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半导体产业“卡脖子”?设备零部件需要破局
2022年05月09日 发布 分类:w88应用技术 点击量:172
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近几年来,半导体产业发展越来越火热,与第一代、第二代半导体材料(Si、CaAs)不同,第三代半导体材料(SiC、GaN等)具有高频、高效、高功率、耐高压、抗辐射等诸多优势特性,主要应用在5G、新能源车、充电桩、光伏、轨道交通等领域的核心部件上,而以上领域都是国家重点发展的方向。

当前在第三代半导体材料领域,国内厂商起步与国外厂商相差不多,且渗透率较低,国产替代空间巨大,因此第三代半导体被视为有望实现技术弯道超车的重大机遇,受到国家各项政策的推动,而其中,半导体零部件是决定我国半导体产业高质量发展的关键领域。

半导体零部件

什么是半导体零部件?

半导体零部件是指在材料、结构、工艺、品质和精度、可靠性及稳定性等性能方面达到了半导体设备及技术要求的零部件,如O型密封圈(O-Ring)、传送模块(EFEM)、射频电源(RF Gen)、静电吸盘(ESC)、硅(Si)环等结构件、真空泵(Pump)、气体流量计(MFC)、精密轴承、气体喷淋头(ShowerHead)等。

半导体设备共有8大核心子系统,包括气液流量控制系统、真空系统、制程诊断系统、光学系统、电源及气体反应系统、热管理系统、晶圆传送系统、其他集成系统及关键组件,每个子系统亦由数量庞大的零部件组合而成。零部件的性能、质量和精度直接决定着设备的可靠性和稳定性,半导体设备零部件加工要求高,占设备总支出的70%左右,以刻蚀机为例,十种主要关键部件占设备总成本的85%。半导体设备决定一个国家的半导体制造水平,而半导体零部件则决定半导体设备的运行水平,是半导体设备的基石,同样也是目前“卡脖子”严重的领域。

半导体零部件支撑起数倍大的芯片制造产业

半导体零部件支撑起数倍大的芯片制造产业

半导体零部件的主要分类

半导体零部件是半导体设备的关键构成,据不完全统计,目前行业里关于半导体零部件的种类划分尚未形成标准,目前主要有以下几种分类方法。

1. 按典型集成电路设备腔体内部流程分类

这种分类方式可将半导体零部件分为五大类: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。

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: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-Ring密封圈;

温度控制类:包括加热盘/静电吸盘、热交换器及升降组件;

传送装置类:包括机械手臂、EFEM、轴承、精密轨道、步进马达等。

2. 按半导体零部件的主要材料和使用功能分类

这种分类方式可将其分为十二大类,包括硅/碳化硅件、石英件、陶瓷件、金属件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、过滤部件、运动部件、电控部件以及其他部件。

其中,各大类零部件还包括若干细分产品,例如在真空件里就包括真空规(测量工艺真空)、真空压力计、气体流量计(MFC)、真空阀件、真空泵等多种关键零部件。

3. 按半导体零部件服务对象分类

这种分类方式可将半导体核心零部件分为两种,即精密机加件和通用外购件。

其中,精密机加件通常由各个半导体设备公司的工程师自行设计,然后委外加工,只会用于自己公司的设备上,如工艺腔室、传输腔室等,国产化相对容易,一般对其表面处理、精密机加工等工艺技术的要求较高。

而通用外购件则是一些经过长时间验证,得到众多设备厂和制造厂广泛认可的通用零部件,更加具有标准化,会被不同的设备公司使用,也会被作为产线上的备件耗材来使用,例如硅结构件、O型密封圈(O-Ring)、阀门、规(Gauge)、泵、气体喷淋头(Shower head)等,由于这类部件具备较强的通用性和一致性,并且需要得到设备、制造产线上的认证,因此国产化难度较高。

几大关键系统的核心零部件

几大关键系统的核心零部件

下表总结了在设备及产线上应用数量较多的主要零部件产品以及其主要服务的半导体设备。

主要零部件产品及其主要服务的半导体设备


半导体零部件的产业特点及发展现状

从地域分布看,半导体设备零部件市场主要被美国、日本、欧洲、韩国和中国台湾地区的少数企业所垄断,国内厂商起步晚,国产化率较低。目前石英、喷淋头、边缘环等零部件国产化率仅达到10%以上,射频发生器、MFC、机械臂等零部件的国产化率在1%-5%,而阀门、静电卡盘、测量仪表等零部件的国产化率不足1%,国产替代空间较大。

