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发布时间:2024-07-08

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编者按:随着半导体技术的飞速发展,碳化硅零部件作为半导体精密制造的关键材料,其研究与应用日益受到业界的广泛关注。本期瑞见将由瑞鹏资产张莉带您深入探讨“半导体精密零部件之碳化硅零部件研究”。


半导体精密零部件之碳化硅零部件研究

作者 张莉 

西安瑞鹏资产管理有限公司高级投资经理

半导体制造是现代科技发展的基石,随着行业对更小、更快、更高效集成电路的不断追求,制造过程的精确度和技术复杂性也在不断增加,每一个步骤都离不开高性能、高质量和高精度半导体设备。此外,半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的产业规律,半导体设备的升级迭代很大程度上有赖于其零部件的技术突破。精密零部件不仅是半导体设备制造环节中难度较大、技术含量较高的环节之一,也是我国半导体设备发展较薄弱的环节之一。

1、概况

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技术要求的零部件,是半导体设备的基础和核心,直接决定着设备的可靠性和稳定性。半导体设备核心零部件是半导体设备的核心与基石。

从零部件工艺特点来看,首先,半导体零部件产业通常具有高技术密集、学科交叉融合等特点,其生产工艺涉及精密机械制造、工程材料、工程设计等多个领域。其次,因半导体零部件需满足高精密、高洁净、耐腐蚀等众多要求,故而精密零部件是半导体设备制造环节中难度较大、技术含量较高的环节。在高技术壁垒下,设备零部件当之无愧成为半导体产业中的“卡脖子”环节。

从供应链角度来看,零部件直接影响着设备的交付,据有关统计显示:半导体设备交期前期面临延长至18-30个月不等的困境,究其原因,零部件的短缺是重要痛点。从产值角度来看,零部件年产值达上百亿美元,推动下游各环节产业规模呈现指数级增长趋势。从成本角度来看,零部件采购额通常占据半导体设备生产成本的90%以上,是半导体设备的基础和核心。

2、分类及技术难点

半导体设备零部件种类繁多,不同零部件功能和技术难点差异较大,整体市场竞争格局较为分散,但主要细分市场内部集中度极高,主要被美日欧等海外厂商占据,各细分领域龙头供应商大多是专长于单一或少数品类。

按照半导体零部件的主要材料和使用功能来分,可以将其分为十二大类,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。各部件技术难点情况如下所示:

图: 按材料和使用功能分类的各类零部件技术难点

资料来源:《半导体零部件产业现状及对我国发展的建议》、华福证券研究所

3、碳化硅零部件

(1)概念

碳化硅(SiC)作为重要的高端精密半导体材料,由于具有良好的耐高温、 耐腐蚀性、耐磨性、高温力学性、抗氧化性等特性,在半导体、核能、国防及空间技术等高科技领域具有广阔的应用前景。

碳化硅零部件,即以碳化硅及其复合材料为主要材料的设备零部件,被广泛应用于外延生长、等离子体刻蚀、快速热处理、薄膜沉积、氧化/扩散、离子注入等主要半导体制造环节的设备中。目前,SiC涂层石墨零部件产品,国产化较快,志橙半导体领跑,但主要是在外延环节应用;而IC前道制程,无论是SiC涂层还是SiC件,基本上国产化率为0。

(2)部分应用环节展示

  • SiC外延设备中碳化硅涂层石墨零部件

SiC 外延设备是应用化学气相沉积法在碳化硅衬底上沿其原来的晶向再生长 一层同质或异质 SiC 薄膜的设备。应用于 SiC 外延设备的碳化硅涂层石墨零部件种类较多,以多种形态、功能应用于水平式、垂直式外延设备反应腔内,起到承载碳化硅衬底、控温、保温、 通气、防护等多种作用,从而共同控制反应腔内外延片生长的厚度、掺杂、缺陷等材料特性。该类SiC涂层石墨基座常用于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备中支撑和加热单晶衬底的部件,是MOCVD设备的核心关键部件。以志橙半导体所产代表产品——上下半月件、碳化硅衬底托盘为例,其在反应腔内部透视图如下。

图:外延设备内部透视图及反应腔内部透视图

  • 其他CVD碳化硅零部件

CVD碳化硅零部件被广泛应用于刻蚀设备、MOCVD设备和SiC外延设备、快速热处理设备等领域。CVD碳化硅零部件最大细分市场为刻蚀设备,刻蚀设备中CVD碳化硅零部件包含聚焦环、气体喷淋头、托盘、边缘环等;沉积设备中除了SiC涂层石墨基座之外,还有室盖、腔内衬等。

以聚焦环为例,聚焦环是放置在晶圆外部、直接接触晶圆的重要部件,通过将电压施加到环上以聚焦通过环的等离子体,从而将等离子体聚焦在晶圆上以提高加工的均匀性。聚焦环作为耗材,通常使用时间约在300小时左右。由于CVD碳化硅对含氯和含氟刻蚀气体的低反应性、导电性,使其成为等离子体刻蚀设备聚焦环等部件的理想材料。

图:聚焦环在刻蚀机中的应用

(3)市场规模

根据QY Research 数据统计,2022 年中国CVD碳化硅零部件市场规模达到2.00 亿美元,预计2028 年将达到4.26 亿美元,年复合增长率(CAGR)为13.44%。


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