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从拆解维修走向专精特新,财盈谈半导体设备零部件中射频电源的应用与前景

作者:上海财盈半导体股份有限公司   文章来源:上海财盈半导体股份有限公司   时间:2022-07-21

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艾新博盛投资合伙人  曹幻实 (左)

财盈半导体董事长  张德才(右)


、谈现状:半导体设备零部件

是典型的‘以小制大’卡脖子环节


       由于全球芯片短缺,以及随之引发的扩产浪潮,现在设备的需求非常旺盛,供不应求。去年全球半导体设备的销售总额达到了1026亿美元,相较于前年增长了44%。中国是半导体设备最大的市场,购买了将近全球1/3的半导体设备,国内的增长达到了58%。我们国产化设备的起步比较晚,国产化率还是比较低,总体上各种设备加起来总国产化率在13%左右,而且集中在中低端的设备。全球半导体设备市场呈现出一种高度垄断的格局,在中美贸易摩擦、技术限制的情况下,国产化进程也在加快并取得了一定的成果,但是这离实现完全自主可控还是有比较大的距离。

销售额.png

      半导体设备主要包括晶圆加工的前道设备以及封装测试的后道设备。我们关注的点在前道设备上,比如大家都熟知的光刻机,除此之外生产过程中还会遇到其他的设备,像涂胶显影、等离子刻蚀机,薄膜沉积的PVD\CVD设备,以及化学机械研磨、离子注入机、湿法清洗机、热处理机等等。

     我们知道设备是由零部件组成的,由于对设备的需求旺盛,进一步地向上游延伸,带动了设备零部件的供不应求,交货期大多数延长到12-15个月。


半导体设备图.png

半导体设备分类

(图源:财盈半导体提供)


      部分零部件的短缺导致很多国产设备厂商采取3-4倍的超前采购策略,比如北方华创去年的采购总额就高达176亿,即使设备能够国产,数量也远远不够。不仅如此,美国制裁中国的晶圆制造企业,部分中国的设备厂商也受限于美国的禁令,其根源还是我们在一些关键零部件上依赖于美国。可以说,零部件相较于设备、整机而言,市场规模不算很大,但它是典型的“以小制大”的卡脖子环节。

     比较复杂的电子和机械产品开发技术难度较大,精度要求高。比方说射频电源,它直接关系到腔体中的等离子体浓度、均匀度和稳定度,是刻蚀、薄膜沉积CVD等重要机台最关键的零部件之一。去胶机、离子注入机和清洗机也会使用到射频电源这个部件。

     传统的国产射频电源主要应用在其他工业低端设备上,所以不能说国内完全没有这种产品,只不过在半导体及泛半导体产业目前来看还达不到应用水平。究其原因,主要的技术难点在于电源的波形和频率、功率等参数不够稳定,精度达不到要求,相较于MKS、AE等国外企业仍旧有一定的差距。

     大家日常生活里接触汽车比较多,缺乏零部件会导致汽车的交付出现问题。设备虽然没有那么大的覆盖面,但也面临着同样的问题。部分零部件的短缺导致很多国产设备厂商采取3-4倍的超前采购策略,比如北方华创去年的采购总额就高达176亿,即使设备能够国产,数量也远远不够。不仅如此,美国制裁中国的晶圆制造企业,部分中国的设备厂商也受限于美国的禁令,其根源还是我们在一些关键零部件上依赖于美国。可以说,零部件相较于设备、整机而言,市场规模不算很大,但它是典型的“以小制大”的卡脖子环节。

     零部件是由零件和部件构成的,比如像石英这种材料性质的更多属于零件,而具备功能整合体的属于部件,像射频电源、各种泵以及仪器仪表类(真空计、流量计)等,都属于部件类。

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     比较复杂的电子和机械产品开发技术难度较大,精度要求高。比方说射频电源,它直接关系到腔体中的等离子体浓度、均匀度和稳定度,是刻蚀、薄膜沉积CVD等重要机台最关键的零部件之一。去胶机、离子注入机和清洗机也会使用到射频电源这个部件。

 

     传统的国产射频电源主要应用在其他工业低端设备上,所以不能说国内完全没有这种产品,只不过在半导体及泛半导体产业目前来看还达不到应用水平。究其原因,主要的技术难点在于电源的波形和频率、功率等参数不够稳定,精度达不到要求,相较于MKS、AE等国外企业仍旧有一定的差距。

       我们科研端的高效产品可能都有了,但是到产业端,需要稳定大量的产品持续运转时,反而有了难度。

       产品形成批量应用还是困难的。像半导体的真空泵,只有价格更高的干泵和分子泵才能落实到实际生产中,实现功能,而这并非中国厂商所长。真空计、流量计也是如此。中国仪表产业只能满足一般类型的真空测量要求,达不到半导体工艺的高精度要求。

       一旦稳定性不好,会直接造成废片,成本损失太大,大家也不敢用。

       半导体的零部件验证周期都是非常长的,对材料的要求也比较高。中国厂商强于加工和成型,但材料产业基础还比较薄弱。例如阀、陶瓷等零部件,虽然中国厂商可以按照图纸做成型,但往往无法解决材料和表面的处理问题,因此发展受到基础的制约。此外,市场碎片化也比较明显。

       什么叫做市场碎片化?

