静电卡盘国产化，半导体零部件的艰难突围

图片来源@视觉中国

文｜解码Decode

半导体产业有这样一条规律，“一代技术、一代工艺、一代设备”，先研发出技术，然后形成工艺,最后再形成设备。因为不断有新技术出现，产生了新工艺，新的设备才会有企业买。

而半导体设备的升级迭代，很大程度上有赖于精密零部件的关键技术突破。精密零部件不仅是半导体设备制造中难度较大、技术含量较高的环节之一，也是国内半导体设备“卡脖子”的环节之一，也支撑着整个半导体芯片制造和现代电子信息产业。

按照通用性划分，半导体零部件可以分为精密机加件和通用外购件。

精密机加件一般由各设备公司工程师自行设计，委外加工，一般只用于本公司生产设备，如工艺腔室、传输腔室。这种零部件的国产化相对容易，但对表面处理、精密机加工等技术要求较高。

而通用外购件一般是经过长期验证，得到众多设备商、晶圆制造厂广泛认可的零部件，更加标准化，应用数量也更大，不仅设备商会采购，晶圆厂也会采购此类部件作为耗材和备件使用，例如石英件、射频电源、泵、阀门、密封圈、流量计、陶瓷件等。这类零部件需要较强的通用性和一致性，且要得到设备商、晶圆厂的认证，因此国产化难度较大。

静电卡盘就属于开发技术难度较大的一种。

在先进的大规模集成电路制造过程中有着几百种工艺步骤，晶圆片需要在多达几百种的工艺设备之间来回传输并进行加工检测。在加工过程中，晶圆片必须被十分平稳、固定地安放在工艺设备上。

完成这一系列操作就需要用到卡盘，根据工作原理、结构形式、夹紧方式等方面的不同，卡盘主要分为机械卡盘、真空卡盘、静电卡盘三种类型。其中静电卡盘由于其对工件损伤小、精度高等特点，被广泛运用于半导体制造工艺等需要精密加工的场景。

半导体工艺固定晶圆的“无形之手”

静电卡盘（Electrostatic Chuck，简称E-Chuck），其原理是利用静电吸附原理将待加工晶圆吸附在其表面，使晶圆保持较好的平坦度，可以抑制晶圆在工艺中的变形，并且可以通过背吹气体来控制晶圆表面温度。

相较于机械卡盘，静电吸盘减少了机械运动部件，降低了颗粒污染，增大晶片的有效面积。与真空吸盘相比，静电吸盘可用于低压强（真空）环境，适用于需要利用卡盘控制晶片温度的场合。

凭借这些特性，静电卡盘被广泛用于PVD、刻蚀机、离子注入机等设备，其在半导体制造工艺的多个环节扮演着重要作用。

现代半导体工艺中包含晶圆的清洗、氧化、光刻、刻蚀、沉积等环节，每个环节中又涉及到多种工序，这其中离子掺杂、离子注入、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等工序均需要保证晶圆的平稳固定，因此都需要静电卡盘来进行夹持。

在半导体制造工艺中，晶圆的平整度与洁净度对整个半导体制造的精度与良率至关重要，相较于传统的机械卡盘与真空卡盘，静电卡盘因吸附力均匀、污染小、可作用于真空环境等优势也就成了不二之选。

而静电卡盘的关键与难点则在于温度控制。

半导体工艺中对晶圆的温度控制至关重要，以干法刻蚀为例，需要将晶圆控制在100°C到-70°C的某一特定温度下以维持某种刻蚀特性，因此需要通过静电卡盘对晶圆进行加热或散热，从而对晶圆温度进行精准控制。

随着新一代半导体技术的发展，低温刻蚀与沉积等工艺通常需要晶圆达到更低的温度，因此对静电卡盘的散热性能就提出了更高的要求。

从技术角度看，除所承载晶圆规格尺寸逐步增大之外，静电卡盘的发展趋势主要表现为温度均匀性控制需求提升，即分区温控温区数量逐渐提高。

2000年前后，分区温控温区数量一般为2区，2000年至2005年期间，分区温控温区数量一般为4区，而在现阶段，已有超过100温区的静电卡盘产品被研发生产并投入实际应用。

美日垄断严重

半导体设备的种类大致分为机械类、电气类、机电一体类等大类，但由于半导体设备精密度高、结构复杂，需要的零部件种类及数量极其庞大，在每一个大类中也有较多的细分品类，导致市场高度碎片化。

据芯谋研究数据，2020年中国晶圆厂商采购的8-12寸晶圆设备零部件产品结构占比较大的分别为石英件、射频发生器、泵、阀门、吸盘、反应腔喷淋头等，分别占比11%、10%、10%、9%、9%、8%。

由于细分品类的高度碎片化，并且不同零部件之间存在着一定的差异性和技术壁垒，因此半导体零部件市场并未出现一个垄断型的大型供应商，各赛道的龙头供应商大多是专长于单一或少数品类。

例如ZEISS专长光学部件，Edwards、日本荏原的真空泵，AE布局射频发生器，VAT的阀门零部件等。主要龙头厂商收入体量大多在几亿美元到十几亿美元的体量，相较数百亿美元的总市场规模，各自在总体市场中份额都不高。

