一、硅部件概述

（一）硅部件简介

芯片的加工需要经过晶圆清洗、热氧化、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入、退火、扩散、化学机械研磨、检测等工序，最终在晶圆上实现特定的集成电路结构。这些半导体工艺步骤的实现对于半导体加工设备以及设备中的零部件有着较高的要求。其中，在刻蚀、热氧化等工艺设备中，由于硅材料的零部件具有较好的热稳定性、较低的热膨胀系数，广泛应用于半导体工艺设备中。

（二）硅部件加工流程

硅部件属于机加工零部件，需要经过长晶、切片、研磨、打孔抛光、清洗、检查等工序，大致的制作流程如下：

图片来源：合肥协同半导体产业研究院整理

（三）硅部件主要参数

硅部件的质量与设备的生产良率高度关联，客户关注的主要参数如下：

（四）硅部件技术难点

半导体先进制程对于硅部件的各类参数要求极高，因为在上千道芯片制造工序中，硅部件的纯度、杂质含量、缺陷、加工精度、一致性等缺陷都会被显著放大，所以硅部件生产企业需要有极高的机加工水平和高质量原材料的供应能力。此外，硅部件生产企业还需要有较高的生产管理能力对硅部件的生产、清洗、表面处理、检验、包装等环节进行严格管控，保证产品良率。

二、硅部件应用领域

硅部件是半导体前道晶圆制造的核心耗材，主要应用于刻蚀、LPCVD和热处理环节。

（一）炉管（热处理、LPCVD）用硅部件

低压化学气相沉积(LPCVD)设备是指在加热(350-1000℃)和低压（10-1000mTorr）环境下，使工艺气体在衬底表面发生化学反应，反应产物在衬底表面沉积形成薄膜的设备；LPCVD设备的反应腔室主要由一根炉管构成，通过将晶圆送入炉管内加热，使环境达到工艺气体发生化学反应的条件，从而完成镀膜。热处理指的是在高温环境下的制造程序，同样需要炉管作为反应腔室。在半导体领域的热处理主要包括热氧化、扩散和退火制程。氧化制程以干氧氧化为例，其通过将氧气通入高温炉管内，使氧气与硅在高温下反应，生成氧化硅薄膜；高温扩散掺杂主要通过加热的形式，促使掺杂物从浓度较高部区域向浓度较低的区域扩散，以此完成掺杂；退火制程是指离子注入的过程中，离子束会将硅晶圆的原子撞出晶格结构，从而损伤硅片,需要经过高温退火工艺使偏离的硅原子回到晶格点，修复损伤。热处理设备与LPCVD设备腔室结构及硅部件应用如下：

图片来源：盾源聚芯招股书

传统炉管中零部件常见的材料是石英和碳化硅，其中石英只能用于最高950℃的环境（1000℃有翘曲风险）；碳化硅则可以应用于更高温度，但是成品交付周期长，价格高。碳化硅与石英的热膨胀率与硅晶圆有明显差别，容易与硅晶圆背面产生摩擦，造成划痕等缺陷。碳化硅和石英部件存在一定的局限性，而利用硅制作的部件可以有效解决这些问题。硅部件在高温环境下可以保持较高的强度和超高纯度，不会对芯片造成损伤和污染，而且硅部件与硅晶圆有一样的热膨胀系数，减少了产生摩擦的风险，提高了生产良率，未来硅部件有望被广泛用于炉管设备中。石英、碳化硅、硅部件三者性能对比如下：

热处理设备和LPCVD设备使用的硅部件如下：

硅部件名称	图例	说明
硅舟		在热处理、LPCVD工艺设备中，硅舟是炉管内承载硅片的重要零部件
瓦片舟		用于在卧式炉中承载硅片
硅舟基座		在热处理和LPCVD设备中用于支撑硅舟，并起到隔热、保温作用
硅喷射管		在LPCVD工艺下，作为硅烷、氮化硅气体的喷射/导气管使用
硅内管		安装于硅舟外侧，在LPCVD设备中起到聚拢硅烷、氮化硅等气体的作用；在热处理设备中起到保温、匀热、阻隔金属杂质的作用

