靜電卡盤國(guó)產(chǎn)化，半導(dǎo)體零部件的艱難突圍

（圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng)）

作者|解碼工作室 來(lái)源|解碼Decode(ID：kankeji001)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有這樣一條規(guī)律，“一代技術(shù)、一代工藝、一代設(shè)備”，先研發(fā)出技術(shù)，然后形成工藝,最后再形成設(shè)備。因?yàn)椴粩嘤行录夹g(shù)出現(xiàn)，產(chǎn)生了新工藝，新的設(shè)備才會(huì)有企業(yè)買。

而半導(dǎo)體設(shè)備的升級(jí)迭代，很大程度上有賴于精密零部件的關(guān)鍵技術(shù)突破。精密零部件不僅是半導(dǎo)體設(shè)備制造中難度較大、技術(shù)含量較高的環(huán)節(jié)之一，也是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備“卡脖子”的環(huán)節(jié)之一，也支撐著整個(gè)半導(dǎo)體芯片制造和現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)。

按照通用性劃分，半導(dǎo)體零部件可以分為精密機(jī)加件和通用外購(gòu)件。

精密機(jī)加件一般由各設(shè)備公司工程師自行設(shè)計(jì)，委外加工，一般只用于本公司生產(chǎn)設(shè)備，如工藝腔室、傳輸腔室。這種零部件的國(guó)產(chǎn)化相對(duì)容易，但對(duì)表面處理、精密機(jī)加工等技術(shù)要求較高。

而通用外購(gòu)件一般是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證，得到眾多設(shè)備商、晶圓制造廠廣泛認(rèn)可的零部件，更加標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用數(shù)量也更大，不僅設(shè)備商會(huì)采購(gòu)，晶圓廠也會(huì)采購(gòu)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(jì)、陶瓷件等。這類零部件需要較強(qiáng)的通用性和一致性，且要得到設(shè)備商、晶圓廠的認(rèn)證，因此國(guó)產(chǎn)化難度較大。

靜電卡盤就屬于開發(fā)技術(shù)難度較大的一種。

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

完成這一系列操作就需要用到卡盤，根據(jù)工作原理、結(jié)構(gòu)形式、夾緊方式等方面的不同，卡盤主要分為機(jī)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(duì)工件損傷小、精度高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于半導(dǎo)體制造工藝等需要精密加工的場(chǎng)景。

一

半導(dǎo)體工藝固定晶圓的“無(wú)形之手”

靜電卡盤（Electrostatic Chuck，簡(jiǎn)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(guò)背吹氣體來(lái)控制晶圓表面溫度。

相較于機(jī)械卡盤，靜電吸盤減少了機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(qiáng)（真空）環(huán)境，適用于需要利用卡盤控制晶片溫度的場(chǎng)合。

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

現(xiàn)代半導(dǎo)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(gè)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(xué)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(lái)進(jìn)行夾持。

在半導(dǎo)體制造工藝中，晶圓的平整度與潔凈度對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體制造的精度與良率至關(guān)重要，相較于傳統(tǒng)的機(jī)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(shì)也就成了不二之選。

而靜電卡盤的關(guān)鍵與難點(diǎn)則在于溫度控制。

半導(dǎo)體工藝中對(duì)晶圓的溫度控制至關(guān)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(guò)靜電卡盤對(duì)晶圓進(jìn)行加熱或散熱，從而對(duì)晶圓溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

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

從技術(shù)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(shì)主要表現(xiàn)為溫度均勻性控制需求提升，即分區(qū)溫控溫區(qū)數(shù)量逐漸提高。

2000年前后，分區(qū)溫控溫區(qū)數(shù)量一般為2區(qū)，2000年至2005年期間，分區(qū)溫控溫區(qū)數(shù)量一般為4區(qū)，而在現(xiàn)階段，已有超過(guò)100溫區(qū)的靜電卡盤產(chǎn)品被研發(fā)生產(chǎn)并投入實(shí)際應(yīng)用。

