靜電卡盤國產化，半導體零部件的艱難突圍

（圖片來源：攝圖網）

作者|解碼工作室 來源|解碼Decode(ID：kankeji001)

半導體產業(yè)有這樣一條規(guī)律，“一代技術、一代工藝、一代設備”，先研發(fā)出技術，然后形成工藝,最后再形成設備。因為不斷有新技術出現，產生了新工藝，新的設備才會有企業(yè)買。

而半導體設備的升級迭代，很大程度上有賴于精密零部件的關鍵技術突破。精密零部件不僅是半導體設備制造中難度較大、技術含量較高的環(huán)節(jié)之一，也是國內半導體設備“卡脖子”的環(huán)節(jié)之一，也支撐著整個半導體芯片制造和現代電子信息產業(yè)。

按照通用性劃分，半導體零部件可以分為精密機加件和通用外購件。

精密機加件一般由各設備公司工程師自行設計，委外加工，一般只用于本公司生產設備，如工藝腔室、傳輸腔室。這種零部件的國產化相對容易，但對表面處理、精密機加工等技術要求較高。

而通用外購件一般是經過長期驗證，得到眾多設備商、晶圓制造廠廣泛認可的零部件，更加標準化，應用數量也更大，不僅設備商會采購，晶圓廠也會采購此類部件作為耗材和備件使用，例如石英件、射頻電源、泵、閥門、密封圈、流量計、陶瓷件等。這類零部件需要較強的通用性和一致性，且要得到設備商、晶圓廠的認證，因此國產化難度較大。

靜電卡盤就屬于開發(fā)技術難度較大的一種。

在先進的大規(guī)模集成電路制造過程中有著幾百種工藝步驟，晶圓片需要在多達幾百種的工藝設備之間來回傳輸并進行加工檢測。在加工過程中，晶圓片必須被十分平穩(wěn)、固定地安放在工藝設備上。

完成這一系列操作就需要用到卡盤，根據工作原理、結構形式、夾緊方式等方面的不同，卡盤主要分為機械卡盤、真空卡盤、靜電卡盤三種類型。其中靜電卡盤由于其對工件損傷小、精度高等特點，被廣泛運用于半導體制造工藝等需要精密加工的場景。

一

半導體工藝固定晶圓的“無形之手”

靜電卡盤（Electrostatic Chuck，簡稱E-Chuck），其原理是利用靜電吸附原理將待加工晶圓吸附在其表面，使晶圓保持較好的平坦度，可以抑制晶圓在工藝中的變形，并且可以通過背吹氣體來控制晶圓表面溫度。

相較于機械卡盤，靜電吸盤減少了機械運動部件，降低了顆粒污染，增大晶片的有效面積。與真空吸盤相比，靜電吸盤可用于低壓強（真空）環(huán)境，適用于需要利用卡盤控制晶片溫度的場合。

憑借這些特性，靜電卡盤被廣泛用于PVD、刻蝕機、離子注入機等設備，其在半導體制造工藝的多個環(huán)節(jié)扮演著重要作用。

現代半導體工藝中包含晶圓的清洗、氧化、光刻、刻蝕、沉積等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)中又涉及到多種工序，這其中離子摻雜、離子注入、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）等工序均需要保證晶圓的平穩(wěn)固定，因此都需要靜電卡盤來進行夾持。

在半導體制造工藝中，晶圓的平整度與潔凈度對整個半導體制造的精度與良率至關重要，相較于傳統的機械卡盤與真空卡盤，靜電卡盤因吸附力均勻、污染小、可作用于真空環(huán)境等優(yōu)勢也就成了不二之選。

而靜電卡盤的關鍵與難點則在于溫度控制。

半導體工藝中對晶圓的溫度控制至關重要，以干法刻蝕為例，需要將晶圓控制在100°C到-70°C的某一特定溫度下以維持某種刻蝕特性，因此需要通過靜電卡盤對晶圓進行加熱或散熱，從而對晶圓溫度進行精準控制。

