近10亿的市场，北方华创们为何不碰？说说分子束外延工艺及设备

除了物理工艺和化学工艺，外延工艺也是重要的薄膜生长方法。具体到外延工艺，在上个世纪60年代出现外延以来，产业界相继推出了分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）、气相外延（Vapor Phase Epitaxy，VPE）、液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）、化学束外延（Chemical Beam Epitaxy，CBE）和离子束外延（Ion Beam Epitaxy，IBE）以及在IBE技术基础上衍生出的低能离子束外延LE-IBE等技术。目前在产业界MBE、VPE及MOCVD是外延的主要工艺，而CBE、IBE等因为种种原因已经不作为可持续发展的技术，LE-IBE还处于实验室阶段，尚未实现产业化。

分子束外延MBE及设备

MBE是上个世纪60年代发展起来的一项薄膜生长技术，最早由G.Gunther于1958年提出，后经J.Arthur深入研究并发展成相应的技术。其基本过程是在超高真空环境下，一束或多束被加热的原子束或分子束，以一定速度喷射到加热的衬底表面，在衬底表面进行吸附、迁移并沿着衬底材料的晶轴方向外延生长成单晶薄膜的一种外延技术，相应的设备是分子束外延设备：

资料来源：MBE设备结构图，阿尔法经济研究

MBE设备主要由超高真空系统、束流源、衬底固定和加热系统、样品传输系统、控制系统和测试系统等组成。由于MBE要求在超高真空环境下进行，因此内部真空环境需要达到10^-8到10^-11Torr。MBE设备的真空系统主要有进样室、预处理和表面分析室和生长室三个工作室，其中进样室用于实现与外界传递样品，保证其他腔室达到超高真空条件。预处理和表面分析室主要功能是样品前期处理和样品初步的表面分析，要确保在经过高温除气后确保衬底表面的清洁度。生长室是MBE最核心部位，主要由样品控制台、冷却系统、反射高能电子衍射仪等组成。

MBE的生长过程一般可分为四个步骤：

1）来自气相的分子或原子运动到衬底表面并被吸附在表面；

2）被吸附的分子或原子在衬底表面发生分解和迁移等运动；

3）原子进入外延层的晶格位置后实现外延生长；

4）未进入晶格的物质发生热脱附、蒸发后离开衬底表面。

MBE的应用及特点

从一开始MBE便用于GaAs、AlGaAs等三五族化合物半导体的薄膜制备，之后MBE便逐步扩展到二六族以及金属薄膜、介质薄膜等的生长上，目前已经成为一种成熟的普适性的外延生长技术。

MBE实现了重复生长厚度为单个原子层的超薄外延层，且外延层之间分界面陡峭，很适合三五族化合物半导体及其他多元异质材料的生长。

MBE的优点有以下几点：

1）可以宽范围调控生长速度。通常MBE生长速度不超过1微米/小时，相当于在一秒或更长时间内只生长一个单原子层，因此非常有利于实现厚度、结构和成分的精确控制，容易形成陡峭界面的异质结构和量子结构。

2）外延生长温度较低。相比LPE等，MBE的生长温度在550-700℃，有利于降低在界面上因为不同热膨胀系数而导致的晶格缺陷，以及衬底中杂质在高温下发生自扩散带来的影响：

资料来源：MBE工艺优缺点，论文资料整理，阿尔法经济研究

3）MBE是在超高真空环境下进行的沉积过程，因而不考虑生长过程中的化学反应，并且还可以对束流进行瞬时控制，因此薄膜的成分和掺杂可以瞬时变化和调整。

当然MBE仍然具有一些局限性，比如相比LPE和CVD等生长速度很低，而且生长过程要求在超高真空环境下进行，对环境要求很高，这也是当前其大规模应用面临的一些问题。此外MBE技术在蓝宝石衬底上外延制成的GaN晶体质量不如MOCVD制成的质量，因此局限了其应用。目前MBE主要用于GaAs及HEMT、HBT等超晶格结构新型器件的制备，再加上其良好的膜厚控制等优势，仍然是一项重要的外延工艺。

MBE的市场规模及发展前景

如同其他半导体制造技术，MBE的起源地还是在美国，目前在MBE市场重要的厂商仍然是国外企业，国内有能力生产的企业仅有中科院沈阳科仪公司的极个别公司，即便是中微公司和北方华创等知名半导体设备企业，也不涉及MBE。

从市场格局来看，外延设备的供应商主要来自三部分，像应用材料、东京电子和北方华创这样的企业，主要提供面向硅基半导体的外延设备；第二类是VECCO和德国爱思强等，主要提供MOCVD。第三类则是更专业、更细分的外延设备供应商，比如法国Riber、芬兰DCA Instruments和中国的沈阳科仪等，可以提供专业的MBE、VPE等外延设备。当然从市场竞争格局来看，目前主要市场份额集中在VECCO和Riber、DCA等公司手中，国内同样依赖进口，国产化率很低：

资料来源：QYResearch，阿尔法经济研究

在市场规模上，MBE的市场规模很小，QYResearch数据显示，2019年全球MBE市场规模0.98亿美元，预计2026年市场规模为1.11亿美元，市场容量有限。实际上过于细分和规模过小的市场对企业发展很不利，除了现有的企业，很难有新的企业选择进入：

资料来源：QYResearch，阿尔法经济研究

MBE的国产化值得期待，但企业的成长空间毕竟有限。

当然从沈阳科仪的产品种类来看，MBE仅是其一项产品，公司产品涉及PVD、CVD和真空设备及部件等，发展路径还是可以比照北方华创，这样的好处是可以不受细分市场的约束：

资料来源：沈阳科仪官网，阿尔法经济研究

从未来发展方向来看，因为MBE在制备GaN的质量上不如MOCVD，总体来看应用范围较窄，未来GaN市场的高速发展与MBE是无关的。MBE的主要推动力还是来自GaAs市场及HEMT、HBT等超晶格结构新型器件的制备上。