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【兆恒機(jī)械】半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“卡脖子”?設(shè)備零部件需要破局

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  • 添加日期:2022年05月13日

近幾年來,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越火熱,與第一代、第二代半導(dǎo)體材料(Si、CaAs)不同,第三代半導(dǎo)體材料(SiC、GaN等)具有高頻、高效、高功率、耐高壓、抗輻射等諸多優(yōu)勢特性,主要應(yīng)用在5G、新能源車、充電樁、光伏、軌道交通等領(lǐng)域的核心部件上,而以上領(lǐng)域都是國家重點(diǎn)發(fā)展的方向。

當(dāng)前在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域,國內(nèi)廠商起步與國外廠商相差不多,且滲透率較低,國產(chǎn)替代空間巨大,因此第三代半導(dǎo)體被視為有望實現(xiàn)技術(shù)彎道超車的重大機(jī)遇,受到國家各項政策的推動,而其中,半導(dǎo)體零部件是決定我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。




什么是半導(dǎo)體零部件?



半導(dǎo)體零部件是指在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、品質(zhì)和精度、可靠性及穩(wěn)定性等性能方面達(dá)到了半導(dǎo)體設(shè)備及技術(shù)要求的零部件,如O型密封圈(O-Ring)、傳送模塊(EFEM)、射頻電源(RFGen)、靜電吸盤(ESC)、硅(Si)環(huán)等結(jié)構(gòu)件、真空泵(Pump)、氣體流量計(MFC)、精密軸承、氣體噴淋頭(ShowerHead)等。

半導(dǎo)體設(shè)備共有8大核心子系統(tǒng),包括氣液流量控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制程診斷系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電源及氣體反應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、晶圓傳送系統(tǒng)、其他集成系統(tǒng)及關(guān)鍵組件,每個子系統(tǒng)亦由數(shù)量龐大的零部件組合而成。零部件的性能、質(zhì)量和精度直接決定著設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性,半導(dǎo)體設(shè)備零部件加工要求高,占設(shè)備總支出的70%左右,以刻蝕機(jī)為例,十種主要關(guān)鍵部件占設(shè)備總成本的85%。半導(dǎo)體設(shè)備決定一個國家的半導(dǎo)體制造水平,而半導(dǎo)體零部件則決定半導(dǎo)體設(shè)備的運(yùn)行水平,是半導(dǎo)體設(shè)備的基石,同樣也是目前“卡脖子”嚴(yán)重的領(lǐng)域。

半導(dǎo)體零部件支撐起數(shù)倍大的芯片制造產(chǎn)業(yè)




半導(dǎo)體零部件的主要分類



半導(dǎo)體零部件是半導(dǎo)體設(shè)備的關(guān)鍵構(gòu)成,據(jù)不完全統(tǒng)計,目前行業(yè)里關(guān)于半導(dǎo)體零部件的種類劃分尚未形成標(biāo)準(zhǔn),目前主要有以下幾種分類方法。

1.按典型集成電路設(shè)備腔體內(nèi)部流程分類

這種分類方式可將半導(dǎo)體零部件分為五大類:電源和射頻控制類、氣體輸送類、真空控制類、溫度控制類、傳送裝置類。

電源和射頻控制類:包括射頻發(fā)生器和匹配器、直流/交流電源等;

氣體輸送類:包括流量控制器、氣動部件、氣體過濾器等;

真空控制類:包括干泵/冷泵/分子泵等各種真空泵、控制閥/鐘擺閥等各類閥件、壓力計以及O-Ring密封圈;

溫度控制類:包括加熱盤/靜電吸盤、熱交換器及升降組件;

傳送裝置類:包括機(jī)械手臂、EFEM、軸承、精密軌道、步進(jìn)馬達(dá)等。

2.按半導(dǎo)體零部件的主要材料和使用功能分類

這種分類方式可將其分為十二大類,包括硅/碳化硅件、石英件、陶瓷件、金屬件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、過濾部件、運(yùn)動部件、電控部件以及其他部件。

其中,各大類零部件還包括若干細(xì)分產(chǎn)品,例如在真空件里就包括真空規(guī)(測量工藝真空)、真空壓力計、氣體流量計(MFC)、真空閥件、真空泵等多種關(guān)鍵零部件。

3.按半導(dǎo)體零部件服務(wù)對象分類

這種分類方式可將半導(dǎo)體核心零部件分為兩種,即精密機(jī)加件和通用外購件。

其中,精密機(jī)件通常由各個半導(dǎo)體設(shè)備公司的工程師自行設(shè)計,然后委外加工,只會用于自己公司的設(shè)備上,如工藝腔室、傳輸腔室等,國產(chǎn)化相對容易,一般對其表面處理、精密機(jī)加工等工藝技術(shù)的要求較高。

而通用外購件則是一些經(jīng)過長時間驗證,得到眾多設(shè)備廠和制造廠廣泛認(rèn)可的通用零部件,更加具有標(biāo)準(zhǔn)化,會被不同的設(shè)備公司使用,也會被作為產(chǎn)線上的備件耗材來使用,例如硅結(jié)構(gòu)件、O型密封圈(O-Ring)、閥門、規(guī)(Gauge)、泵、氣體噴淋頭(Showerhead)等,由于這類部件具備較強(qiáng)的通用性和一致性,并且需要得到設(shè)備、制造產(chǎn)線上的認(rèn)證,因此國產(chǎn)化難度較高。

幾大關(guān)鍵系統(tǒng)的核心零部件

下表總結(jié)了在設(shè)備及產(chǎn)線上應(yīng)用數(shù)量較多的主要零部件產(chǎn)品以及其主要服務(wù)的半導(dǎo)體設(shè)備。

