半导体周报0428-半导体零部件
半导体周报-0428
一、行业新闻及动态
1、半导体设计：
财联社4月12日电，苹果公司准备对整个Mac产品线进行全面改革，新一代产品将配置苹果自研的旨在增强人工智能功能的芯片。苹果在5个月前发布了第一款搭载M3芯片的Mac电脑，据知情人士透露，目前已接近量产下一代M4处理器。据悉新的芯片将至少有三个主要版本，苹果希望每一款Mac机型都能搭载这种芯片。苹果的目标是从今年年底到明年初发布更新版电脑，包括iMac、低端14英寸MacBook Pro、高端14英寸和16英寸MacBook Pro以及Mac mini都将配备M4芯片。但该公司的计划也可能会改变。
2、半导体制造及封测：
《科创板日报》12日讯，日本芯片制造商瑞萨电子正式重启富士山附近一家已休眠九年多的工厂，以满足电动汽车和数据中心所用功率半导体不断增长的需求。该厂在2014年10月关闭之前主要生产PC用半导体，预计该厂从明年开始将使瑞萨电子的功率半导体产量翻一番。
《科创板日报》12日讯，据KED Global报道，三星最快于本月晚些时候实现第9代V-NAND闪存的量产。据悉，第9代V-NAND闪存的堆叠层数将是290层。另外，业内消息人士表示，随着对高性能和大型存储设备的需求增长，三星电子还计划明年推出430层NAND芯片。
财联社4月8日电，美国商务部与台积电达成初步协议，支持其在美国建设芯片生产厂。作为协议的一部分，台积电将在亚利桑那州凤凰城建立第三家工厂，将其在亚利桑那州的总投资增加至650亿美元。拜登称，这些工厂将生产最先进的芯片，使美国有望到2030年“生产出全球20%的尖端半导体”。台积电表示，台积电在亚利桑那州的第一家晶圆厂将于2025年上半年开始生产，采用4nm技术。第三家晶圆厂将采用2nm或更先进的工艺生产芯片，将于本十年末开始生产。
3、其他：
财联社4月9日电，据两位知情人士透露，拜登政府计划下周宣布向韩国三星提供60亿-70亿美元补贴，以扩大其在德克萨斯州泰勒的芯片生产。这笔补贴将用于在泰勒建设四座工厂，其中包括三星于2021年宣布的一家170亿美元芯片制造厂、另一座工厂、一座先进封装设施和一个研发中心。补贴还将包括对另一个未披露地点的投资，三星把在美国的投资增加一倍以上达逾440亿美元是该协议的组成部分。
《科创板日报》9日讯，TrendForce消息称，存储芯片大厂西部数据4月8日首次确认HDD和SSD均出现供应短缺。公司发出正式客户信函，通知NAND闪存和硬盘产品正在进行价格调整。西部数据表示，闪存和硬盘产品的需求均超出预期，导致供应紧张。本季度将继续调整闪存和硬盘产品的价格，部分调整将立即生效。
财联社4月10日电，Meta Platforms当地时间4月10日宣布其训练与推理加速器项目（MTIA）的最新版本。MTIA是Meta专门为AI工作负载设计的定制芯片系列。Meta表示，与第一代MTIA相比，最新版本显著改进了性能，并有助于强化内容排名和推荐广告模型。Meta称，公司的目标是降低对英伟达等公司的依赖。
财联社4月12日电，从清华大学获悉，针对大规模光电智能计算难题，清华大学电子工程系副教授方璐课题组、自动化系戴琼海院士课题组，摒弃传统电子深度计算范式，另辟蹊径，首创分布式广度光计算架构，研制大规模干涉-衍射异构集成芯片太极（Taichi），实现160 TOPS/W的通用智能计算。 在如今大模型通用人工智能蓬勃发展的时代，该科研成果以光子之道，为高性能算力探索新灵感、新架构、新路径。相关科研成果发表于最新一期的国际期刊《科学》。
