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被“卡脖子”的国产半导体设备零部件怎么展开?

发布时间:2022-07-02 13:29:06 来源:环球体育注册

  半导体工业是构建我国战略科技力气自立自强的中心支撑工业,而半导体零部件则是决议我国半导体工业高质量展开的要害范畴。虽然当时我国半导体工业处于加速展开阶段,但国内半导体零部件工业仍面对着国产化率低下,工业长时间支撑和投入力度短少,企业自主立异才干单薄,工业上下流联动协作不畅,人才培育和激励机制缺失等许多问题。本文将全面整理全球半导体零部件工业的展开特色和要点企业,研讨国内外商场规划和展开格式,并针对现在国内半导体零部件工业面对的首要问题,提出相关展开主张。

  半导体零部件是指在资料、结构、工艺、质量和精度、可靠性及稳定性等功用方面到达了半导体设备及技能要求的零部件,如O-Ring密封圈、EFEM (传送模块)、RF Gen射频电源、ESC静电吸盘、Si硅环等结构件、Pump真空泵、MFC气体流量计、精细轴承、ShowerHead气体喷淋头号。半导体设备由不计其数的零部件组成,零部件的功用、质量和精度直接决议着设备的可靠性和稳定性,也是我国在半导体制作才干上向高端化跃升的要害根底要素。国内半导体零部件工业起步较晚,我国半导体零部件工业全体水平偏低,高端产品供给才干短少,产品可靠性、稳定性和一起性较差的问题日益凸显。在全球微观政治经济日益杂乱,美国不断镇压遏止我国高技能工业战略兴起的布景下,工业被“卡脖子”的现象较为杰出,这不只严峻限制我国半导体工业向高级化高端化展开,一起对我国数字经济、民生经济和国防安全也带来不行轻视的危险。

  半导体零部件是半导体设备的要害构成,据不完全统计,现在工作里关于半导体零部件的种类区分没有构成规范,现在首要有以下几种分类办法。

  依照典型集成电路设备腔体内部流程来分,零部件能够分为五大类:电源和射频操控类、气体运送类、真空操控类、温度操控类、传送设备类。其间电源和射频操控类包含射频发生器和匹配器、直流/交流电源等。气体运送类首要包含流量操控器、气动部件、气体过滤器等。真空操控类包含干泵/冷泵/分子泵等各种真空泵、操控阀/钟摆阀等各类阀件、压力计以及O-Ring密封圈。温度操控类则包含加热盘/静电吸盘、热交换器及升降组件。传送设备类包含机械手臂、EFEM、轴承、精细轨迹、步进马达等。

  依照半导体零部件的首要资料和运用功用来分,能够将其分为十二大类,包含硅/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。其间各大类零部件还包含若干细分产品,例如在真空件里就包含真空规(丈量工艺真空)、真空压力计、气体流量计(MFC)、真空阀件、真空泵等多种要害零部件。

  依照半导体零部件服务目标来分,半导体中心零部件能够分为两种,即精细机加件和通用外购件[1]。精细机加件一般由各个半导体设备公司的工程师自行规划,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,国产化相对简单,一般对其外表处理、精细机加工等工艺技能的要求较高;通用外购件则是一些经过长时间验证,得到很多设备厂和制作厂广泛认可的通用零部件,愈加具有规范化,会被不同的设备公司运用,也会被作为产线上的备件耗材来运用,例如硅结构件、O-Ring密封圈、阀门、规(Gauge)、泵、Face plate、气体喷淋头Shower head等,由于这类部件具有较强的通用性和一起性,而且需求得到设备、制作产线上的认证,因而国产化难度较高。

  表1-1总结了在设备及产线上使用数量较多的首要零部件产品以及其首要服务的半导体设备。

  半导体零部件工业一般具有高技能密布、学科穿插交融、商场规划占比小且涣散,但在价值链上却无足轻重等特色。一般来说,设备零部件占设备总支出的70%左右,以刻蚀机为例,十种首要要害部件占设备总成本的85%。是半导体工业赖以生存和展开的要害支撑,其水平直接决议我国在半导体工业立异方面的根底能级。