主要零部件產(chǎn)品及其主要服務(wù)的半導(dǎo)體設(shè)備




半導(dǎo)體零部件的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀



從地域分布看,半導(dǎo)體設(shè)備零部件市場主要被美國、日本、歐洲、韓國和中國臺灣地區(qū)的少數(shù)企業(yè)所壟斷,國內(nèi)廠商起步晚,國產(chǎn)化率較低。目前石英、噴淋頭、邊緣環(huán)等零部件國產(chǎn)化率僅達(dá)到10%以上,射頻發(fā)生器、MFC、機(jī)械臂等零部件的國產(chǎn)化率在1%-5%,而閥門、靜電卡盤、測量儀表等零部件的國產(chǎn)化率不足1%,國產(chǎn)替代空間較大。

半導(dǎo)體核心零部件的產(chǎn)品類別及主要供應(yīng)商

半導(dǎo)體核心零部件與半導(dǎo)體原材料一樣,盡管市場規(guī)模小,卻決定了半導(dǎo)體設(shè)備的核心構(gòu)成、主要成本、優(yōu)質(zhì)性能等,通常具有高技術(shù)密集、學(xué)科交叉融合、市場規(guī)模占比小且分散,但在價值鏈上卻舉足輕重等特點(diǎn)。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):

1.尖端技術(shù)密集,要求苛刻

相比于其他行業(yè)的基礎(chǔ)零部件,半導(dǎo)體零部件由于要用于精密的半導(dǎo)體制造,其尖端技術(shù)密集的特性尤其明顯,有著精度高、批量小、多品種、尺寸特殊、工藝復(fù)雜、要求極為苛刻等特點(diǎn)。由于半導(dǎo)體零部件的特殊性,企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常要兼顧強(qiáng)度、應(yīng)變、抗腐蝕、電子特性、電磁特性、材料純度等復(fù)合功能要求,對關(guān)鍵零部件在原材料的純度、原材料批次的一致性、質(zhì)量穩(wěn)定性、機(jī)加精度控制等方面要求就更高,造成了極高的技術(shù)門檻。

國內(nèi)主要半導(dǎo)體零部件技術(shù)難點(diǎn)

例如隨著半導(dǎo)體加工的線寬越來越小,光刻工藝對極小污染物的控制苛刻到極致,不光對顆粒嚴(yán)格控制,嚴(yán)控過濾產(chǎn)品的金屬離子析出,這對半導(dǎo)體用過濾件生產(chǎn)制造提出了極高的要求。目前半導(dǎo)體級別濾芯的精度要求達(dá)到1納米甚至以下,而在其他行業(yè)精度則要求在微米級。同時半導(dǎo)體用過濾件還需要保障的一致性,以及耐化學(xué)和耐熱性,極強(qiáng)的抗脫落性等,從而實現(xiàn)半導(dǎo)體制造中需要的可重復(fù)高性能,一致的質(zhì)量和超純的產(chǎn)品清潔度等高要求。

半導(dǎo)體設(shè)備濾芯

2.多學(xué)科交叉融合,需求材料復(fù)合應(yīng)用

半導(dǎo)體零部件種類多,覆蓋范圍廣,產(chǎn)業(yè)鏈很長,其研發(fā)設(shè)計、制造和應(yīng)用涉及到材料、機(jī)械、物理、電子、精密儀器等跨學(xué)科、多學(xué)科的交叉融合。

以半導(dǎo)體制造中用于固定晶圓的靜電吸盤為例,一是其本身是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料,但同時還需加入其他導(dǎo)電物質(zhì)使得其總體電阻率滿足功能性要求,對于材料多性能復(fù)合提出要求;二是陶瓷層和金屬底座結(jié)合要滿足均勻性和高強(qiáng)度的要求,因此對陶瓷內(nèi)部有機(jī)加工構(gòu)造精度要求高;三是靜電吸盤表面處理后要達(dá)到0.01微米左右的涂層,同時要耐高溫,耐磨,使用壽命大于三年以上,因此,對表面處理技術(shù)的掌握與應(yīng)用的要求也比較高,可見制造一件滿足半導(dǎo)體制造要求的精密部件需要涉及的學(xué)科多廣。

靜電吸盤(ElectrostaticChuck,ESC)作用過程

3.種類繁多,市場極為細(xì)分

相比半導(dǎo)體設(shè)備市場,半導(dǎo)體零部件市場更細(xì)分,碎片化特征明顯,單一產(chǎn)品的市場空間很小,同時技術(shù)門檻又高,因此少有純粹的半導(dǎo)體零部件公司。所以,國際領(lǐng)軍的半導(dǎo)體零部件企業(yè)通常以跨行業(yè)多產(chǎn)品線發(fā)展策略為主,半導(dǎo)體零部件往往只是這些大型零部件廠商的其中一塊業(yè)務(wù)。

例如MKS儀器公司,在氣體壓力計/反應(yīng)器、射頻/直流電源、真空產(chǎn)品、機(jī)械手臂等產(chǎn)品線均占據(jù)其主要市場份額,除了半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用,還廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造、生命與健康科學(xué)等領(lǐng)域。





總而言之,目前我國在半導(dǎo)體零部件核心產(chǎn)品上仍然無法做到“自主可控”,除了起步晚、長期不重視、技術(shù)門檻高等原因外,也有國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈不完善,國外成熟產(chǎn)品壟斷市場,上下游供應(yīng)穩(wěn)定,半導(dǎo)體設(shè)備廠商不愿意貿(mào)然切換供應(yīng)體系的原因,呈現(xiàn)一種“內(nèi)外交困”的局面,想要破局,仍舊任重而道遠(yuǎn)。