财联社4月9日电，根据Counterpoint Research的半导体代工服务报告，2023年第四季度全球晶圆代工行业收入环比增长约10%，但同比下降3.5%。尽管宏观经济的不确定性仍然存在，但随着智能手机和平板电脑等终端市场的供应链库存补货需求驱动，该行业自2023年下半年开始逐步回暖。尤其是在安卓智能手机供应链中，来自PC和智能手机应用领域的紧急订单有所增加。
《科创板日报》10日讯，SEMI最新发布的报告显示，2023年全球半导体制造设备销售额从2022年的1076亿美元小幅下降1.3%，至1063亿美元。
二、本周话题——半导体零部件
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。
半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的产业规律，而半导体设备的升级迭代，在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环节中难度较大、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，支撑着整个半导体芯片制造和现代电子信息产业。
行业特征：
技术密集，对精度和可靠性要求较高：由于半导体零部件应用于精密的半导体制造，所以相较其他行业的基础零部件，其尖端技术密集的特性尤其明显，有着精度高、批量小、多品种、尺寸特殊、工艺复杂、要求极为苛刻等特点。半导体零部件企业生产过程往往需要兼顾强度、应变、抗腐蚀、电子特性、电磁特性、材料纯度等复合功能要求，造成极高的技术门槛。
多学科交叉融合，对复合型技术人才要求高：半导体零部件种类多，覆盖范围广，产业链很长，其研发设计、制造和应用涉及到材料、机械、物理、电子、精密仪器等跨学科、多学科的交叉融合，因此对于复合型人才有很大需求。
市场碎片化特征明显：相比半导体设备市场，半导体零部件市场碎片化特征明显，单一产品的市场空间很小，同时技术门槛高。因此，国际领军的半导体零部件企业通常以跨行业多产品线发展策略为主，且不断进行并购和整合是国际领军半导体零部件企业扩张的主要方式。
半导体设备具有多品种、小批量、定制化的特点，而半导体零部件也有类似特征，细分种类极多、批量小、精度高且工艺复杂。
半导体制造工业需要数百道工序，数十种设备来构建其生产流程。在芯片的数百层的结构中，每一层都要经历“沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入、去胶”等重要步骤。这些半导体设备决定了芯片的制程、性能、功耗等关键参数。而半导体设备的生产能力又是由零部件保障的。可以说，半导体设备零部件是整个半导体行业的“基石”。
半导体制造流程
资料来源：ASML,中银证券
半导体设备和零部件产业链上游是材料厂、零部件厂，中游是设备厂，下游是晶圆厂。零部件既包括设备厂生产集成模组或系统需要采购的硬件，也包括晶圆厂生产芯片需要采购的耗材。考虑到半导体设备厂通常倾向于采取轻资产的模式来运营，其大部分关键技术都需要物化在精密零部件上，或以精密零部件为载体形式来实现。先进芯片制造依赖于高端设备，高端设备依赖于高精尖的零部件。零部件的精度、洁净度、质量等关键参数决定了半导体设备的性能。和普通工业设备相比，半导体设备在原材料的纯度、耐腐蚀性、耐击穿电压性、表面的光滑度、洁净度等参数上都提出了更高的要求。事实上，半导体设备的升级迭代很大程度上就是依赖于其精密零部件技术的突破。
半导体设备及其零部件产业链
资料来源：芯谋研究，富创精密招股说明书，中银证券
关键零部件：
1、溅射靶材：
