半导体设备的主要零部件国产化程度分析(深度)

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半导体设备的主要零部件国产化程度分析(深度)

2023-03-16 08:25| 来源: 网络整理| 查看: 265

半导体设备零部件:

按照各类零部件在设备上的不同功能,可其大致分为机械加工件类、物料传送类、电气类、真空类、气液输送类、光学类、热管理类等。

根据芯谋研究,以2020年中国晶圆厂商采购的8-12 吋晶圆设备零部件产品结构为依据,在各类零部件中应用较多的有石英制品(11%)、射频发生器(10%)、泵(10%)、阀门(9%)、静电吸盘(9%)、喷淋头(8%)等。

目前国产率超过10%的仅有石英制品、喷淋头、边缘环组件等几类,其他零部件国产率均较低,尤其是阀门、测量计、密封圈等几乎完全依赖进口。据国内主流代工厂数据,目前全年日常运营过程中领用的零部件(括维保更换和失效更换的零部件)达到2000种以上,但国产占有率仅为8%左右,美国和日本占有率分别为59.7%和26.7%。

石英制品:

石英玻璃贯穿半导体产品制造关键环节。2021年,半导体石英制品占石英制品市场的68%,半导体是石英制品下游市场中占比最大的应用领域。石英材料和制品行业位于半导体产业链的中上游环节,半导体制程中,扩散、氧化、沉积、蚀刻工艺用到石英法兰、石英扩散管、石英钟罩等石英制品,石英锭、石英管等是上述石英制品的基材;合成石英锭是平板显示技术中关键部件光掩膜基板的主基材。

石英玻璃竞争格局:

目前高端石英玻璃市场,尤其是半导体石英玻璃市场,主要还是海外巨头企业如贺利氏、迈图、东曹、昆希掌握,贺利氏、迈图、东曹三家全球市场占比超过60%。目前国产厂商供应占比在10%左右。

国内仅有菲利华和石英股份(石英材料)通过国际半导体设备商的认证。

射频电源:

射频电源属于高频交流电源,工作频率在300KHz-300GHz之间,由放大器、直流电源、检测器和控制器四大模块构成。在集成电路制造工艺中被广泛应用于射频溅射、PECVD、等离子体刻蚀及其他工艺领域。

射频电源竞争格局:

全球射频电源市场格局集中度高,呈现寡头竞争的发展趋势,两大供应商MKSInstrument和AdvancedEnergy均来自美国。AE在2021年实现半导体业务收入7亿美元,MKS实现半导体业务收入18亿美元(不全为射频电源),占据较高市场份额。

英杰电气已成为中微半导体 MOCVD 设备电源稳定供应商,实现进口替代,且相比进口产品仍然具有较为明显的价格优势。

真空汞:

真空泵是用来产生、改善和维持真空环境的装置,是真空系统的核心。半导体制造中,尤其是核心的干法工艺,广泛涉及到真空反应环境,而真空系统直接关系到芯片的性能和良率。

真空汞竞争格局:

光伏真空泵已实现国产化:目前汉钟精机在光伏真空泵市占率70%+,其中拉晶环节市占率较高,电池片环节仍有一定提升空间。

半导体真空泵由国外厂商主导:海外厂商占据95%的市场份额,主要由Atlas(瑞典,2021年半导体真空泵收入约105亿元)和Pfeiffer(德国,2021年半导体真空产品收入约25亿元)占据,国内厂商市场份额不到5%,目前汉钟精机已在联电、力积电等取得突破,未来有较大的国产替代空间。

阀门:

半导体阀门是由带有辅助设备的半导体器件组成的阀,主要是在流体系统中,用来控制流体的方向、压力、流量的装臵。目前,半导体阀门主要可分为隔膜阀、波纹管阀、真空阀、球阀、蝶阀、门阀、角阀、特氟龙门阀等,其中真空阀是主要的半导体阀门类型。

半导体阀门竞争格局:

主要被美国Swagelok (世伟洛克)、美国Parker (派克汉尼汾)、日本Fujikin (富士金)、日本KIZT、瑞士VAT等境外企业垄断,其中美国和日本企业在中国市场市占率较高。根据Market Research Reports数据显示,2021 年全球前五名的收入份额约为68.61%,市场集中度相对较高。