隨著新一代半導體技術的發(fā)展，低溫刻蝕與沉積等工藝通常需要晶圓達到更低的溫度，因此對靜電卡盤的散熱性能就提出了更高的要求。

從技術角度看，除所承載晶圓規(guī)格尺寸逐步增大之外，靜電卡盤的發(fā)展趨勢主要表現為溫度均勻性控制需求提升，即分區(qū)溫控溫區(qū)數量逐漸提高。

2000年前后，分區(qū)溫控溫區(qū)數量一般為2區(qū)，2000年至2005年期間，分區(qū)溫控溫區(qū)數量一般為4區(qū)，而在現階段，已有超過100溫區(qū)的靜電卡盤產品被研發(fā)生產并投入實際應用。

二

美日壟斷嚴重

半導體設備的種類大致分為機械類、電氣類、機電一體類等大類，但由于半導體設備精密度高、結構復雜，需要的零部件種類及數量極其龐大，在每一個大類中也有較多的細分品類，導致市場高度碎片化。

據芯謀研究數據，2020年中國晶圓廠商采購的8-12寸晶圓設備零部件產品結構占比較大的分別為石英件、射頻發(fā)生器、泵、閥門、吸盤、反應腔噴淋頭等，分別占比11%、10%、10%、9%、9%、8%。

由于細分品類的高度碎片化，并且不同零部件之間存在著一定的差異性和技術壁壘，因此半導體零部件市場并未出現一個壟斷型的大型供應商，各賽道的龍頭供應商大多是專長于單一或少數品類。

例如ZEISS專長光學部件，Edwards、日本荏原的真空泵，AE布局射頻發(fā)生器，VAT的閥門零部件等。主要龍頭廠商收入體量大多在幾億美元到十幾億美元的體量，相較數百億美元的總市場規(guī)模，各自在總體市場中份額都不高。

據VLSI Research數據，近10年里，半導體零部件市場前十大供應商的市場份額總和穩(wěn)定在50%左右。

從地域分布上看，除了光刻機零部件市場以ASML和其全球供應鏈供應商組成以外，其他通用型零部件市場主要由美國、日本供應商主導。國內暫無規(guī)模相當的零部件廠商出現。

靜電卡盤就是其中一個典型的細分零部件市場。

美國的靜電卡盤制造商包括Applied Materials與Lam Research等，日本的靜電卡盤制造商包括Shinko、TOTO、NTK、Creative Technology Corporation等。

據QYResearch數據，Applied Materials、Lam Research與Shinko三家公司，占據了2021年全球靜電卡盤市場銷售額前三位，占比分別為43.86%、31.42%、10.20%，合計占比85.48%。

此外，2021年國內靜電卡盤市場也主要由上述的美、日廠商壟斷，其中前三大廠商銷售份額占比超過93.52%，高于全球CR3，壟斷程度更高。

而靜電卡盤又是半導體制造工藝設備中價值量占比相對較高的核心零部件。

據拓荊科技招股說明書，2019年至2021年Q1-Q3靜電卡盤所屬的機械類零部件占拓荊科技核心原材料采購額比重維持在25%以上，且一直處于所有零部件大類采購額比重的第一位。據珂瑪科技公告，靜電卡盤占刻蝕機原材料采購成本的12.7%。

但目前我國靜電卡盤的自主水平及國產化率，與其它半導體零部件、關鍵原材料的處境一致，用低情商的說法是容易被卡脖子，高情商的說法就是可替代空間大。

三

突圍艱難

今年5月23日，日本經濟產業(yè)省正式公布了《外匯法》法令修正案，將先進芯片制造所需的23個品類的半導體設備列入出口管理的管制對象，其中包括具有20個以上溫控區(qū)靜電卡盤的各向異性刻蝕設備。

似曾相識的一幕曾經也在三星身上上演，2019年日本宣布限制對韓國出口光刻膠、氟化聚酰亞胺和氟化氫三種關鍵的半導體材料，鐵錘剛砸下三天，三星掌門李在镕如坐針氈，專程趕赴日本懇求松口。