高纯溅射靶材主要用于超大规模集成电路芯片、液晶面板、薄膜太阳能电池制造的物理气相沉积（PVD）工艺，其中用于集成电路芯片制造市场占比约 10%。在晶圆生产环节和封装环节，溅射靶材分别占晶圆材料和封装材料的 2.6%和 2.7%，据测算 2022 年全球市场在 18.4 亿美元左右。竞争格局来看，全球溅射靶材以四大企业为主，分别是 JX 日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯，CR4 约为 80%。
当前，国产溅射靶材企业已经掌握高纯溅射靶材生产过程中的关键技术，能够根据下游客户要求进行定制化生产，不断进入台积电、联电、英飞凌、海力士等国内外优质客户供应链体系。认证壁垒较高是限制溅射靶材国产化的关键因素。在高纯溅射靶材供应商满足行业性质量管理体系认证的基础上，下游客户往往还会根据自身的质量管理要求再对供应商进行合格供应商认证。认证过程主要包括技术评审、产品报价、样品检测、小批量试用、批量生产等几个阶段，认证过程相当苛刻，从新产品开发到实现大批量供货，整个过程一般需要 2-3 年时间。
2、真空类：
真空子系统包含用于真空获得、真空测量、真空检漏的零部件，用于半导体产品制造领域的代表性产品为干式真空泵。半导体产品制造中一般使用干式真空泵，干式真空泵与油封式机械泵相对，适宜在存在颗粒尘埃、有腐蚀性的环境下工作。干式真空泵用于为薄膜、刻蚀、离子注入（约占主要工艺过程的70%）提供制造工艺所必需的超洁净真空环境，完成物理和化学气相沉积、刻蚀、离子注入等超微加工。
根据应用的制程严苛程度不同，对真空泵提出不同的要求。集成电路工艺制程可分为清洁、中度严苛和严苛三类：清洁工艺制程以装载、传输为例；中度严苛工艺制程以刻蚀为例；严苛工艺制程以 CVD 为例。工艺制程严苛程度与气体腐蚀性和制程中产生粉尘情况有关。
真空子系统设备类型
资料来源：中科仪招股说明书，长江证券研究所
3、气体：
工艺介质供应系统一般为项目制：工艺介质供应系统业务分两种类型：一是系统综合解决方案，即针对客户新建项目提供方案设计、设备制造及系统安装等服务；二是 MRO 业务，即维护（Maintenance）、维修（Repair）、运营（Operation），针对客户已建成项目提供技改工程、设备制造、配件综合采购及运营等服务。工艺介质供应系统厂商主要通过招投标等方式获取项目，资质与历史业绩、项目经理履历等方面与境外知名供应商具备差距是限制国产化主要原因。
MCF气路搭建示意图
资料来源：长江证券研究所
气体管路系统：国产化率较低：当前流量控制领域（涵盖气体输送零部件、组件、密封件、气棒总成、质量流量控制器（MFC）等）国产化率几乎为 0；MFC：既精确测量气体流量，也能自动控制气体流量，即使系统压力有波动或环境温度有变化，也不会使流量偏离设定值。
4、石英制品：
国内石英类零部件发展主要受以下因素限制：原材料石英砂供应高度垄断：高纯石英砂生产与高品质矿源密切相关，低品质矿源提纯较为困难，需要发掘优质矿源，或实现提纯工艺的突破。国内石英制品的加工能力相比国际领先水平还有一定的差距，主要表现为材料纯度水平不高、产品质量不够稳定、先进产品不具备自主生产技术等。进入设备厂商认证环节难：设备厂商需求高度定制化，石英制品是高度客户导向性产业，高度强调精密性和稳定性。当前国内石英砂厂商规模较小，且产品大部分用于光伏领域，用于半导体制造的高端产品比重较低。
5、陶瓷零部件：
陶瓷加热器、静电卡盘和超高纯碳化硅套件是主要难点：陶瓷加热器：薄膜沉积等设备中重要部件，对晶圆均匀加热，使衬底表面上进行高精度的反应并生成薄膜，材料一般为热压烧结工艺氮化铝材料；静电卡盘：现代半导体制造工艺中，晶圆需要在几百个工艺设备之间传输。静电吸盘可通过静电吸附作用来固定晶圆，确保晶圆不会发生翘曲变形，保证加工精度和洁净程度。目前普遍的静电吸盘技术主要是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料。超高纯碳化硅套件：用于半导体氧化扩散设备中的炉管、立式舟、底座和挡板等多个重要零部件，要求在 1000℃以上高温环境下仍能保持高硬度，并可将热量快速、均匀传导。