       就是说单一产品的市场容量并不大。例如流量计、密封圈这些零部件,不仅对精度和材料的要求比较高,同种类产品的型号也是比较多的,不同类别之间的工作原理差异显著。对此中国厂商往往兴趣不高,动力也不足,所以相关行业并未得到显著发展。

二、谈成本:仅仅射频电源和匹配器

就能占到一台设备总成本的12%左右


      射频电源就是产生固定频率的正弦波、具有一定频率的高频/高功率电源输出,它广泛应用于半导体以及泛半导体领域,比如显示面板、LED和太阳能光伏行业、新材料,科学实验中的等离子体发生、射频感应加热、医疗美容及常压等离子体消毒清洗等领域。在芯片设备上主要应用于等离子体刻蚀和等离子增强气相沉积这两种设备上。

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      这两种设备里它的使用量是最多的,以一台12吋刻蚀机为例,它有8个腔,每个腔体有上电极和下电极,每个电极有一台射频和一台匹配器,共32台射频和匹配器。一台刻蚀机在射频电源和匹配器上的采购需要好几百万。它是刻蚀机很重要的成本构成,仅仅射频电源和匹配器就能占到一台设备总成本的12%左右。

     射频电源它有一定的技术难度和门槛,因为要直接供应到腔体里面去激发等离子体,等离子体是直接作用于芯片的生产工艺当中的,其浓度、均匀度和稳定度都由射频电源和匹配器的工作来决定。所以说控制最关键的精度是比较难的。半导体设备的射频电源功率从一千瓦到十千瓦,在面板生产时使用到了十五千瓦到五十千瓦的水平,和无线通讯的射频功率比就大了很多,它们的应用是不同的。

     目前来讲还没有能够应用于半导体领域包括泛半导体领域的国产化射频电源。

这个难是相对性的,我们财盈半导体是2005年创立的。创立之初,财盈专注于工业控制、自动化、数控设备的维保解决方案。当时,工业设备基本上就是靠从国外进口,国内这一块相对来说比较薄弱,缺乏相应的技术支持。那时候基本不用去跑业务,都是客户过来找我们,例如上海本地的上汽、宝钢、金山石化等。最初也有半导体客户,像比较早的半导体制造公司,华虹NEC、先进半导体等。只是那时整个半导体的体量还比较小,半导体设备的技术支持也非常缺乏。

       我们知道半导体零部件的种类非常多,我们在半导体设备电控部件这个领域选择了射频电源作为切入口和聚焦点。

       其实从我们财盈的角度来看没有那么难。并不是说技术有多难,主要是因为我们起步比较早,之前市场上不太重视这一块。2015年后,我们就全部转向到半导体设备技术支持和服务领域,这也是由于看到了半导体的整体发展和未来趋势。公司有一定的技术经验积累和储备,也培养和锻炼出一批过硬的工程师。


三、谈未来:国产替代需求强劲,

企业应努力适应多产品线的研发及管理

    

     上海财盈半导体首台demo的射频电源在今年年初的时候已经送到客户端进行了测试和验证,目前为止依然在日常的工作,各项指标都符合国产替代的需求。

     一开始我们就和客户讲这是国产替代产品。客户有这种需求,急迫地要去替代,而现在要么只能买二手进口的,要么就是全新进口的,在有疫情的情况下有一部分产品真的很难买到。正好我们的demo机器就拿上去用。

     首先了解到客户对机台的应用要求不是很高,demo的机器当时是按照这个需求和水准去开发的,所以匹配度还是非常高的。我们拆解和分析了数万件美、日、欧、韩等国家的进口电控部件,积累了几万份的技术资料、笔记,特别是半导体设备、电控部件。在维修中我们对它原理、结构、设计、工艺和应用都有相当的了解。同时在这个过程当中我们也发现了一些原有的问题。任何一个产品它都是有一定的缺陷的,没有设计地非常完美的产品。我们发现、解决并思考这些问题,去寻找创新的解决方案,然后形成我们公司自己的知识产权专利。财盈现在已经取得的授权的专利有24件,在申请的专利也有10项,我们很重视知识产权的保护,也准备建立它的攻防体系,建立专利保护群。

      举一个例子来说,我们有一项射频匹配器,主要关键零部件真空电容的发明专利,该专利是对该器件的革新性创新,有望打破国外对这种器件的垄断。

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      我们的技术方案采用音圈马达设计真空电容进行驱动,在结构上进行了优化改善。原有的设计结构损耗以及匹配速度比较慢,我们发明的专利具有高速响应,便于控制,匹配精度高的特点,极大程度的优化了结构和原来匹配速度慢的问题。比如说在7nm以下有些先进工艺制程仅仅有5秒钟的时间,而传统的匹配器光运作时间就要达到1~2秒,这还是在匹配器状态比较好的情况下。所以5秒的制程有2秒在进行匹配动作,就影响了制程的效率,也会导致工艺的一致性和良率的降低。目前解决这个问题的方案是什么?是采用匹配器档位切换的粗调,再加上射频电源进行变频的微调方式,让反应时间缩短,更能适应这个制程,但是制程的过程波动较大,设备复杂度和成本就会上升。如果采用我们发明专利的技术方案,时间就会更快。因为速度快了,制程就能稳定,它有连贯性的好处。在不增加设备复杂度和成本的基础上寿命也变长了,理论上是传统的三倍以上。

     射频电源和匹配器是半导体设备电控一种,当然半导体设备还有其他的电控部件,我们先聚焦于射频电源和匹配器这个产品,实现国产化替代,然后在此基础上不断地迭代和研发,直至达到乃至超过国外的进口产品的性能水平。

     当我们有一定基础之后,在其他半导体设备电控上也会适时的研发和布局。因为这类产品有个特点,单个产品的市场空间虽不大,但它是典型的“以小制大”卡脖子环节,此外毛利率和市场集中度也比较高,可以说既有优势也有劣势。

     因此,我们的经营策略和商业模式就必须转换思维,要具备适应这种多产品线的研发管理经验和能力,打造成一家专精的半导体设备电控部件供应商。这是我们3~5年之内的规划,那么更长远一点的目标其实是更为广阔的设备工业电源或者说是工业设备电控市场。


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