半导体核心零部件的产品类别及主要供应商


半导体核心零部件与半导体原材料一样,尽管市场规模小,却决定了半导体设备的核心构成、主要成本、优质性能等,通常具有高技术密集、学科交叉融合、市场规模占比小且分散,但在价值链上却举足轻重等特点。

产业发展主要表现为以下几点:

1. 尖端技术密集,要求苛刻

相比于其他行业的基础零部件,半导体零部件由于要用于精密的半导体制造,其尖端技术密集的特性尤其明显,有着精度高、批量小、多品种、尺寸特殊、工艺复杂、要求极为苛刻等特点。由于半导体零部件的特殊性,企业生产经常要兼顾强度、应变、抗腐蚀、电子特性、电磁特性、材料纯度等复合功能要求,对关键零部件在原材料的纯度、原材料批次的一致性、质量稳定性、机加精度控制等方面要求就更高,造成了极高的技术门槛。

国内主要半导体零部件技术难点


例如随着半导体加工的线宽越来越小,光刻工艺对极小污染物的控制苛刻到极致,不光对颗粒严格控制,严控过滤产品的金属离子析出,这对半导体用过滤件生产制造提出了极高的要求。目前半导体级别滤芯的精度要求达到1纳米甚至以下,而在其他行业精度则要求在微米级。同时半导体用过滤件还需要保障的一致性,以及耐化学和耐热性,极强的抗脱落性等,从而实现半导体制造中需要的可重复高性能,一致的质量和超纯的产品清洁度等高要求。

半导体设备滤芯

半导体设备滤芯

2. 多学科交叉融合,需求材料复合应用

半导体零部件种类多,覆盖范围广,产业链很长,其研发设计、制造和应用涉及到材料、机械、物理、电子、精密仪器等跨学科、多学科的交叉融合。

以半导体制造中用于固定晶圆的静电吸盘为例,一是其本身是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料,但同时还需加入其他导电物质使得其总体电阻率满足功能性要求,对于材料多性能复合提出要求;二是陶瓷层和金属底座结合要满足均匀性和高强度的要求,因此对陶瓷内部有机加工构造精度要求高;三是静电吸盘表面处理后要达到0.01微米左右的涂层,同时要耐高温,耐磨,使用寿命大于三年以上,因此,对表面处理技术的掌握与应用的要求也比较高,可见制造一件满足半导体制造要求的精密部件需要涉及的学科多广。

静电吸盘作用过程

静电吸盘(Electrostatic Chuck,ESC)作用过程

3.种类繁多,市场极为细分

相比半导体设备市场,半导体零部件市场更细分,碎片化特征明显,单一产品的市场空间很小,同时技术门槛又高,因此少有纯粹的半导体零部件公司。所以,国际领军的半导体零部件企业通常以跨行业多产品线发展策略为主,半导体零部件往往只是这些大型零部件厂商的其中一块业务。

例如MKS仪器公司,在气体压力计/反应器、射频/直流电源、真空产品、机械手臂等产品线均占据其主要市场份额,除了半导体行业的应用,还广泛地应用于工业制造、生命与健康科学等领域。

总而言之,目前我国在半导体零部件核心产品上仍然无法做到“自主可控”,除了起步晚、长期不重视、技术门槛高等原因外,也有国内半导体产业链不完善,国外成熟产品垄断市场,上下游供应稳定,半导体设备厂商不愿意贸然切换供应体系的原因,呈现一种“内外交困”的局面,想要破局,仍旧任重而道远。


参考来源:

1. 半导体零部件产业现状及对我国发展的建议,朱晶(北京国际工程咨询有限公司北京半导体行业协会);

2. 泛半导体装备与零部件,雷震霖(第四届粤港澳大湾区真空科技创新发展论坛暨2020年广东省真空学会学术年会);

3. 集成电路产业的核心工艺装备及其真空零部件,王光玉(第十四届国际真空科学与工程应用学术会议)

4. 半导体零部件深度报告,中银证券;


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