6、电源系统：
据 VLSI Research，电源子系统 2016 年在生产设备中金额占比为 9.8%，2021 年占比为 13%，增长驱动因素包括：对真空的更高频应用；每个腔中使用射频电源的平均数量增加；向更高功率、更高频率电源演变的趋势，单位价值量提升。3D NAND 层数增加，沉积、刻蚀步数增加，在 3D NAND 中，刻蚀步骤与应用更加复杂，对电源系统需求更高。
71%的电源子系统用于刻蚀设备
资料来源：VLSI Research，长江证券研究所
7、光学系统：
光学系统主要应用于光刻机和光学量测环节。光刻机上游最核心的零部件分别为光学镜头、光学光源和双工件台。
光学镜头：Canon、Nikon、Zeiss 三分天下。EUV 光刻机的光学镜头仅有 Zeiss 具备制造能力，长期为ASML 生产的光刻机提供高效能光学镜头。Nikon 镜头在光刻机领域主要用于自产的 ArFi 和 ArF 高端光刻机。Canon 光学镜头主要应用于 i-line 光刻机。光学镜头的难点在于技术和工艺。在技术方面，镜片设计组合难度较高，且光刻机中每一块透镜的位置误差都必须小于 1nm；在工艺方面，光刻机所要求的镜面光洁度非常高。目前，由蔡司生产的最新一代 EUV 光刻机能够实现原子级别的平坦。
光学光源：高端光刻机的另一核心部件。最高端的 EUV 光刻机使用激光等离子光源，目前仅有美国公司 Cymer 和日本公司 Gigaphoton 能够生产，其中 Cymer 市场份额超过 70%。当前，科益虹源打破主流 ArF 光刻机光源制造，是上海微电子 28nm 光刻机光源制造商，奥普光学提供的镜头可以达到 90nm，与进口零部件仍有一定差距。双工件台国产化供应商为华卓精科，当前配套上海微电子光刻机。
国产光刻机零部件供应商
资料来源：制造界，长江证券研究所
8、磁流体密封圈：
磁流体密封装置是通过磁体产生磁场，将磁液固定在磁极与旋转轴之间，形成多个液体 O 型圈，实现旋转密封的一种装置。
磁流体由于能达到 10-9Pa 超高真空的环境，且可以用于对腐蚀性气体进行密封，多用在半导体设备上，例如在单晶硅炉、化学气相沉积设备、离子镀膜等真空设备的密封，以及高温高压设备及对环境要求较高的设备的密封。磁流体密封圈国产化率较低，近年来国产化开始出现突破。
磁流体密封圈原理图
资料来源：长江证券研究所
行业壁垒：
1、技术壁垒
核心技术和原材料形成极高的技术壁垒。半导体设备零部件种类较多，不同细分领域的零部件所需要的核心技术和工艺有所不同，企业也需要积累相应的专利技术和 Know-How，并对原材料的质量稳定性、纯度等方面都有较高的要求，这些都形成了极高的技术门槛。
对于机械类金属工艺件和金属结构件，需要满足加工精度、耐腐蚀性、密封性、洁净度、真空度等指标，通过先进的精密机械制造技术、表面处理特种工艺技术、焊接技术实现。精密机械制造技术需要围绕精准的加工工艺路线和程序的开发、材料科学和材料力学与零件结构和加工参数的匹配、制造方式与产业模式的匹配，来高质量输出高精密的产品；表面处理工艺技术是实现精密零部件的高洁净、超强耐腐蚀等的关键工序；焊接技术可以实现半导体设备精密零部件焊接区域的零气孔、零裂纹、零瑕疵，保证半导体设备零部件的产品性能及使用寿命，以最终实现真空环境下的半导体设备工艺制程的稳定。