二

美日壟斷嚴(yán)重

半導(dǎo)體設(shè)備的種類大致分為機(jī)械類、電氣類、機(jī)電一體類等大類，但由于半導(dǎo)體設(shè)備精密度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的零部件種類及數(shù)量極其龐大，在每一個(gè)大類中也有較多的細(xì)分品類，導(dǎo)致市場(chǎng)高度碎片化。

據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)晶圓廠商采購(gòu)的8-12寸晶圓設(shè)備零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)占比較大的分別為石英件、射頻發(fā)生器、泵、閥門、吸盤、反應(yīng)腔噴淋頭等，分別占比11%、10%、10%、9%、9%、8%。

由于細(xì)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(shù)壁壘，因此半導(dǎo)體零部件市場(chǎng)并未出現(xiàn)一個(gè)壟斷型的大型供應(yīng)商，各賽道的龍頭供應(yīng)商大多是專長(zhǎng)于單一或少數(shù)品類。

例如ZEISS專長(zhǎng)光學(xué)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(shù)百億美元的總市場(chǎng)規(guī)模，各自在總體市場(chǎng)中份額都不高。

據(jù)VLSI Research數(shù)據(jù)，近10年里，半導(dǎo)體零部件市場(chǎng)前十大供應(yīng)商的市場(chǎng)份額總和穩(wěn)定在50%左右。

從地域分布上看，除了光刻機(jī)零部件市場(chǎng)以ASML和其全球供應(yīng)鏈供應(yīng)商組成以外，其他通用型零部件市場(chǎng)主要由美國(guó)、日本供應(yīng)商主導(dǎo)。國(guó)內(nèi)暫無(wú)規(guī)模相當(dāng)?shù)牧悴考S商出現(xiàn)。

靜電卡盤就是其中一個(gè)典型的細(xì)分零部件市場(chǎng)。

美國(guó)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(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，Applied Materials、Lam Research與Shinko三家公司，占據(jù)了2021年全球靜電卡盤市場(chǎng)銷售額前三位，占比分別為43.86%、31.42%、10.20%，合計(jì)占比85.48%。

此外，2021年國(guó)內(nèi)靜電卡盤市場(chǎng)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(guò)93.52%，高于全球CR3，壟斷程度更高。

而靜電卡盤又是半導(dǎo)體制造工藝設(shè)備中價(jià)值量占比相對(duì)較高的核心零部件。

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

但目前我國(guó)靜電卡盤的自主水平及國(guó)產(chǎn)化率，與其它半導(dǎo)體零部件、關(guān)鍵原材料的處境一致，用低情商的說(shuō)法是容易被卡脖子，高情商的說(shuō)法就是可替代空間大。

三

突圍艱難

今年5月23日，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省正式公布了《外匯法》法令修正案，將先進(jìn)芯片制造所需的23個(gè)品類的半導(dǎo)體設(shè)備列入出口管理的管制對(duì)象，其中包括具有20個(gè)以上溫控區(qū)靜電卡盤的各向異性刻蝕設(shè)備。

似曾相識(shí)的一幕曾經(jīng)也在三星身上上演，2019年日本宣布限制對(duì)韓國(guó)出口光刻膠、氟化聚酰亞胺和氟化氫三種關(guān)鍵的半導(dǎo)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(dǎo)體零部件卡我們的脖子，我們除了奮發(fā)圖強(qiáng)沒別的辦法。

針對(duì)潛在的靜電卡盤斷供風(fēng)險(xiǎn)，目前已有多家國(guó)內(nèi)制造商展開了靜電卡盤的相關(guān)布局，并已取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。比如已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)的華卓精科和取得突破性進(jìn)展的中瓷電子。

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

主要在于半導(dǎo)體零部件產(chǎn)業(yè)是一個(gè)高度分散但又有技術(shù)壁壘的市場(chǎng)，且有國(guó)產(chǎn)替代和用國(guó)產(chǎn)替代又是兩回事。而具體到半導(dǎo)體零部件的卡脖子現(xiàn)狀，仍有5個(gè)需要解決的關(guān)鍵點(diǎn)：

