wafer zum Einsatz kommen, spiegeln die sich entwickelnden Märkte und Endprodukte wider. Jedes Material – Saphir, Bulk-GaN, GaAs, SiC, InP oder LT/LN und Silizium – hat physikalische Eigenschaften, die sich für bestimmte Anwendungen eignen.

Siliziumkarbid lockt als aufstrebendes Material große Investitionen an. Fast alle führenden Leistungselektronik- und Verbindungshalbleiter-Unternehmen arbeiten intensiv an der Entwicklung von SiC-basierten Lösungen. Dies fördert die Produktion dementsprechender Wafer mit Durchmessern von 6 Zoll und sogar 8 Zoll. Getrieben wird dies vor allem durch die Notwendigkeit, deren Substratkosten pro Fläche zu senken, um sie näher an die Kosten herkömmlicher Silizium-Wafer heranzuführen. Aufgrund seiner Leistungsmerkmale dürfte der Markt für SiC-Wafer mit einer Größe von 6 Zoll und darunter von 200 Mio. US-Dollar im Jahr 2019 auf 700 Mio. US-Dollar im Jahr 2025 wachsen, was einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 18,6 Prozent entspricht.

Yole Développement
© Yole Développement

So entwickeln sich die Wafer-Durchmesser bei den verschiedenen Substratmaterialien.

Der InP-Markt entwickelt sich ebenfalls dynamisch und stößt auf großes Interesse bei bedeutenden Unternehmen. Ein Beispiel dafür ist AXT, das Crystacomm übernommen hat, um seine Kapazitäten für 6-Zoll-Wafer weiter auszubauen. Aus technologischen Gründen skaliert Indiumphosphid nur schwer über eine Größe von mehr als 4 Zoll hinaus. Während die Volumenfertigung für 2-Zoll-InP-Wafer für Datacom-Anwendungen weiterhin solide ist, skalieren die Hersteller auf eine Fertigung von 3-Zoll- und 4-Zoll-Wafern. Auch Indiumphosphid dürfte signifikant wachsen: von 100 Mio. US-Dollar im Jahr 2019 auf 200 Mio. US-Dollar im Jahr 2025, was einer jährlichen Wachstumsrate von 14,4 Prozent entspricht. Dies wird vor allem durch den Datacom-Markt getrieben. Die physikalischen Eigenschaften von InP machen es attraktiv für Edge-Emitting-Laserdioden, die beispielsweise in Rechenzentren eingesetzt werden, die große Datenmengen verarbeiten. Die 3D-Abtastung ist weniger präzise als bei GaAs, aber die Reichweite ist größer. InP wird daher zum Beispiel in ToF-Sensoren (Time of Flight) für die räumliche Erfassung und nicht für die Gesichtserkennung eingesetzt.

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So soll sich der Markt für kleinformatige Wafer von 2019 bis 2025 entwickeln, aufgesplittet nach Substrat.

Der Markt für GaAs-Wafer erlebt einen Übergang von 4-Zoll- zu 6-Zoll-Wafern, obwohl ein erhebliches Volumen auf 4-Zoll-Wafern verbleibt. Dieser Trend wird hauptsächlich durch 3D-Sensoranwendungen für den Nahbereich angetrieben, die in LiDAR-Systemen für Fahrerassistenzsysteme und in Smartphone-Gesichtserkennungssystemen zu finden sind. Die GaAs-VCSEL-Technologie dominiert den Markt für 3D-Sensorik im Konsumgüterbereich. Im Vergleich zu InP eignet sie sich für präzisere 3D-Sensorik-Anwendungen. Neben dem Einsatz in den Front- und Lesekameras eines Fahrzeugs für Sicherheitssysteme kann sie auch für Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) eingesetzt werden, was das Marktvolumen schnell ansteigen lässt. GaAs kann auch in Mikro-LEDs verwendet werden, insbesondere für rote Pixel. Der Gesamtumsatz des Marktes betrug im Jahr 2019 etwa 300 Mio. US-Dollar und soll mit einer jährlichen Wachstumsrate von 8 Prozent 400 Mio. US-Dollar im Jahr 2025 erreichen.

Bulk-GaN-Wafer werden meist für optoelektronische Anwendungen verwendet, aber kommerzielle Anwendungen basierend auf diesem Substrat sind weniger weit fortgeschritten als zum Beispiel bei Siliziumkarbid. Es gibt keine großen Mengen an Bulk-GaN und wird für spezifische Bauteile produziert, die eine sehr hohe Leistung erfordern, oder für absolute Nischenanwendungen.

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Auf diese Anwendungen verteilen sich die verschiedenen Wafer mit einem Durchmesser bis 6 Zoll.