非金属机械零部件包括石英制品、静电吸盘产品等，也有极高的技术门槛。以石英制品为例，石英制品因其直接与硅片接触，且在半导体氧化、扩散过程中会遇到很多腐蚀气体，其质量要求通常较高，产品参数主要体现在外观、尺寸（公差标准）、应力（应力检测）、理化性能（杂质含量）等维度，上述指标是决定产品质量的关键。
射频电源是重要的电气类零部件产品，具有较高的技术难度和壁垒。射频电源主要由射频信号源、射频功率放大器及阻抗匹配器组成，射频功率放大器是射频电源的核心，是制约射频电源发展的关键因素。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率，是射频功率放大器设计目标的核心。射频电源主要有输出功率大小、功率密度、精度、一致性、可靠性，以及频率精度、频率稳定度等指标。
真空泵和真空阀是重要的真空系统类零部件。为了将半导体制造过程控制在更小的尺寸上，半导体工艺需要在真空环境中运行。真空泵的研制难点主要体现在三个方面，首先是真空泵在高负载、大粉尘、强腐蚀等苛刻工艺环境中的适用性、可靠性；其次是在极端真空环境下紧凑型变频驱动电机的设计和工艺瓶颈；以及在长期连续运行下交变载荷、局部发热和颗粒介质造成动密封失效。真空阀也具有制造难、洁净度低、真空度和可靠性等技术门槛。
2、客户认证壁垒：
半导体设备厂商对零部件供应商和产品的认证周期较长，要求较高。以国际半导体设备厂商认证流程为例，首先需要对半导体零部件供应商进行质量体系认证，该认证周期为一年左右；然后客户会对零部件供应商进行特种工艺认证，包括工艺能力认证和性能指标认证，确定零部件供应商能够提供的特种工艺技术和需要达到的产品性能标准，该认证周期为一年左右；通过前两轮认证的供应商可以获得首件试制资格，仅通过认证的特种工艺可以试制首件，首件样品交付并通过客户验收后才具备批量生产资格，首件试制及验收周期根据不同产品有较大的差异，一般在半年左右。半导体设备零部件客户粘性强。通常情况下，全部认证过程完成需要 2-3 年。因此，半导体设备厂商对建立合作关系的零部件供应商一般不会轻易更换，客户黏性较强，半导体设备零部件厂商具有极高的客户认证壁垒。
行业现状：
市场格局：
全球半导体设备零部件市场主要被美日欧厂商所占据。根据 IC World 的数据，2020 年全球主要的 44家半导体核心零部件供应商中，美国供应商 20 家，占比约 45%；日本供应商 16 家，占比约 36%；德国供应商 2 家、瑞士供应商 2 家、韩国供应商 2 家、英国供应商 1 家等；美日欧半导体零部件供应商占比超过 90%，主导全球半导体设备零部件市场。
2022 年全球半导体零部件前 10 大供应商包括有 MKS 仪器（MFC、射频电源、真空产品）、Edwards（真空泵），Advanced Energy（射频电源）、Horiba（MFC），VAT（真空阀件）、Ichor（模块化气体输送系统以及其他组件）、Ultra Clean Tech（真空阀件）、Brooks（机械手）及 EBARA（干式真空泵）等，前十大半导体零部件公司市场份额超过 50%。
2022年全球半导体设备零部件前十大供应商
资料来源：彭博，各公司官网，中原证券
2024 年全球晶圆厂制造设备开支有望恢复至 878 亿美金，精密零部件市场需求深度受益。根据 SEMI最新全球半导体设备预测报告，2023 年全球半导体设备销售市场规模预计将从 2022 年创新高的 1074亿美金同比下降 18.6％至 874 亿美金，随后在 2024 年恢复至 1000 亿美元以上的市场规模。分设备所处环节来看，2023 年晶圆厂制造设备市场规模将同比下降 18.8%至 764 亿美金，同时也将是 2024 年总体设备市场重返 1000 亿美金最主要的推动力，预计届时晶圆厂制造设备市场规模达到 878 亿美金，届时，精密零部件需求有望深度受益其设备开支恢复。