但背后的緣由并不相同，換言之，日本宣布半導體零部件卡我們的脖子，我們除了奮發(fā)圖強沒別的辦法。

針對潛在的靜電卡盤斷供風險，目前已有多家國內制造商展開了靜電卡盤的相關布局，并已取得了許多實質性的進展。比如已實現小規(guī)模量產的華卓精科和取得突破性進展的中瓷電子。

這種單點的突破僅限于單一層面的從0到1，而放眼整個半導體零部件市場，想要全面或者部分的突圍，難度依舊很大。

主要在于半導體零部件產業(yè)是一個高度分散但又有技術壁壘的市場，且有國產替代和用國產替代又是兩回事。而具體到半導體零部件的卡脖子現狀，仍有5個需要解決的關鍵點：

1 對原料的性能要求高

我國機械加工產業(yè)成熟，但材料產業(yè)基礎較為薄弱，具體指標尚待精進。

如精密陶瓷件對原料關鍵指標的要求較高，需要高純度、高精密度、非常均勻且穩(wěn)定的組織結構，國內材料廠尚處于研發(fā)環(huán)節(jié)；

2 后工序處理難度大

半導體設備精密零部件產品具備高精密、高潔凈、高耐腐蝕、耐擊穿電壓等性能，因此在加工件中，形狀加工僅是基礎，僅滿足形狀精度要求，后端的表面處理與清洗工藝中有更多的技術積累。

例如對于反應腔而言，需要同時具備耐腐蝕、耐擊穿、高潔凈度，并能實現高密封性和高真空度；

3 復雜電氣類產品的開發(fā)研制難度高

半導體設備是復雜的機電一體化系統，其中涉及到大量的電氣組件使用，相較金屬加工件，電氣類組件的結構更復雜，國內相關廠商仍處于起步階段。

例如泵產品，雖然沈陽科儀已成為國內晶圓線干泵的主要供應商之一，但半導體級的高真空度冷凝泵和渦輪泵國產化率仍舊較低；

4 認證體系復雜，周期長

半導體設備行業(yè)內有較為嚴格的認證體系和供應商資質認證體系，若要進入國內外設備廠商的供應鏈，需要經過長期且嚴苛的客戶認證，獲得認證后也要持續(xù)進行不定期的資質復審，才能與下游客戶建立長期穩(wěn)定的合作關系；

5 市場碎片化

例如Gauge、MFC、O-ring等零部件，不僅對精度和材料的要求高，而且半導體級產品的市場規(guī)模很小，各品類下的廠商體量都較小。通常用于食品、醫(yī)藥等領域的產品不滿足半導體級規(guī)格，半導體級產品存在較多技術壁壘、軟實力要求高，有許多Know-How。

四

尾聲

很多時候，有一種聲音說國產半導體是“被逼著”發(fā)展的，中美沖突后才開始加大力度。其實這話說對了一半，國內半導體發(fā)展的確是受到制裁后才闖入大眾視野，但我們其實在2014年就加大半導體投資力度了。

像以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體，早在2013年科技部就在國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)中列了出來，前一段時間又限制了鎵和鍺的出口，本質上這也是一種自我保護和產業(yè)升級。

2021年10月29日，在華為軍團組建成立大會上，任正非喊出了“沒有退路就是勝利之路”的宣言，其實也同樣適用于國內眾多的半導體零部件廠商。

再說，緩慢的進步也是進步。

參考資料

[1] 電子陶瓷打造中國“京瓷”，進軍第三代半導體，財通證券

[2] 靜電卡盤，“卡”了我們的脖子，它到底是啥？粉體工業(yè)

[3] 機械設備行業(yè)深度分析報告：半導體設備零部件國產化加速，開啟千億新藍海，財通證券

[4] 半導體行業(yè)深度報告：國產替代核心部件，百舸爭流加速崛起，民生證券

[5] 半導體零部件系列研究之靜電卡盤：靜電卡盤是半導體關鍵零部件，技術壁壘高，光大證券

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