1 對(duì)原料的性能要求高

我國(guó)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)成熟，但材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，具體指標(biāo)尚待精進(jìn)。

如精密陶瓷件對(duì)原料關(guān)鍵指標(biāo)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(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)材料廠尚處于研發(fā)環(huán)節(jié)；

2 后工序處理難度大

半導(dǎo)體設(shè)備精密零部件產(chǎn)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(chǔ)，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(shù)積累。

例如對(duì)于反應(yīng)腔而言，需要同時(shí)具備耐腐蝕、耐擊穿、高潔凈度，并能實(shí)現(xiàn)高密封性和高真空度；

3 復(fù)雜電氣類產(chǎn)品的開發(fā)研制難度高

半導(dǎo)體設(shè)備是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)更復(fù)雜，國(guó)內(nèi)相關(guān)廠商仍處于起步階段。

例如泵產(chǎn)品，雖然沈陽(yáng)科儀已成為國(guó)內(nèi)晶圓線干泵的主要供應(yīng)商之一，但半導(dǎo)體級(jí)的高真空度冷凝泵和渦輪泵國(guó)產(chǎn)化率仍舊較低；

4 認(rèn)證體系復(fù)雜，周期長(zhǎng)

半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)內(nèi)有較為嚴(yán)格的認(rèn)證體系和供應(yīng)商資質(zhì)認(rèn)證體系，若要進(jìn)入國(guó)內(nèi)外設(shè)備廠商的供應(yīng)鏈，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期且嚴(yán)苛的客戶認(rèn)證，獲得認(rèn)證后也要持續(xù)進(jìn)行不定期的資質(zhì)復(fù)審，才能與下游客戶建立長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系；

5 市場(chǎng)碎片化

例如Gauge、MFC、O-ring等零部件，不僅對(duì)精度和材料的要求高，而且半導(dǎo)體級(jí)產(chǎn)品的市場(chǎng)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(lǐng)域的產(chǎn)品不滿足半導(dǎo)體級(jí)規(guī)格，半導(dǎo)體級(jí)產(chǎn)品存在較多技術(shù)壁壘、軟實(shí)力要求高，有許多Know-How。

四

尾聲

很多時(shí)候，有一種聲音說(shuō)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體是“被逼著”發(fā)展的，中美沖突后才開始加大力度。其實(shí)這話說(shuō)對(duì)了一半，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體發(fā)展的確是受到制裁后才闖入大眾視野，但我們其實(shí)在2014年就加大半導(dǎo)體投資力度了。

像以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體，早在2013年科技部就在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)中列了出來(lái)，前一段時(shí)間又限制了鎵和鍺的出口，本質(zhì)上這也是一種自我保護(hù)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

2021年10月29日，在華為軍團(tuán)組建成立大會(huì)上，任正非喊出了“沒有退路就是勝利之路”的宣言，其實(shí)也同樣適用于國(guó)內(nèi)眾多的半導(dǎo)體零部件廠商。

再說(shuō)，緩慢的進(jìn)步也是進(jìn)步。

參考資料

[1] 電子陶瓷打造中國(guó)“京瓷”，進(jìn)軍第三代半導(dǎo)體，財(cái)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(jī)械設(shè)備行業(yè)深度分析報(bào)告：半導(dǎo)體設(shè)備零部件國(guó)產(chǎn)化加速，開啟千億新藍(lán)海，財(cái)通證券

[4] 半導(dǎo)體行業(yè)深度報(bào)告：國(guó)產(chǎn)替代核心部件，百舸爭(zhēng)流加速崛起，民生證券

[5] 半導(dǎo)體零部件系列研究之靜電卡盤：靜電卡盤是半導(dǎo)體關(guān)鍵零部件，技術(shù)壁壘高，光大證券

免責(zé)聲明:本文基于已公開的資料信息或受訪人提供的信息撰寫，但解碼Decode及文章作者不保證該等信息資料的完整性、準(zhǔn)確性。在任何情況下，本文中的信息或所表述的意見均不構(gòu)成對(duì)任何人的投資建議。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：解碼Decode(ID：kankeji001)，作者：解碼工作室