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半導(dǎo)體硅部件行業(yè)基本情況和競(jìng)爭(zhēng)格局
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 盾源聚芯    2024-07-02

（1）半導(dǎo)體硅部件發(fā)展歷程及制造工藝分析

半導(dǎo)體硅部件發(fā)展歷程與半導(dǎo)體設(shè)備和制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展緊密相關(guān)。高純單晶硅材料制作的硅部件在刻蝕工藝中對(duì)集成電路制造的影響更小，因此更多的應(yīng)用于先進(jìn)制程（7nm、5nm）的刻蝕設(shè)備中。對(duì)于制程要求不高的集成電路制造，晶圓廠普遍采用多晶硅材料制作的硅部件，由于生產(chǎn)工藝的不同，同尺寸下直拉法生產(chǎn)的單晶硅材料成本高于鑄錠法生產(chǎn)的多晶硅材料。

①刻蝕用硅部件

隨著硅片制造技術(shù)多年的發(fā)展，刻蝕技術(shù)發(fā)生了許多變化，從最早的圓筒式刻蝕，發(fā)展到現(xiàn)代的等離子體刻蝕，其中使用等離子體的干法刻蝕已經(jīng)成為主流的刻蝕工藝。與傳統(tǒng)刻蝕設(shè)備相比，等離子體刻蝕設(shè)備中加入了構(gòu)造精密的刻蝕反應(yīng)腔室。傳統(tǒng)腔室部件以陶瓷材料為主，但其容易導(dǎo)致缺陷。

此外，晶圓與陶瓷元件的電性差異也使得靠近晶圓邊緣的等離子體難以控制，對(duì)產(chǎn)品良品率產(chǎn)生影響。相對(duì)于陶瓷材料，硅材料所制成的部件不易導(dǎo)致缺陷，且與晶圓電特性相同，因此能夠精密控制邊緣處的等離子體，使產(chǎn)品良品率提高。特征尺寸的縮小使刻蝕工藝對(duì)零部件的工藝要求更加嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在參數(shù)精準(zhǔn)控制上，如表面及邊緣粗糙度、噴淋頭微孔內(nèi)部機(jī)械損傷厚度和微孔邊緣形貌等。未來(lái)，硅部件制造技術(shù)將在平面研磨、硅噴淋頭打孔、超聲波加工等技術(shù)方面向極端精細(xì)化發(fā)展。

②爐管（熱處理、LPCVD）用硅部件

爐管設(shè)備中常用的傳統(tǒng)材料是石英和碳化硅，其中石英僅在適當(dāng)?shù)臏囟认率褂?，最高可達(dá)到約 950℃（超過(guò) 1,000℃以上時(shí)，石英制品存在因熱應(yīng)力而變形或翹曲的風(fēng)險(xiǎn)），而碳化硅幾乎只在更高的溫度下使用。同時(shí)，兩種材料均存在特有的缺點(diǎn)，在高溫情況下，由于熱膨脹系數(shù)不同引起晶圓背面的摩擦，從而產(chǎn)生劃傷、變形等缺陷，進(jìn)而影響產(chǎn)品良品率。硅作為制作材料可有效地減少這種摩擦，且不會(huì)對(duì)集成電路造成損傷和污染。

此外，使用超純凈多晶硅材料制作而成的硅部件已被證實(shí)可減少 80%的晶粒錯(cuò)位，現(xiàn)已應(yīng)用于先進(jìn)制程的集成電路制造中。以 CVD 為例，薄膜同時(shí)沉積在晶舟和內(nèi)管上，經(jīng)過(guò)數(shù)次循環(huán)后，沉積的薄膜會(huì)破裂脫落，并以顆粒的形態(tài)隨著空氣運(yùn)動(dòng)，最終停留在硅片上，導(dǎo)致缺陷和良品率降低。因此，晶舟和內(nèi)管等部件需定期進(jìn)行清洗，以保證良品率不受影響。