  比较于其他工作的根底零部件,半导体零部件由于要用于精细的半导体制作,其顶级技能密布的特性特别显着,有着精度高、批量小、多种类、尺度特别、工艺杂乱、要求极为严苛等特色。由于半导体零部件的特别性,企业出产常常要统筹强度、应变、抗腐蚀、电子特性、电磁特性、资料纯度等复合功用要求。相同一个部件,假如用在传统工业中可行,可是用在半导体业中,对要害零部件在原资料的纯度、原资料批次的一起性、质量稳定性、机加精度操控、棱边倒角去毛刺、外表粗糙度操控、特别外表处理、洁净清洗、真空无尘包装、交货周期等方面要求就更高,构成了极高的技能门槛。例如跟着半导体加工的线宽越来越小,光刻工艺对极小污染物的操控严苛到极致,不但对颗粒严厉操控,严控过滤产品的金属离子分出,这对半导体用过滤件出产制作提出了极高的要求。现在半导体等级滤芯的精度要求到达1纳米乃至以下,而在其他工作精度则要求在微米级。一起半导体用过滤件还需求确保的一起性,以及耐化学和耐热性,极强的抗掉落性等,然后完结半导体制作中需求的可重复高功用,一起的质量和超纯的产品清洁度等高要求。

  半导体零部件种类多,掩盖规划广,工业链很长,其研制规划、制作和使用涉及到资料、机械、物理、电子、精细仪器等跨学科、多学科的穿插交融,因而关于复合型人才有很大需求。以半导体制作中用于固定晶圆的静电吸盘为例,其本身是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体资料,但一起还需参加其他导电物质使得其全体电阻率满意功用性要求,这就需求对陶瓷资料的导热性,耐磨性及硬度目标十分了解,才干得到满意半导体制作技能目标的根底原资料;其次陶瓷内部有机加工结构精度要求高,陶瓷层和金属底座结合要满意均匀性和高强度的要求,因而关于静电吸盘的结构规划和加工,需求精细机加工方面的技能和常识;而静电吸盘外表处理后要到达0.01微米左右的涂层,一起要耐高温,耐磨,运用寿命大于三年以上,因而,对外表处理技能的把握与使用的要求也比较高。由此可见,复合型、穿插型技能人才是半导体零部件工业的根底确保。

  比较半导体设备商场,半导体零部件商场更细分,碎片化特征显着,单一产品的商场空间很小,一起技能门槛又高,因而罕见朴实的半导体零部件公司。世界领军的半导体零部件企业一般以跨工作多产品线展开战略为主,半导体零部件往往仅仅这些大型零部件厂商的其间一块事务。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有首要商场份额,除了半导体工作的使用,还广泛地使用于工业制作、生命与健康科学等范畴。而不断的进行并购和整合也是世界领军半导体零部件企业用来强大规划的首要手法,例如世界抢先的工业设备公司Atlas(阿特拉斯科普柯,瑞典)为继续做大其半导体用线年收买Edwards后,又于2016年收买了另一家真空技能范畴的领导者德国leybold(莱宝),并于2017年独自树立线月Atlas又再次收买了Brooks(布鲁克斯)的低温事务,此次收买包含低温泵运营公司、以及Brooks在爱发科低温真空(Ulvac Cryogenics)有限公司50%的股份,进一步增强了其半导体范畴真空事务的全球竞争力。

  全球半导体零部件商场依照服务目标不同,首要包含两部分构成。一是全球半导体设备厂商定制出产或收购的零部件及相关服务。依据VLSI供给的数据,2020年半导体设备的子系统商场出售规划挨近100亿美元,其间修理+支撑服务占46%,零部件产品出售占32%及替换+晋级占22%。二是全球半导体制作厂直接收购的作为耗材或许备件的零部件及相关服务。依据芯谋数据[2],2020年,我国大陆8寸和12寸晶圆线前道设备零部件收购金额逾越10亿美元。我国制作产能占全球的份额在12-15%左右,考虑到先进工艺带来的高附加值零部件收购需求,全球8寸和12寸晶圆线前道设备零部件收购金额至少在100亿美元以上。因而叠加两部分半导体零部件出售商场,能够看出全球半导体零部件商场在200亿-250亿美元乃至更大的规划。

  虽然半导体零部件商场全体规划仅为到全球半导体挨近5000亿美元商场规划的短少5%,但零部件的价值一般是本身价格的几十倍,具有很强的工业辐射才干和影响力。别的,半导体零部件要害技能反映一个国家工业和半导体设备的技能水平,具有十分重要的战略地位,其技能前进是影响到下流数字经济和信息使用工作技能立异的先决条件。

  依据VLSI的数据[3],2020年全球半导体零部件领军供货商前10中(见表2-1),包含有蔡司ZEISS(光学镜头),MKS仪器(MFC、射频电源、真空产品),英国爱德华Edwards(真空泵),Advanced Energy(射频电源),Horiba(MFC),VAT(真空阀件),Ichor(模块化气体运送系统以及其他组件),Ultra Clean Tech(密封系统),ASML(光学部件)及EBARA(干泵)。