Verlierer bei kleinformatigen Wafern

Saphir wird vor allem in LEDs für die Straßen- und Wohnraumbeleuchtung sowie in LEDs für Konsumgüter verwendet. Der Markt hat sich von Russland nach China verlagert, wobei Monocrystal der einzige russische Produzent auch Weltmarktführer ist. Die Preise sind stark gefallen und es gibt nur noch eine Handvoll Anbieter, die den gesättigten LED-Markt bedienen. Das Volumen der Saphir-Substrate ist groß – über 40 Mio. 4-Zoll-Waferäquivalente pro Jahr. MicroLEDs könnten den Umsatz mit Saphir in die Höhe treiben, obwohl dies wahrscheinlich nicht vor 2024 oder 2025 der Fall sein wird. Wenn und falls dies geschieht, wird es die Nachfrage erhöhen, insbesondere für 6-Zoll-Wafer.

LT- und LN-Wafer (Lithium-Tantalat/Lithium-Niobat) werden in großen Mengen produziert, vorwiegend für die Herstellung von HF-Filtern in Smartphones. Dieser Markt ist groß, aber gesättigt und bietet wenig Spielraum für Wachstum. Den Großteil am Markt für LT/LN-Wafer teilen sich drei japanischen Unternehmen: Sumitomo, Yamaju Ceramics und Shin-Etsu. Dieser Markt ist fest im Bereich Wafer-Durchmessern von 5 Zoll bis 6 Zoll verankert. Diese dominierende Stellung wird jedoch durch die vom französischen Anbieter Soitec patentierte PoI-Technologie (Piezoelectric on Insulators) angefochten. Sie kombiniert eine dünne Schicht aus LT/LN-Kristall mit einem 5-Zoll- oder 6-Zoll-Si-Wafer als Alternative zur Herstellung von HF-Filtern.

Einzig Silizium wird wohl als einziges Material im Markt für kleinformatige Wafer Marktanteile verlieren. Zwischen 2019 und 2025 wird ein moderater Rückgang von 3,3 Prozent erwartet, der von 2,2 Mrd. US-Dollar auf 1,8 Mrd. US-Dollar in diesem Zeitraum sinkt. Dies ist teilweise auf den Anstieg von More-than-Moore-Bauelementen und einigen hochvolumigen Power-, MEMS- und Automotive-Bauelementen zurückzuführen. Dennoch finden Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von weniger als 6 Zoll immer noch ihren Platz, da eine beträchtliche Anzahl von Leistungsschaltern wie IGBTs und MOSFETs sowie MEMS-Bauteile auf 6-Zoll-Wafern gefertigt werden.

China näher betrachtet

China produziert große Mengen an Kristallen und Wafern, vor allem für den riesigen Binnenmarkt. Am bekanntesten ist es wohl für die GaAs- und Saphir-Produktion. Chinesische Unternehmen könnten die gesamte Wertschöpfungskette der Wafer für bestimmte Anwendungen erfüllen. Dies beginnt zum Beispiel bei Vital Materials, einem Kristallproduzenten, und geht über zu Unternehmen, die mit Epitaxial-Strukturen Mehrwert schaffen, zum Beispiel IntelliEPI (GaAs) und VPEC. Am anderen Ende der Lieferkette steht etwa San'an Optoelectronics, ein international bekannter Anbieter von GaAs-basierten Bauelementen. Es ist auch ein weltweit führender Anbieter von VCESLs.

Insbesondere bei Bulk-GaN gab es rasche Fortschritte. Ein relativer Newcomer, ETA Research, bietet weiterentwickelte Lösungen kommerziell an, beispielsweise ein freistehendes 4 Zoll großes GaN-Substrat.

SiC und InP sind heute in der Massenfertigung und bedienen wiederum den heimischen chinesischen Markt. Insbesondere SiC wird von den vielen Automobilherstellern des Landes verwendet, um damit ihre Elektro- und Hybridfahrzeuge auszustatten. Wenn der Markt weiter wächst, könnten SiC-Hersteller wie SICC und TankeBlue zu bedeutenden Akteuren aufsteigen. Auch wenn die Qualität der Kristalle und die Größe der Wafer heute noch nicht so ausgereift sind wie in Europa und den USA, ist davon auszugehen, dass chinesische Unternehmen ihre Wafer in ein paar Jahren weltweit verkaufen werden.

InP erfordert Expertise, um es zu produzieren und zu skalieren. Doch dank erheblicher Investitionen hat China bisher drei der fünf führenden Anbieter auf diesem Gebiet hervorgebracht, darunter Vital Materials.

Viele Unternehmen züchten Silizium, wobei die drei größten LDK, die Huantai Group und die Luoyan Single Crystal Silicon Group sind, die alle den chinesischen Markt bedienen.

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