石英部件在取下并清洗的過(guò)程中，所使用的酸刻蝕容易腐蝕石英，而CVD 涂層的碳化硅部件具有化學(xué)惰性，不僅與工藝氣體兼容，而且在去除薄膜所需的酸刻蝕中能保持良好的性能，從而顯著提高了舟體使用壽命。但由于碳化硅材料價(jià)格比硅和石英更加昂貴，成品交付周期較久（碳化硅舟成品交付周期通常為 18-36 個(gè)月），價(jià)格更加適中、產(chǎn)品性能更佳的硅部件則更受青睞。在 LPCVD、熱處理工藝下，硅產(chǎn)品是傳統(tǒng)石英產(chǎn)品、碳化硅產(chǎn)品以外新的技術(shù)路徑選擇，未來(lái)有望被廣泛應(yīng)用于熱處理和 LPCVD 等爐管設(shè)備中。

（2）全球半導(dǎo)體硅部件市場(chǎng)規(guī)模

①刻蝕用硅部件市場(chǎng)規(guī)

?？涛g用硅部件屬于消耗性零部件，在硅部件市場(chǎng)中占據(jù)主要份額。未來(lái)隨著制程節(jié)點(diǎn)不斷縮小，集成電路制造過(guò)程中所需的刻蝕次數(shù)將顯著增長(zhǎng)，因此對(duì)刻蝕用硅部件的配置需求也將進(jìn)一步提高。

2022 年全球刻蝕用硅部件市場(chǎng)規(guī)模為 144 億元，其中原廠件銷售規(guī)模為 107.7 億元，占比 74.8%；預(yù)計(jì) 2027年全球刻蝕用硅部件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 207 億元，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率為 7.5%，其中原廠件廠商市場(chǎng)份額將逐漸提高。原廠件市場(chǎng)主要由硅部件制造廠商生產(chǎn)并銷售給刻蝕設(shè)備制造廠商的產(chǎn)品組成。

②爐管用硅部件市場(chǎng)規(guī)模

爐管用硅部件更換頻率低于刻蝕用硅部件，市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)小于刻蝕用硅部件。隨著爐管設(shè)備銷售額的增長(zhǎng)以及設(shè)備中硅部件滲透率的上升，全球爐管用硅部件市場(chǎng)規(guī)模有望從 2022 年的 5.8 億元增長(zhǎng)至 2027 年的 21.9 億元，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率為 30.4%。

爐管用零部件常用的傳統(tǒng)材料為石英或碳化硅，其中石英部件受溫度限制主要應(yīng)用于 LPCVD 設(shè)備中，且更換周期為 2-3 年；碳化硅部件更適用于高溫環(huán)境下，但受碳化硅材料制備技術(shù)的限制，其成品交付周期長(zhǎng)、材料成本高，在爐管設(shè)備中的滲透率較低。

相比之下，硅材料制作的部件不僅可有效地減少摩擦、降低對(duì)晶圓制造的損傷和污染、減少晶格位錯(cuò)等，而且其成品交付周期較短、材料成本較低。因此，隨著芯片制程的持續(xù)迭代，對(duì)于爐管用零部件使用性能和芯片加工良率的要求不斷提高，硅零部件有望逐漸提升其在爐管用零部件市場(chǎng)的滲透率。

（3）行業(yè)經(jīng)營(yíng)模式

半導(dǎo)體硅部件制造廠商商業(yè)模式與傳統(tǒng)半導(dǎo)體零部件制造廠商商業(yè)模式相似，由于產(chǎn)品專業(yè)性強(qiáng)、定制化水平高，主要通過(guò)向下游客戶如半導(dǎo)體設(shè)備廠商和晶圓制造廠商直接銷售零部件獲得相應(yīng)收入，且在批量生產(chǎn)之前均需要進(jìn)行嚴(yán)格的供應(yīng)商導(dǎo)入和產(chǎn)品認(rèn)證。雖然也存在部分廠商通過(guò)行業(yè)內(nèi)專業(yè)的貿(mào)易集成商向終端客戶銷售的情形，因?yàn)榻K端客戶均會(huì)對(duì)生產(chǎn)廠商進(jìn)行嚴(yán)格的認(rèn)證和管理，并非典型的經(jīng)銷模式。

