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半导体设备核心零部件发展现状与机遇
发布时间:2024-01-16 作者:沈毅 王箫音 徐晨赫 信息来源:国新基金 字体:

零部件是半导体设备核心构成部分,具有多重壁垒,属于极易被“卡脖子”的环节,国产替代需求强。在国产化率较低、市场规模较大、开发技术难度大、对精度及材料要求高的细分领域具备一定的投资价值,例如半导体设备用射频电源、真空泵、阀门、陶瓷材料的静电卡盘等。本文参阅专家观点和大量研报资料,对半导体设备核心零部件的发展现状进行分析,并提出相关建议。

一、半导体设备零部件发展现状

(一)零部件的重要性

半导体设备厂商主要专注于设备研发、整体生产装配和测试,零部件则是半导体设备的核心构成,其性能、质量和精度直接决定设备的可靠性和稳定性,半导体设备升级迭代很大程度上依赖精密零部件的技术突破。从中国大陆半导体设备厂商的成本占比看,直接材料(主要是零部件)占比通常超过八成。

(二)市场规模

除半导体设备厂商需要零部件外,晶圆厂也会使用辅材耗材类零部件。根据SEMI数据,2022年全球半导体设备市场规模为1076亿美元,仅考虑设备厂商所需的零部件,以设备的直接材料成本占比约80%测算,2022年全球半导体设备零部件市场规模约516亿美元。2022年中国大陆半导体设备市场规模为283亿美元,按相同方法折算,2022年中国大陆半导体设备零部件市场规模约136亿美元。

(三)行业壁垒

半导体设备零部件行业具有多重壁垒,属于极易被“卡脖子”的环节,国产替代需求强。

1.技术壁垒

相比于其他基础零部件,半导体设备零部件尖端技术密集的特性尤其明显,具有精度高、多品种、尺寸特殊、工艺复杂、质量要求苛刻等特点,技术壁垒极高。

2.客户壁垒

芯片制造的化学反应过程非常复杂,配方及工艺流程一旦确定下来就不会轻易改变,导致设备制造商不会轻易更换零部件供应商。成为合格零部件供应商的认证要求严苛、验证程序复杂,一旦确定合作关系后,设备制造商会与零部件供应商长期深度绑定。新进入的零部件厂商很难得到验证机会和规模应用。

3.资金和供应链壁垒

半导体设备零部件属于资金密集行业,零部件的原材料及加工装备要求高并且价格昂贵。加工件往往要求高纯度的材料,例如铝和石英,需要大型矿山特别定制,只有采购量大的零部件厂商才能处于供应链的优势地位。

(四)核心类别

按照典型半导体设备腔体内部流程来分类,零部件可以分为五大类:电源和射频控制类、气体输送类、真空控制类、温度控制类、传送装置类〔1〕。其中,电源和射频控制类包括射频发生器和匹配器、直流/交流电源等;气体输送类主要包括流量控制器、气动部件、气体过滤器等;真空控制类包括干泵/冷泵/分子泵等各种真空泵、控制阀/钟摆阀等各类阀件、压力计以及O型密封圈;温度控制类包括加热盘/静电卡盘、热交换器及升降组件;传送装置类包括机械手臂、设备前端模块(EFEM)、轴承、精密轨道、步进马达等。

中国半导体设备零部件总体发展水平偏低,其中在国产化率较低、市场规模较大、开发技术难度大、对精度及材料要求高的细分领域具备一定的投资价值,例如半导体设备用射频电源、真空泵、阀门、陶瓷材料的静电卡盘等。

1.电源和射频控制类:射频电源

射频电源是可以产生固定频率的正弦波且具有一定频率的高频电源,主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成,是等离子体配套电源,目前被广泛应用于半导体设备、LED与太阳能光伏设备、科学研究、射频感应加热、医疗美容及常压等离子体消毒清洗等领域。在半导体设备领域,射频电源主要应用于刻蚀设备、PVD和CVD设备。

2.真空控制类:真空泵

真空获得设备,即获得、改善和(或)维持真空环境的装置,主要指真空泵,是真空技术中最关键的设备种类。

按照工作原理的不同,真空泵分为气体传输泵和气体捕集泵两大类。不同类型的真空泵,其主要应用的真空度范围不同。气体传输泵可分为变容真空泵和动量真空泵。变容真空泵是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气的装置,气体在排出前被压缩。变容真空泵可分为往复式和旋转式,半导体设备中常见的干式真空泵、油封式机械泵属于旋转式。动量真空泵通过高速旋转的叶片或射流,把动量传输给气体或者气体分子,使气体连续不断地从入口传输到出口。半导体设备中常见的涡轮分子泵属于动量真空泵。气体捕集泵使气体分子被吸附或冷凝而保留在泵内表面,主要包括吸附泵、吸气剂泵、升华(蒸发)泵、吸气剂离子泵、低温泵。

3.真空控制类:阀门

阀门是半导体真空系统和流体系统中的核心元件,起到开闭、控制流量/流向、调节压力等作用。阀门种类众多,如在真空系统中按作用可分为隔离阀、控制阀、传输阀等;流体系统则需要使用隔膜阀、调压阀等。半导体制造对阀门要求极为严苛,对密封性、真空度、洁净度等指标都有极高标准,在材料选择、表面处理等方面都提出了较高要求。

4.温度控制类:静电卡盘

静电卡盘(ESC或E-Chuck)是一种利用静电吸附原理加持固定被吸附物的夹具,适用于真空和等离子体环境,主要作用是用于吸附超洁净薄片(如硅片),并使吸附物保持较好的平坦度,可以抑制吸附物在工艺中的变形,并能够调节吸附物的温度。