国内生产半导体阀门的企业主要包括新莱应材和晶盛机电。新莱应材在半导体阀门已经能实现对海外零部件的替代,下游客户包括国内外知名的半导体设备厂商,并与制造公司长江存储、合肥长鑫等在高端真空阀门等产品方面也有深入合作。

静电吸盘:

静电吸盘是一种适用于真空环境或等离子体环境的超洁净晶圆片承载体,它利用静电吸附原理将晶圆片加以固定并进行控温。静电吸盘广泛应用于PVD、PECVD、刻蚀、离子注入等高端半导体制造设备。

静电吸盘的基本原理是异种电荷之间相互吸引,即晶圆片与电极之间通过不同种电荷之间的库仑力相互吸引,使晶圆片稳定在电极上。因此静电吸盘的主要结构包括陶瓷外壳、电极、用于控制温度的气体通道等。

静电吸盘竞争格局:

全球静电吸盘市场具有高度垄断性,由日本和美国企业主导,包括美国企业AppliedMaterials、LAM等设备原厂的自主生产,以及日本企业Shinko、TOTO、NTK等第三方供应商,市场集中度较高。中国主要厂商包括广东海拓创新和北京华卓精科公司。

华卓精科(20年产量4台)自主研发的静电卡盘产品严格按照半导体行业相关标准设计和加工,在产品结构设计、尺寸形位精度及使用可靠性等方面都具有技术优势。前期所开发的12时PVD 氮化铝静电卡盘,在一定程度上破除了国外厂商在该产品领域内的长期垄断局面。

华卓精科已将静电卡盘相关技术应用于产品生产并形成了小批量量产,并可为客户提供定制化的产品,产品广泛应用于半导体、平板显示、光学等领域。

华卓精科的静电卡盘产品与国际领先竞争对手相比,产品品类较少,仍难以覆盖所有应用领域的需求。静电吸盘上游原材料为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷。市场集中度较高,多数集中在日本、美国等。

流量计:

质量流量计(MFM)/质量流量控制器(MFC)属于一种工业自动化仪表,可以应用到对各种气体(含蒸汽)进行测量或控制,MFM可以精密测量气体的质量流量,MFC除测量外还可以精密控制气体的质量流量。

万业企业是领先气体输送系统领域精密零组件供应商Compart Systems的第一大股东,通过联合收购取得Compart Systems的33.31%股权并作为第一大股东。Compart Systems为全球少数可完成气体输送系统领域零组件精密加工全部环节及提供流量控制解决方案的公司。

北方华创研制生产的是量热式质量流量计,具有不因温度和压力的波动而失准、重复性好、自动测量控制、工作压力范围宽等特点,可以在真空或高压气路中工作。

金属机械类零部件:

富创精密:

国内半导体设备精密零部件的领军企业,包括工艺零部件、结构零部件、模组产品和气体管路,是国内少有的能够提供满足国际主流客户标准的精密零部件产品的供应商,3%的零部件满足7nm制程。

金属工艺零部件(21年产量1.9万):

主要应用于刻蚀设备、薄膜沉积设备,也少量应用于离子注入设备和高温扩散设备等。公司代表性工艺零部件包括腔体(过渡腔、传输腔和反应腔)、内衬和匀气盘。

金属结构零部件(21年产量5万):

起连接、支撑和冷却等作用;包括托盘轴,铸钢平台,流量计底座,定子冷却套,冷却板;应用于抛光刻蚀沉积涂胶显影设备。

模组产品(21年产量6000):

工艺零部件、结构零部件等自制零部件与外购的电子标准件和机械标准件等经过组装、测试等环节,制成具有特定功能的模组产品,主要应用于半导体设备,包括离子注入机模组,传输腔模组,刻蚀阀体模组,气柜模组。

气体管路产品(21年产量1.1万):

应用于半导体设备中的特殊工艺气体传送,是连接气源到反应腔的传输管道。

富创精密第一大客户“客户 A”总部注册在美国,公司对客户A直接和间接销售额占各期营业收入的比例超过50%。

刻蚀用硅部件:

