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8/12寸产线加速推动LED开启大晶圆时代

导读: 为因应快速成长的市场需求,LED制造商已开始将现有2寸、3寸与4寸晶圆生产线升级至6寸,甚至着手布局8寸与12寸晶圆制造的研发,期提高LED晶圆产量,并改善LED成本结构,以吸引更多照明系统开发商采用,加速固态照明时代的来临。

  为因应快速成长的市场需求,LED制造商已开始将现有2寸、3寸与4寸晶圆生产线升级至6寸,甚至着手布局8寸与12寸晶圆制造的研发,期提高LED晶圆产量,并改善LED成本结构,以吸引更多照明系统开发商采用,加速固态照明时代的来临。

  发光二极体(LED)制程技术的演进速度已愈来愈趋近半导体摩尔定律(Moore旧 Law)的发展脚步。以6寸蓝宝石晶圆制造的高亮度发光二极体(LED)生产线才陆续开出,LED制造大厂已忙不迭的展开8寸及12寸晶圆制造的研发工作,除欲进一步强化市场领先地位外,也为未来一般照明与消费性电子应用市场对价格与产量的要求,预先作好准备。 

  根据市场研究机构Strategy Unlimited日前公布的研究报告指出,2010年全球高亮度LED市场产值较2009年大幅增长93%,达108亿美元规模,其中,液晶电视/监视器背光应用是最大的贡献来源,其次则是行动装置应用市场,尤其受到2010年笔记型电脑销售大幅增长带动,LED背光在笔记型电脑的渗透率更较2009年成长一倍。 

  Strategy Unlimited表示,2011和2012年,液晶电视/监视器背光将持续成为LED成长的主要动能,但2013年将开始趋缓,预估2010~2015年,LED在液晶电视/监视器背光市场的年复合成长率(CAGR)约达16%。 

  至于,2010年LED在照明市场的应用产值则达8亿9,000万美元。Strategy Unlimited预估,随着全球对能源效率日益重视,加上白炽灯泡逐渐淘汰,预估2014年后,固态照明将成为高亮度LED成长的最主要驱动力,2010~2015年CAGR高达39%。 

  新增6寸产线 LED商扩大制造产能

  然而,要提高LED在照明市场的渗透率,LED的产量与价格将是极为重要的触媒,也因此,不少LED制造商已开始将生产线升级至6寸晶圆(表1)。 

LED

 

  继科锐(Cree)及Philips Lumileds后,LED晶片制造大厂欧司朗光电半导体(Osram Opto Semiconductor)也宣布,将于马来西亚槟城(Penang)及德国雷士根堡(Regensburg)的晶圆厂导入6寸产线,进一步扩大制造产能。 

  欧司朗光电半导体执行长Aldo Kampe表示,扩充6寸LED晶圆生产线是强化该公司竞争力与获利能力的重要策略。

  欧司朗光电半导体执行长Aldo Kampe(图1)表示,该公司是欧司朗LED商品价值供应链中非常重要的一环,而藉由扩展高效能的氮化铟镓(InGaN)晶片制造产能,将有助其持续巩固市场地位,从快速成长的LED市场中获利。 

  欧司朗光电光半导体位于槟城的LED晶片制造厂约在两年前启用,现正如火如荼展开扩建工程并将由原本的4寸厂转型为6寸晶圆厂,预计总生产面积可增加至约25,000平方公尺,其间并能创造约四百个新工作,而雷士根堡厂则将重新配置可用空间,并陆续移转至6寸生产线,最快在2011年夏季即可上线量产。该公司预估,未来6寸新产能加入后,将可使白光LED晶片制造产能在2012年底提升一倍之多。 

  欧司朗光电半导体指出,此次产能的扩展主要影响到采用薄膜和UX:3技术的氮化铟镓晶片,这是生产白光LED的必要晶片,而这些晶片会从一开始就在6寸晶圆厂里生产,而不是在原有的4寸厂。 