  依据图2-1中VLSI数据,近10年里,前十大供货商的商场份额总和趋于稳定在50%左右。但由于半导体零部件对精度和质量的严厉要求,就单一半导体零部件而言,全球也仅有少数几家供货商能够供给产品,这也导致了虽然半导体零部件全工作会集度仅有50%左右,但细分品类的会集度往往在80%-90%以上,独占效应比较显着。例如在静电吸盘范畴,底子由美国和日本半导体企业主导(见表2-2),商场份额占95%以上,首要有美国AMAT(使用资料)、美国LAM(泛林集团),以及日本企业Shinko(新光电气)、TOTO、NTK等。

  图2-1.全球前十大半导体零部件厂商商场份额占比稳定在50%左右(数据来历:VLSI)

  现在我国半导体零部件工业尚处于起步期,全体规划较小。依据芯谋数据[2],2020年,我国本乡晶圆制作厂商(首要包含中芯世界、华虹集团、华润微电子、长江存储等)收购8寸和12寸前道设备零部件金额约为4.3亿美元。但由于我国本乡晶圆制作产能扩展较快,因而估计半导体零部件需求将继续旺盛,依照现有本乡晶圆制作产能方案,到2023年将有50%新增产能。依照设备、产线一起有零部件的收购需求来测算,估计国内半导体零部件商场规划在2023年将逾越80亿元,到2025年有望逾越120亿元。

  虽然国内半导体零部件商场规划快速增长,但现在我国本乡零部件企业的技能才干、工艺水平、产品精度和可靠性远远无法满意国内设备和晶圆制作厂商的需求,全体国产化率还处于较低的水准。一般来说,关于选用定制化规划出产的精细机加件,我国国产化率相对较高。由于国产半导体设备在起步阶段,为了赶快完结量产追逐先进水平,往往选用自行规划,然后让国外(首要是日本,少数韩国)加工商加工的形式。由于半导体设备精细机加件的原资料、加工方法、外表处理方法以及清洗包装都有特别的要求,国内加工商一时无法满意,别的还由于日本加工技能供货商有着比较丰富的同类型零件加工阅历,在加工进程中能够发现一些规划中的失误而且进行调整。后来跟着国内商场逐渐扩展,国内少数半导体设备厂商为了下降成本和确保供给链安全,开端逐渐培育国内其他工作的加工商开端投身半导体设备精细零部件加工。因而在设备商主导的精细机加件范畴,国内零部件厂商前进较快。但关于愈加规范化,高度依靠商场竞争的通用外购件来说,国产化率遍及都很低。首要原因在于这些通用外购件的规划和出产要求很高,国产产品即便样件能够到达平等水平,但在确保量产的稳定性方面还需求尽力。一起由于国内设备企业在国产化上也刚刚取得展开,因而在通用型零部件的收购上还比较被迫,首要以国内老练产品为主,不愿意冒然测验国产新制作产品[1]。

  上述这些导致我国在半导体零部件中心产品上依然无法做到“自主可控”的首要原因。据国内干流代工厂数据,现在全年日常运营进程中领用的零部件(括维保替换和失效替换的零部件)到达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%。实践上,高端零部件商场首要被美国、日本、欧洲供货商占有;中低端零部件商场首要被韩国、我国台湾供货商占有。静电吸盘是晶圆制作厂的要害非耗费零部件,单价高达数万乃至数十万美元,现在还国内没有一家企业能做出相关的老练产品,就连静电吸盘所用的氮化铝陶瓷原资料也远达不到要求的技能目标,对外的依靠度达99%以上。别的虽然我国线亿元,可是在半导体用干式真空泵方面依然需求进口Edwards等企业的高端产品。不过近年来跟着国内半导体工业新建产能及扩产速度加速,叠加新冠疫情构成物流运送服务受阻导致国外零部件交期不断推迟,为我国一些具有高生长潜力的国内半导体零部件企业带来加速进行国产代替的时机。例如江丰电子的ShowerHead和腔体加工事务、科百特的过滤件事务、通嘉宏瑞的干式线总结了我国在不同半导体零部件范畴的一些企业。

  半导体零部件工业规划总量在数十亿规划,比较半导体中心工业链环节而言体量较小,产品种类规范繁复,龙头企业少,工业会集度低,存在的技能问题涣散,因而长时间以来得不到满意注重。我国从2014年开端就将推进半导体工业展开上升至国家战略,随后至罕见逾越30个当地政府出台了促进半导体工业展开的支撑方针[9],但无论是国家层面仍是当地层面,方针更多的集合在规划、制作封测、设备资料等环节,鲜少掩盖到半导体零部件工业。在资金方面,零部件企业更是鲜少取得本钱垂青。国家集成电路工业出资基金现在在半导体零部件范畴的出资数量份额较小,出资金额短少亿元。截止到2020年末,以半导体零部件为主业的零部件上市公司总市值(短少300亿元)仅占悉数半导体工业链企业总市值的1%(逾越3万亿元)。