刻蚀用单晶硅部件是晶圆制造刻蚀环节所需的核心耗材。刻蚀用的硅部件主要包括上电极、下电极以及外套环等类别。

上电极表面有密集微小通孔,在晶圆制造刻蚀环节,上电极有两大作用,即作为附加电压的负极和为刻蚀气体进入腔体提供通路;

下电极内侧加工有台阶和定位凸出部,主要用于承载硅片和附加电压的正极;

外环套是支撑上电极及其他相关零件的承载部件,主要用于保证等离子干式刻蚀机的密闭性和纯净度。

随着设计线宽的缩小,国际上先进的刻蚀工艺逐步要求外环套使用单晶硅材料,刻蚀过程中硅电极会被逐渐腐蚀并变薄,当硅电极厚度缩减到特定程度后,需用新电极替换以保证刻蚀均匀性,因此硅电极是晶圆制造刻蚀工艺的核心耗材。

刻蚀用硅部件竞争格局:

刻蚀用硅部件行业主要被韩日企业垄断,占据市场份额的 70-80%,国内仍有部分厂商只覆盖硅部件加工环节,上游单晶硅材料仍需要向神工股份等企业采购。目前神工股份是全球领先的单晶硅材料生产企业,硅部件产品正在验证中,目前已有部分订单。

神工股份产品可覆盖其绝大多数硅零部件规格,并已获得国内多家12英寸集成电路制造厂的送样评估机会,取得了小批量订单。

有研硅21年产能350吨。

机械手:

机械手即工业机器人,通常指应用在工业生产过程中,模仿人类手臂设计具有串联多关节结构的机器人。机械手能模仿人手臂的某些动作功能,按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

半导体机械手主要适应于集成电路、芯片制造等半导体前段工序,用来搬送晶圆。机械手是EFEM(设备前端模块)和TM(真空传输)的核心组件,用于在抛光、刻蚀、扩散、沉积、装配、包装和测试等的半导体加工步骤中,对半导体晶片进行传输与定位。

按工作环境的不同,硅片搬运机器人可以分为真空机器人和大气机器人。真空机器人大多用在集束型设备中,在真空度为10-5pa环境下通过轨迹规划完成对硅片的传输和定位。大气机器人常用在洁净大气环境中,目前应用最为广泛,占有接近60%的市场份额。

全球半导体机械手市场主要由美国和日本厂商主导。日本是最大的半导体机械手生产地区,占有大约60%的市场份额,美国占有20%的市场份额。中国占有市场份额不大,目前本土企业由新松机器人(最近两年净利润现金流为负,毛利率由17年之前的30%多下降到现在不到10%,存货40亿,占总资产比例35%)主导。

光刻机零部件:

以ASML光刻机上游供应商为例,主要为美国、德国、日本、中国台湾厂商,美国厂商数量最多,其中最核心的组件是光源和镜头,镜头供应商为德国蔡司,光源供应商为美国Cymer(被ASML收购)和日本Gigaphoton,其中EUV光刻机光源由Cymer独家供应。

光刻机双工件台:

光刻机核心组件之一,目前国内已攻克,水平与ASML接近。华卓精科的双工件台目前主要用于65纳米至28纳米浸没式光刻机的研发,而且1.7纳米的华卓精科工件台结合28纳米沉浸式光刻机,在理论上可以经过多重曝光实现7纳米芯片的制造。

光源:

光源波长决定了光刻机的工艺能力。光刻机需要体积小、功率高而稳定的光源。如EUV光刻机所采用的波长13.5nm的极紫外光,光学系统极为复杂。

主流的193nm(ArF)光源(DUV光源)已攻克,最前进的13.5nm EUV光源则正在努力攻坚中。

茂莱光学(IPO中)产品:

光学镜片(物镜系统):

高数值孔径的镜头决定了光刻机的分辨率以及套值误差能力。

长春国科精密已经能生产90nm DUV光刻机镜头,可用于合肥芯硕200nm的光刻机,长春光机所研制的32nm EUV光刻曝光装置已经验收。

奥普光电的K9光学玻璃、人造萤石(CaF2)等高端光学材料供应给肖特蔡司,而肖特蔡司是荷兰ASML光刻机透镜系统光学元件供应商。

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