据VLSI Research数据，近10年里，半导体零部件市场前十大供应商的市场份额总和稳定在50%左右。

从地域分布上看，除了光刻机零部件市场以ASML和其全球供应链供应商组成以外，其他通用型零部件市场主要由美国、日本供应商主导。国内暂无规模相当的零部件厂商出现。

静电卡盘就是其中一个典型的细分零部件市场。

美国的静电卡盘制造商包括Applied Materials与Lam Research等，日本的静电卡盘制造商包括Shinko、TOTO、NTK、Creative Technology Corporation等。

据QYResearch数据，Applied Materials、Lam Research与Shinko三家公司，占据了2021年全球静电卡盘市场销售额前三位，占比分别为43.86%、31.42%、10.20%，合计占比85.48%。

此外，2021年国内静电卡盘市场也主要由上述的美、日厂商垄断，其中前三大厂商销售份额占比超过93.52%，高于全球CR3，垄断程度更高。

而静电卡盘又是半导体制造工艺设备中价值量占比相对较高的核心零部件。

据拓荆科技招股说明书，2019年至2021年Q1-Q3静电卡盘所属的机械类零部件占拓荆科技核心原材料采购额比重维持在25%以上，且一直处于所有零部件大类采购额比重的第一位。据珂玛科技公告，静电卡盘占刻蚀机原材料采购成本的12.7%。

但目前我国静电卡盘的自主水平及国产化率，与其它半导体零部件、关键原材料的处境一致，用低情商的说法是容易被卡脖子，高情商的说法就是可替代空间大。

突围艰难

今年5月23日，日本经济产业省正式公布了《外汇法》法令修正案，将先进芯片制造所需的23个品类的半导体设备列入出口管理的管制对象，其中包括具有20个以上温控区静电卡盘的各向异性刻蚀设备。

似曾相识的一幕曾经也在三星身上上演，2019年日本宣布限制对韩国出口光刻胶、氟化聚酰亚胺和氟化氢三种关键的半导体材料，铁锤刚砸下三天，三星掌门李在镕如坐针毡，专程赶赴日本恳求松口。

但背后的缘由并不相同，换言之，日本宣布半导体零部件卡我们的脖子，我们除了奋发图强没别的办法。

针对潜在的静电卡盘断供风险，目前已有多家国内制造商展开了静电卡盘的相关布局，并已取得了许多实质性的进展。比如已实现小规模量产的华卓精科和取得突破性进展的中瓷电子。

这种单点的突破仅限于单一层面的从0到1，而放眼整个半导体零部件市场，想要全面或者部分的突围，难度依旧很大。

主要在于半导体零部件产业是一个高度分散但又有技术壁垒的市场，且有国产替代和用国产替代又是两回事。而具体到半导体零部件的卡脖子现状，仍有5个需要解决的关键点：

1 对原料的性能要求高

我国机械加工产业成熟，但材料产业基础较为薄弱，具体指标尚待精进。

如精密陶瓷件对原料关键指标的要求较高，需要高纯度、高精密度、非常均匀且稳定的组织结构，国内材料厂尚处于研发环节；

2 后工序处理难度大

半导体设备精密零部件产品具备高精密、高洁净、高耐腐蚀、耐击穿电压等性能，因此在加工件中，形状加工仅是基础，仅满足形状精度要求，后端的表面处理与清洗工艺中有更多的技术积累。

例如对于反应腔而言，需要同时具备耐腐蚀、耐击穿、高洁净度，并能实现高密封性和高真空度；

3 复杂电气类产品的开发研制难度高

半导体设备是复杂的机电一体化系统，其中涉及到大量的电气组件使用，相较金属加工件，电气类组件的结构更复杂，国内相关厂商仍处于起步阶段。

例如泵产品，虽然沈阳科仪已成为国内晶圆线干泵的主要供应商之一，但半导体级的高真空度冷凝泵和涡轮泵国产化率仍旧较低；

4 认证体系复杂，周期长

半导体设备行业内有较为严格的认证体系和供应商资质认证体系，若要进入国内外设备厂商的供应链，需要经过长期且严苛的客户认证，获得认证后也要持续进行不定期的资质复审，才能与下游客户建立长期稳定的合作关系；

5 市场碎片化

例如Gauge、MFC、O-ring等零部件，不仅对精度和材料的要求高，而且半导体级产品的市场规模很小，各品类下的厂商体量都较小。通常用于食品、医药等领域的产品不满足半导体级规格，半导体级产品存在较多技术壁垒、软实力要求高，有许多Know-How。

尾声

很多时候，有一种声音说国产半导体是“被逼着”发展的，中美冲突后才开始加大力度。其实这话说对了一半，国内半导体发展的确是受到制裁后才闯入大众视野，但我们其实在2014年就加大半导体投资力度了。

像以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体，早在2013年科技部就在国家高技术研究发展计划(863计划)中列了出来，前一段时间又限制了镓和锗的出口，本质上这也是一种自我保护和产业升级。

2021年10月29日，在华为军团组建成立大会上，任正非喊出了“没有退路就是胜利之路”的宣言，其实也同样适用于国内众多的半导体零部件厂商。

再说，缓慢的进步也是进步。

参考资料：

• [1] 电子陶瓷打造中国“京瓷”，进军第三代半导体，财通证券
• [2] 静电卡盘，“卡”了我们的脖子，它到底是啥？粉体工业
• [3] 机械设备行业深度分析报告：半导体设备零部件国产化加速，开启千亿新蓝海，财通证券
• [4] 半导体行业深度报告：国产替代核心部件，百舸争流加速崛起，民生证券
• [5] 半导体零部件系列研究之静电卡盘：静电卡盘是半导体关键零部件，技术壁垒高，光大证券

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