  由于零部件工作长时间未收到注重,只能粗豪式生长,因而大部分国内零部件企业进入半导体工作首要以供给修理及替换服务、清洗服务为主,全体研制投入力度不行,立异才干较为落后,长时间停留在中低端出产规范和仿制国外产品的水平,中心技能距离显着。据国内某半导体零部件上市公司招股书发表,其悉数研制人员数量仅有15人,2016年到2018年研制总投入不到2000万元,年均研制投入强度短少5%。此外我国半导体零部件工业的立异才干短少还体现在工作规范系统不健全、根底工艺研讨投入严峻短少,工艺技能获取途径不畅,科研与出产实践结合不严密等许多问题,限制了半导体零部件产品的结构规划技能、可靠性技能、制作工艺与流程、根底资料功用研讨的立异展开。

  现在我国半导体工作人才缺口到达数十万人,虽然近年来在半导体人才培育上我国出台了一系列支撑办法,但很多的半导体人才培育首要集合在规划、制作、设备和资料环节,对半导体零部件等根底工业的人才培育仍短少注重,在根底学科的教育制度改革、专业设置、在职工程教育、技能资格认证等方面短少统筹规划和施行力度,零部件工作根底和从业技能课程组织严峻短少,一起也短少对崇尚求精、务实、求新,精于规划、长于攻坚的工匠精力的引导[5]。此外半导体零部件工作面对严峻的人才激励机制不到位问题。虽然现在国内半导体工作人员全体薪酬水平比较之前有大幅提高,但关于零部件企业所需的机械加工、精细仪器仪表、外表处理等工作,从业人员薪酬遍及大幅低于半导体工作平均水平。依据国内某半导体零部件企业招股书显现,其上市前仅15名研制人员,中心技能人员年薪仅7.5万、一般研制人员年薪仅3万。低薪酬水平导致半导体零部件企业人才流失严峻,构成根底件工业后继乏人,堕入恶性循环。

  半导体零部件经过大规划出产线验证、完结规划化出售之前,需求阅历严厉杂乱的验证程序,因而零部件厂商需求和下流设备、以及制作厂商有很充沛的协同协作。现在国内半导体零部件上线验证程序杂乱、进程绵长,制作厂商、设备厂商和国内半导体零部件厂商的配合度不高,短缺有用交流与互动,导致两边对互相工艺参数与配套匹配性互不把握,国产代替动力短少。再加上在长时间的产品迭代进程中,已有的国外零部件厂商构成了很多的Know-How(技能窍门)。而国内厂商在后续仿照、试制进程中,一般只能做到形似,因短少阅历和要害技能而在初期验证中就被筛选,无法进入规划化使用[5]。此外,国内半导体零部件厂商无法从原资料和出产设备等配套环节取得支撑,也影响到其产品的竞争力。半导体零部件一般都是多种类、加工精度要求高的产品,对出产这些零部件的原资料及加工配备要求高而且价格昂贵。由于我国工业受长时间构成的“重主机、轻配套”的思维影响,对零部件上下流配套范畴的投入力度严峻短少,导致我国在零部件的原资料和出产配备上就与国外摆开距离。例如现在半导体金属零部件常用的高精度加工中心,我国在加工精度、加工稳定性、几许灵敏度等方面都落后于国外。再比方高端金属零部件制作原资料铝合金金属、钨钼金属,以及石英件的上游原资料高纯石英砂质料,底子被美国、日本公司独占供给,独占性质料供给使得下流资料商/加工商/用户限于被迫。干流石英玻璃资料(管/棒/碇)底子也是来自于美国、德国、日本公司。上游加工设备和原资料的短少导致长久以来我国大部分半导体零部件企业在低技能水平的状态下运转,原资料和工艺配备水平不高,先进设备短少且不配套,不能确保产质量量的一起性,影响产质量量的提高。