一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體硅部件原廠件制造商應(yīng)根據(jù)半導(dǎo)體設(shè)備廠商的需求定制化研發(fā)和制造先進(jìn)的半導(dǎo)體硅部件。全球主流半導(dǎo)體設(shè)備廠商均直接向通過(guò)產(chǎn)品資格認(rèn)證的硅部件原廠件制造商定制與其半導(dǎo)體設(shè)備相配套且滿足特定工藝要求的先進(jìn)硅部件。因此，半導(dǎo)體設(shè)備廠商在銷售設(shè)備的同時(shí)，還直接銷售與其設(shè)備適配度更高，更能保證晶圓制造過(guò)程中各工藝環(huán)節(jié)穩(wěn)定性的硅部件產(chǎn)品，并提供硅部件產(chǎn)品的維修、售后和技術(shù)支持等服務(wù)。

硅部件原廠件制造商在為半導(dǎo)體設(shè)備廠商提供定制化產(chǎn)品的同時(shí)，也會(huì)針對(duì)部分應(yīng)用場(chǎng)景，主要是非刻蝕類產(chǎn)品，自主研發(fā)部分硅部件產(chǎn)品，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可直接面向晶圓產(chǎn)認(rèn)證、銷售。此外，晶圓制造廠商還可從上游硅部件副廠件生產(chǎn)商處采購(gòu)工藝技術(shù)壁壘較低或應(yīng)用于成熟制程的硅部件產(chǎn)品（以刻蝕類產(chǎn)品為主）。與主流半導(dǎo)體硅部件原廠件制造商相比，硅部件副廠件生產(chǎn)商研發(fā)能力較弱，主要制造 8 英寸晶圓成熟制程用硅部件產(chǎn)品。

（4）全球半導(dǎo)體硅部件行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析

與半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈相似，全球半導(dǎo)體硅部件產(chǎn)業(yè)鏈亦呈全球化供應(yīng)的格局，且主要市場(chǎng)份額被美國(guó)、日本和韓國(guó)企業(yè)所占據(jù)。半導(dǎo)體硅部件行業(yè)上游主要為高純度硅材料供應(yīng)商。全球范圍內(nèi)，主要的高純度硅材料供應(yīng)商為瓦克化學(xué)、三菱材料、REC 等企業(yè)。

硅部件產(chǎn)業(yè)鏈中游包括刻蝕用硅部件廠商和爐管用硅部件廠商。其中刻蝕用硅部件廠商較多，主要有 Silfex、Hana、Worldex、SKC Solmics、三菱材料、Coorstek、盾源聚芯等，市場(chǎng)份額較為集中；爐管用硅部件廠商較少，主要有盾源聚芯、Sico 和 Holm。產(chǎn)業(yè)鏈下游由半導(dǎo)體設(shè)備廠商和晶圓制造廠商構(gòu)成。

①上游半導(dǎo)體硅材料分析

半導(dǎo)體硅材料作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的直接上游，是半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步、行業(yè)不斷發(fā)展的根基。半導(dǎo)體硅材料根據(jù)其用途可分為晶圓用硅材料、刻蝕用硅材料（尺寸范圍覆蓋 8 英寸至 22 英寸，以 14 英寸以上產(chǎn)品為主）、爐管用硅材料；根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為單晶硅材料和多晶硅材料，其中直拉法（CZ 法）是單晶硅材料制造的主要工藝方法，所拉制的單晶硅棒主要用于加工成符合要求的晶圓（硅片）和制程工藝要求較高的硅部件，如刻蝕用硅電極；

鑄錠法生長(zhǎng)的多晶硅材料由于碎片率高、切割效率低，在制造晶圓（硅片）的環(huán)節(jié)中存在一定劣勢(shì)。但由于鑄錠法生長(zhǎng)的多晶硅材料的制造成本低于直拉法生長(zhǎng)的單晶硅材料，因此常用于加工制造外環(huán)、硅舟基座等對(duì)制程工藝影響較小的硅部件；此外，硅舟、硅噴射管等硅部件需要純度更高的硅部件材料，則需采用西門子法生產(chǎn)。

②全球刻蝕用硅材料市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

隨著全球晶圓廠新建產(chǎn)線陸續(xù)完工，新增晶圓制造設(shè)備不斷投入使用，2022 年全球刻蝕用硅材料市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 4.9 億美元。未來(lái)，隨著全球晶圓制造廠產(chǎn)能擴(kuò)增以及制程縮減伴隨的刻蝕次數(shù)顯著增長(zhǎng)，全球刻蝕用硅材料市場(chǎng)規(guī)模將在 2027 年達(dá)到 7.2 億美元，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率為 7.8%。