中国晶圆厂设备采购额大幅上升，大陆引领 2024 年全球半导体设备市场，国产零部件需求随之上行。分地域来看，中国大陆、中国台湾省、韩国主导全球设备市场。大陆设备市场重要性日益提升，根据芯谋研究统计，2020 至 2023 年间中国晶圆厂设备需求强劲，整体采购额大幅增长，2020 年中国晶圆厂设备采购额为 154.1 亿美元，预计 2023 年将达到 299 亿美元，较 2020 年上涨 94%，中国晶圆厂显著加大采购数量，带动整个中国设备市场强劲增长，本土厂商的销售额从 9.9 亿美元增长至 33 亿美元，国产设备零部件需求必将随之上行，本土设备零部件厂商迎发展机遇。
国产现状：
高端产品海外高度垄断，零部件国产化率整体较低。半导体设备精密零部件制造商主要为美国、日本和中国台湾地区的上市公司。国内规模较大的半导体设备精密零部件厂商主要为中国台湾地区的京鼎精密和日本 Ferrotec 等外资企业的境内子公司，其主要为国际半导体设备厂商供货。与我国半导体设备及零部件的市场规模相较，我国国产化供给亟需增加，市场供需不匹配。半导体设备零部件的国产化率整体较低，其中高端产品海外高度垄断，仅机械类实现部分突破，整体而言，国内厂商当前主要在机械类和气体类零部件中取得较好进展，但仍由海外厂商占据多数份额。
钣金件、金属件、腔体等技术壁垒较低的机械类零部件，国内的华亚智能、富创精密、新莱应材、江丰电子、靖江先锋、伟泰科技等企业已经实现了相对较高的国产化率，国产化率在 50%以上。上述部分企业除了向国内的北方华创、中微公司、长江存储、中芯国际等企业供货外，还是 Applied Materials、Lam Research 等海外半导体设备的供应商。神工股份也已经进入了 Tokyo Electron 的供应链。静电吸盘、密封圈等相对较难的机械类零部件国产化率仍然较低，甚至不到 1%。
气/液路类零部件中，中资企业 Compart Systems（万业企业）、新莱应材在管路等相对简单的零部件国内企业已具备国产化能力，Compart Systems（万业企业）、新莱应材也均是 AppliedMaterials、Lam Research 的供应链。但国内企业在真空阀等技术壁垒较高的气/液路类零部件中国产化率仍然较低。
盛剑环境、中微惠创（中微公司）、京仪自动化具备废气处理装置的制造能力，京仪自动化具备温控装置的制造能力，使得机电一体类零部件中废气处理装置、温控装置的国产化率较高。但国内企业在机械手、EFEM 等机电一体化类零部件方面技术实力依然欠缺。双工台、浸液系统等零部件主要供应光刻机使用，目前上海微电子前道光刻机仍在商业化早期，不对这些零部件国产化率进行讨论。
电气类零部件方面，英杰电气、北广科技（北方华创）也有一定的可编程电源、射频电源生产能力。
仪器仪表类零部件方面，北方华创、CompartSystems（万业企业）在 MFC 方面具有一定的市场占有率。
光学类零部件方面，LIMO（炬光科技）是 ASML 光场匀化器供应商，技术水平处于全球领先水平。
不过，由于国产前道光刻机尚未规模商业化，暂不对光场匀化器等光学类零部件国产化率进行讨论。
半导体零部件市场国产替代情况
资料来源：华经产业研究院，方正证券研究所
长江证券：机械行业半导体零部件：国产替代加速，优质厂商前景可期
方正证券：电子行业专题报告：半导体设备、材料&零部件，至暗已过，国产供应链全面替代
中银国际：半导体设备零部件行业深度：乘国产替代之东风，各路厂商百家争鸣