按照电介质层材料,静电卡盘主要分为库伦类和J-R(Johnsen-Rahbek)类。由于异种电荷距离更加接近,J-R类静电卡盘可在较低电压下实现相同吸附力。

从材料来看,静电卡盘主要以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料,陶瓷材料具有良好的导热性、耐磨性及高硬度,且与金属材料相比在电绝缘性方面有先天优势。静电卡盘在陶瓷材料中加入了其他导电物质,使得总体电阻率满足功能性要求。

二、半导体设备零部件细分领域发展现状

(一)射频电源

射频电源一定程度上决定了等离子体生成的浓度、均一度和流动方向精准控制,是设备运行稳定性和产品良率的关键。射频电源技术难度大、下游验证周期长、市场集中度高,进入壁垒高。

半导体设备用射频电源的国产化率极低。据中邮证券统计,2022年,全球第一梯队厂商,主要包括美国MKS、美国Advanced Energy、日本大阪变压器等,占有约52.95%的市场份额。第二梯队厂商,主要包括德国通快、瑞士康姆艾德、中国北广科技、日本京三制作所、日本爱发科、日本电子、韩国New Power Plasma等,占有约33.99%的市场份额。

(二)真空泵

半导体制造是真空泵的重要应用领域,也是当前主要的增长动力。半导体制造中主要使用的真空泵包括干式真空泵和涡轮分子泵。随着工艺制程的提高,半导体制造工艺步骤将继续增加,对真空设备的需求也相应增加。此外,多模和EUV光刻等技术将进一步推动真空设备在半导体制造领域的应用。

光伏行业的快速发展也是真空泵需求快速增长的重要推动力。干式真空泵可用于光伏产业链中硅片的拉晶环节、电池片的钝化镀膜环节(PECVD/ALD等设备)、组件的层压环节等。

全球真空设备公司主要有英国Edwards(已被瑞典Atlas收购)、德国Pfeiffer、日本荏原、日本坚山工业等。其中,Edwards、Pfeiffer、荏原等龙头企业均为成立百年以上的上市公司,在激烈的行业竞争中脱颖而出,技术实力雄厚。国内企业主要包括汉钟精机、沈科仪等。

(三)阀门

对于真空阀产品,优异的密封性、精确的流量控制、最小的颗粒产生、最小的振动和冲击、稳定性和可重复性等都是至关重要的特性,尤其是在半导体制造这种对空气质量和环境控制有极高要求的领域,其要求会比标准真空阀更高。真空阀市场格局集中,瑞士VAT占据主导地位,美国MKS、日本VTEX、日本CKD、日本SMC和爱发科等厂商也都占据一定的市场份额。

流体系统对阀门也有着极为严苛的要求,包括洁净度要求高、材质纯度要求高、应对腐蚀和快速吹扫无残留要求高、流体控制精度要求高等。对于流体系统中的隔膜阀、调压阀等产品,美国Swagelok、日本富士金、美国Parker Hannifin等厂商具有较高的市场份额。国内企业主要包括新莱应材、中科艾尔等。

(四)静电卡盘

半导体制造需要通过静电卡盘对晶圆进行加热或散热,从而实现对晶圆温度的精准控制,这是提升良率的关键和难点所在。氮化铝陶瓷拥有更好的导热性能、热膨胀系数、机械性能、绝缘性,更适合作为半导体制造的静电卡盘材料。随着氮化铝陶瓷烧结工艺的不断进步,未来氮化铝陶瓷的静电卡盘有望逐渐对氧化铝陶瓷的静电卡盘实现替代。静电卡盘的未来趋势是通过增加温控分区数量的方式,对每一温控分区进行单独温度控制,从而实现晶圆整体的均热性。

全球静电卡盘市场由美系、日系制造商高度垄断,全球前五大制造商市占率超过80%。主要厂商包括美国应材、美国Lam Research、日本SHINKO、日本TOTO、日本NTK等公司,其中应材和Lam Research为自家生产的半导体设备配套生产静电卡盘,将刻蚀、PVD、CVD等设备配套静电卡盘共同销售给晶圆厂。由于静电卡盘属于消耗品,使用寿命一般不超过两年,具有较大的替换需求。

国内静电卡盘发展处于起步阶段,目前已有包括华卓精科、海拓创新、中瓷电子、富创精密、珂玛科技等国内企业开始了静电卡盘相关的研发生产工作,并取得进展。其中,华卓精科已开发出12寸PVD氮化铝静电卡盘,在一定程度上破除了海外厂商在静电卡盘领域的长期垄断局面,目前该产品已实现小规模量产。

三、相关建议

(一)建议关注重要细分领域国内龙头企业

半导体设备零部件具有碎片化市场特征,其中,国产化率较低、市场规模较大、开发技术难度大、对精度及材料要求高的细分领域将迎来投资机会。建议重点关注半导体设备用射频电源、干式真空泵、涡轮分子泵、半导体设备用阀门、氮化铝陶瓷静电卡盘等领域。

(二)建议关注通过收购境外公司带来的投资机会

国内企业除了自主创新研发,也有通过并购海外公司获得核心技术、布局零部件市场的成功案例。例如万业企业通过并购Compart System进入流量控制领域、新莱应材通过并购GNB扩展高端真空室和真空阀门领域等。建议关注半导体设备核心零部件领域国内企业通过并购韩国、日本等境外公司取得核心技术和产品突破带来的机会。

(国新基金)


注释

〔1〕 朱晶:《半导体零部件产业现状及对我国发展的建议》,《中国集成电路》,2022年第4期。


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