  据了解,每片6寸晶圆的表面面积约是3寸晶圆的四倍,2寸晶圆的九倍,4寸晶圆的两倍以上。若能确保新产能的良率与品质达到现今制造水准之上,将可大幅改善整体产能与成本结构,对提升市场竞争力有莫大助益。不仅如此,利用较大尺寸晶圆生产还可降低所谓的“边缘效应(Edge Effect)”,避免材料沉积在靠近晶圆边缘处,而造成不良特性,甚至影响晶圆良率。 

  事实上,LG Innotek、科锐与Philips Lumileds也已于2010年先后宣布导入6寸晶圆生产线,其中,LG Innotek与Philips Lumileds更已率先开始量产,而科锐位于北卡罗莱纳州三角研究园区(Research Triangle Park)的6寸晶圆厂则预计于2011年6月完成试产作业。 

  此外,台湾的隆达电子也于2010年底宣布产出第一片6寸LED晶圆,藉由独特的聚焦曝光及研磨技术,该公司已顺利克服LED 6寸制程中可能产生的翘曲或龟裂等问题,向新世代LED制程技术迈进一大步,预计2011年下半年可开始量产。 

  LED蓝宝石基板供应商Rubicon也透露,该公司早在2010年初就已获得一家LED晶片大厂高达7,000万美元的订单,即是供应其6寸抛光蓝宝石基板,足见LED业者已开始转移至较大直径的晶圆进行制造。 

  一旦各家LED晶片大厂6寸新产能全数开出,势将进一步加速LED在照明、汽车和消费性电子等应用领域的渗透率,并对仍采用小尺寸晶圆制造的LED晶片商造成极大威胁。 

 

  效法摩尔定律 LED商加速大晶圆布局

  另一方面,随着6寸晶圆产线陆续启动,LED制造商也开始着手8、12寸晶圆的研发,如普瑞光电(Bridgelux)即成功以8寸矽晶圆制造矽基氮化镓(GaN-on-Silicon)LED,而蓝宝石基板供应商Monocrystal和Rubicon也分别开始供应8寸和12寸蓝宝石基板,显见未来两年LED晶片产出量将以类似摩尔定律的成长速度剧增。 

  普瑞光电执行长Bill Watkins表示,矽基氮化镓LED的成本结构大幅优于现今以蓝宝石或碳化矽作为基板的LED制造技术。

  普瑞光电此次所发表的矽基氮化镓LED,发光亮度已达每瓦135流明的商用等级,该公司执行长Bill Watkins(图3)指出,这项突破显示普瑞光电在矽材料与磊晶制程技术的专业能力,将可显著降低矽基氮化镓LED制造的成本结构,并大幅缩减固态照明所需的前期资本投资。预期在2~3年内,即使是价格敏感度最高的应用市场,如商业和办公室照明、住宅与改良式灯泡等,都可无缝且快速转换至固态照明。 

  不同于以蓝宝石为基板的氮化镓LED技术,普瑞光电的矽基氮化镓LED可与既有的半导体制程相容,且比采用蓝宝石基板的技术节省约75%的成本,相当适合在现今已折旧完的8寸晶圆厂进行生产,因此普瑞光电已与全球几家8寸晶圆代工厂展开洽谈事宜。 

  普瑞光电表示,现今大多数LED磊晶晶圆系使用蓝宝石或碳化矽(Silicon Carbide)基板,但随着晶圆尺寸愈来愈大,这些材料将遭遇成本高昂、制造困难与取得不易等问题,将阻碍LED在家庭或商业大楼的照明市场广泛普及。相反的,利用较大面积、低成本的矽晶圆作为氮化镓LED的基板,则可显著改善这些问题。 