③下游晶圓制造行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

從全球范圍來(lái)看，主要晶圓制造企業(yè)主要集中在中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、美國(guó)等地區(qū)，包括臺(tái)積電、三星、Inter、Global Foundries 等企業(yè)。2022 年，全球晶圓制造市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 5,819 億美元，其中中國(guó)大陸晶圓制造市場(chǎng)份額占比約為15%左右。未來(lái)，隨著晶圓廠商產(chǎn)能的不斷擴(kuò)張，預(yù)計(jì)全球晶圓制造市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，至 2027 年達(dá)到 8,791 億美元，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率為 8.6%。

（5）全球半導(dǎo)體硅部件行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

①刻蝕用硅部件行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

全球刻蝕用硅部件市場(chǎng)主要被美國(guó)、日本和韓國(guó)企業(yè)壟斷，部分企業(yè)同時(shí)具備大直徑硅材料生產(chǎn)和硅部件加工能力。美國(guó)企業(yè) Silfex 為 LAM 子公司，主要為 LAM 提供先進(jìn)的刻蝕用硅部件產(chǎn)品，在全球市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位；Hana約占全球刻蝕用硅部件原廠件市場(chǎng)份額的 13.3%，主要客戶為 TEL、三星電子和 AMAT 等，且 60%以上的硅部件收入來(lái)自韓國(guó)市場(chǎng)。

②爐管用硅部件行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

全球爐管用硅部件企業(yè)主要有盾源聚芯、Sico 和 Holm 三家公司。盾源聚芯依托先進(jìn)的硅熔接技術(shù)，所制造的硅舟、硅噴射管等爐管用硅部件已得到主流半導(dǎo)體設(shè)備廠商和晶圓廠商認(rèn)證，在 2022 年全球爐管用硅部件市場(chǎng)中約占37.3%的市場(chǎng)份額。傳統(tǒng)的晶舟制造材料為石英或碳化硅，具備石英舟或碳化硅舟供應(yīng)能力的企業(yè)有 Coorstek、Shin-Etsu（信越化學(xué)）、Tosoh（東曹）、AGC（旭硝子）和東海碳素等。隨著芯片制程的持續(xù)迭代，對(duì)于爐管用零部件使用性能和芯片加工良率的要求不斷提高，爐管用硅部件產(chǎn)品的市場(chǎng)滲透率有望持續(xù)提升。

（6）行業(yè)技術(shù)水平特點(diǎn)

硅部件行業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面，一方面是硅部件材料的生產(chǎn)（前道）技術(shù)，另一方面是硅部件的加工（后道）技術(shù)。在日本、韓國(guó)為代表的硅材料傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)國(guó)家，硅部件材料的技術(shù)發(fā)展比較成熟，也最為先進(jìn)，代表了行業(yè)的最高水平。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能用硅材料和半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)的技術(shù)突破，已有部分企業(yè)開始布局半導(dǎo)體用硅部件材料領(lǐng)域，硅材料的生產(chǎn)技術(shù)也進(jìn)入快速發(fā)展階段。

目前，行業(yè)內(nèi)包括神工股份、有研硅以及盾源聚芯在內(nèi)的硅部件材料廠商技術(shù)已比較成熟，能夠?yàn)楣璨考暮蟮兰庸ぬ峁┓€(wěn)定的原材料。在后道加工技術(shù)領(lǐng)域，不但需要熟練掌握硅材料特性和精密機(jī)加工技術(shù)，還需要對(duì)下游應(yīng)用場(chǎng)景有長(zhǎng)期的研究和探索。

全球范圍內(nèi)，相關(guān)技術(shù)主要由AMAT、TEL、LAM 等半導(dǎo)體設(shè)備廠商的子公司或者配套外協(xié)廠商引領(lǐng)。國(guó)內(nèi)，硅部件精密加工技術(shù)尚不成熟，能夠得到國(guó)際主流設(shè)備廠商和晶圓廠商認(rèn)證企業(yè)較少，進(jìn)而形成了硅部件行業(yè)技術(shù)主要由境外頭部企業(yè)引領(lǐng)的格局。

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