  由于半导体制作进程常常处于高温、强腐蚀性环境中,因而半导体零部件约有一半以上需做外表处理,以提高其耐腐蚀性。例如半导体刻蚀设备的等离子体刻蚀腔室处于高密度、高腐蚀、高活性等离子体环境中,腔室及其组件极易遭到等离子体的腐蚀,为了延伸这些组件的运用寿命,常常选用在铝基资料(铝与铝合金)外表进行阳极氧化,能够有用地下降等离子体对腔室及其它铝基资料的腐蚀。而我国日益严厉的环保要求,对大部分外表处理技能如喷砂,熔射,电镀,阳极氧化等受控展开,这导致部分高端外表处理工艺,例如微弧氧化,高端喷涂,Y2O3陶瓷涂层等,国内一直距离较大,也直接影响到零部件产品的功用和质量,阀件Valve、气体喷淋头Showerhead、陶瓷件Ceramic等零部件,虽然我国厂商能够依照图纸做成型,但由于无法处理资料和外表处理问题,展开遭到根底的限制。此外,还有部分半导体零部件顶级技能受限于“禁运”影响,国内企业短少图纸、短少精度数据,无法向中高端技能演进跃升,如美MKS公司出产的低压真空规,一直以来都要请求出口许可证方可购买[6]。

  半导体零部件范畴,归于长时间对美日等先进国家依靠严峻的要点“卡脖子”环节,需求愈加注重顶层规划。主张经过拟定半导体零部件工业展开专项规划、方案或路线图,确认工业展开的长时间战略结构,并在不一起期依据国内外展开情况拟定适合的方针和规划然后有序引导工业展开,也引起全社会特别是商场化本钱对半导体零部件工业的注重。

  要完结半导体零部件工业的快速展开和昌盛,最底子的是要增强自主立异才干,现在我国在半导体零部件范畴仅靠仿照和盯梢的技能之路,现已无法完结半导体供给链的全面确保,只要经过自主立异才干完结逾越。虽然02专项中现已对一部分零部件企业进行支撑[7],但依然要进一步加大力度。主张在国家科技方案中独自树立半导体零部件工业专项,联合国内半导体零部件龙头企业,筹建国家级的零部件技能立异渠道或许研讨院,集合优势力气瞄准突破口和主攻方向,坚持自主立异研制,着力霸占一批工业根底件的要害中心技能,树立起以企业为主体、产学研用相结合的技能立异系统,从国家层面引导半导体零部件范畴前沿技能、根底性技能、要害共性技能的研制。

  半导体零部件工作是一个商场竞争充沛的工作,国内零部件企业的规划小、数量多、产品赢利薄,新产品新技能的研制投入无法与世界大企业比较,单纯靠商场竞争难以取胜。但在当时的世界地缘政治布景情况下,需求政府施行相关专项方针加以引导和扶持,协助国内半导体零部件企业敏捷强大。主张对国内半导体零部件企业自主开发完结的严重产品由国家财政和当地财政给予后补助和支撑,加强对自主规划产品常识产权的维护,将半导体零部件产品归入政府首台套收购目录。鼓舞国内各类工业基金和社会化本钱,活跃投向半导体零部件企业,经过本钱商场助力国内半导体零部件企业展开。

  全面加强对半导体零部件相关范畴的工程型、科研型、以及复合型人才的培育和引入[8]。鼓舞大型科研机构树立半导体零部件方向的研讨生教育和博士后工作站,依托国家严重工程项目和严重科技项目培育半导体零部件工程科技领军人才。倡议企业、校园及科研机构联合展开工作教育和在职训练,活跃推行校企协作一起培育技能人才的形式,经过校企间展开订单教育、会集训练、定向培育或托付训练的方法,很多培育半导体零部件的技能人才,加强人才供给。采纳多种方法活跃引入海外工程科技领军及紧缺人才,鼓舞当地政府出台面向半导体零部件范畴中心技能骨干和领军企业家的人才方针,不断完善人才激励机制,激起工业展开生机。

  推进半导体根底供给链“机件联动”,完全改变零部件产品与设备、制作业脱节的局势,经过政府引导,鼓舞国内晶圆厂和设备厂实在发挥大出产线组织协调的效果,协同本乡零部件厂商经过揭榜挂帅、赛马、定向攻关等多种方法加强工业链的协作,完结主机与根底件的协调展开。支撑由国家或当地政府主导出资的半导体制作或设备类工程项目,优先给予国产半导体零部件产品验证时机,并给予必定危险补助。鼓舞机械、电子、化工等范畴的设备零部件厂商活跃拓宽并做大半导体事务,根据本身技能根底,开发更高端的产品满意半导体设备所需,进一步夯实和完善产品布局,提高国产零部件的自主供给才干。

  [7] 王光玉.集成电路工业的中心工艺配备及其真空零部件[C] 第十四届世界真空科学与工程使用学术会议,2019

  [8] 雷震霖.泛半导体配备与零部件[C]第四届粤港澳大湾区线年广东省线

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