  与此同时,蓝宝石基板供应商也积极朝向8寸与12寸晶圆世代迈进。总部设于俄罗斯的LED蓝宝石基板制造商Monocrystal已宣称将开盒即可用(Epi-ready)的8寸C-plane蓝宝石基板出货给全球领先的LED制造商用于研发工作。该公司执行长Oleg Kachalov认为,LED市场激烈的竞争促使LED制造商导入更大尺寸的晶圆,因此,相较于6寸蓝宝石基板问世后3年后才有LED厂用于生产研发,8寸基板导入研发的时程已明显缩短。 

  据了解,Monocrystal在2008年8月即发布8寸蓝宝石基板并出货给有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备商,如今则已开始提供LED制造大厂进行生产研发,前后仅经过两年多的时间,显见LED制造商对导入大尺寸晶圆量产的积极度。 

  另一家蓝宝石基板制造商 Rubicon也于日前宣布开始生产12寸抛光蓝宝石晶圆。该公司执行长Raja Parvez强调,由于Rubicon具备独特的先进制程技术,因而可实现高品质、大直径蓝宝石基板的量产,可因应LED在一般照明及消费性电子市场快速成长的需求规模。而随着新产品的推出,Rubicon的蓝宝石基板产品组合也将完整涵盖2寸、3寸、4寸、6寸、8寸及12寸等不同尺寸范围。 

 

  大者恒大态势明显 LED大厂扩产拚市占

  除希望能显著降低成本外,LED制造商对大尺寸晶圆制造趋之若鹜,无非也是为了扩大产能规模,强化市场竞争力,以抢食更多的占有率。 

  事实上,由Strategies Unlimited发布的2010年前十大高亮度LED制造商营收排名(表2)可知,前十大LED制造商合计营收已占总产值75%以上的比重,显见LED晶片市场大者恒大的现象已相当明显,因此,若能进一步提升成本与产能优势,对LED制造商的整体竞争力将有莫大帮助。 

LED

  2010年的前十大高亮度LED制造商共囊括日本、韩国、美国、德国及台湾等地的业者,其中,日本除日亚化学(Nichia)稳居龙头宝座外,还有夏普(Sharp)和丰田合成(Toyoda Gosei)入榜。而韩国也有三星LED(Samsung LED)、首尔半导体(Seoul Semiconductor)及LG Innotek等三家业者跻身前十大之列。美国以科锐和Philips Lumileds为代表,德国和台湾则分别有欧司朗光电半导体与亿光进榜。而此一厂商家数的分布比例,恰好与各区域市场对全球LED产值的贡献比重分布相互呼应(图)。 

 

LED

图:2010年全球高亮度LED晶片产值分析(以区域市场划分)

  Strategies Unlimited指出,三星LED、首尔半导体与LG Innotek主要是受惠LED在液晶电视/监视器背光市场的蓬勃发展;欧司朗则在中国大陆高亮度LED市场表现亮丽,尤其是汽车应用领域;Philips Lumileds在高功率背光应用、手机闪光灯和建筑照明等领域拥有不错的成绩;科锐主要聚焦于照明市场,并致力确保其在固态照明革命的市场地位。至于亿光在2010年也有显著成长,除总营收上看新台币167亿元,较2009年劲扬49%外,在照明及LED显示器等领域也大有斩获。 

  值得一提的是,虽然2010年中国大陆LED制造商占全球高亮度LED市场总产值仅2%的比例,且相关技术仍落后国际大厂约3~5年,但Strategy Unlimited认为,中国大陆政府已计划在2015年前投入104亿美元于固态照明产业发展,并积极扶植相关业者,将有助缩短其与国际业者间的差距。 

  如同半导体制程不断缩微以达到更高晶片效能与价格比,LED制造商正试图藉由导入6寸、8寸,甚至12寸的大直径晶圆,来提高LED晶片产量,同时降低制造成本,其中,又以排名前十大的业者布局最为积极。未来,相关产能一旦顺利开出,将有助减轻照明应用的开发负担,加快LED在商业和一般照明市场的渗透速度,让固态照明更加普及。

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