（二）干法刻蚀设备用硅部件

干法刻蚀设备是指不使用湿化学品进行刻蚀的设备，主要把将气态的刻蚀剂从带有微小通孔的上电极导入腔室中，腔室内上下电极产生的电场将气态的刻蚀剂电离，然后使其与晶圆上的待刻蚀材料发生反应，生成可挥发性物质，最后将挥发物质抽离反应腔，完成刻蚀。

干法刻蚀反应在工艺腔室中完成，而腔室中的主要部件为硅部件，其中包括硅排气环、硅外环、硅喷淋头、硅聚焦环、硅遮挡环等。

图片来源：盾源聚芯招股书

干法刻蚀设备的腔室中，一般是将硅片置入硅聚焦环，合体作为正电极置于刻蚀设备下方，将处于刻蚀设备腔体上方带有密集微小通孔的硅盘作为负电极，并使用硅外环套支撑上电极和其他相关零部件。其中，上电极与下电极直接与等离子体接触，等离子体在刻蚀硅片的同时也会损耗上下硅电极，下电极（聚焦环）在刻蚀过程中会逐渐变薄，厚度减少到一定程度就需要更换；而上电极（喷淋头）均匀分布的孔洞由于被等离子体腐蚀，会导致孔洞的尺寸出现偏差，达到一定误差后就需要更换。在一般使用2-4周就需要更换一批。

刻蚀设备使用的硅部件如下：

硅部件名称	图例	说明
喷淋头 (上电极)		在干法刻蚀下，等离子在刻蚀晶圆时需要保持在各个点位的速度和轰击量均匀、一致。在刻蚀过程中需要对上电极通电形成电磁场对等离子体进行加速和约束，并利用上电极表面均匀分布的孔洞将工艺气体进行分流处理
聚焦环、硅环 (下电极)		在干法刻蚀工艺下，下电极主要作为承载硅片的部件，同时也会通电形成电磁场对等离子体进行加速和约束（调整等离子鞘层，优化等离子轰击方向）
硅外环		作为连接排气环和喷淋头的连接部件，受到等离子刻蚀量较小
硅排气环		作为气体通道，为工艺气体/载气的进入和反应后的尾气排出提供通道

在此特别解释硅聚焦环（下电极）的作用。硅聚焦环是用于控制等离子鞘层厚度，从而起到优化离子轰击均匀度的作用。等离子鞘层是指等离子体和容器壁之间的非电中性区域，是等离子体中非常重要和特殊的区域。等离子体由相同数量的正离子和电子组成。因为电子比离子快，所以先到达容器壁。等离子体的相对容器壁呈正电性，鞘层电场能加速等离子体内的离子（正负吸引），使离子具有很高的能量，利用这种高能离子流可实现镀膜、刻蚀和溅射。

晶圆的阻抗会影响等离子鞘层的厚度（阻抗越低，鞘层越厚），晶圆中心的阻抗与边缘的阻抗是不同的，所以会导致边缘位置的等离子鞘层厚度不均匀，而厚度不均匀的等离子鞘层加速离子的同时也会导致离子轰击的位置发生偏转，进而使刻蚀的精度下降，所以需要使用聚焦环控制等离子鞘层厚度，进而优化离子轰击方向，提高刻蚀精度。

图片来源：《直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究》

刻蚀设备零部件的选材方面，硅材料部件也不是唯一的选择。设备零部件材料需要满足高纯度、化学成分与被刻蚀物/反应气体一致、抗等离子腐蚀能力强（使用寿命长）这三点，单一材料的零部件较难满足刻蚀设备所有要求，需要根据情况采用不同的材料。

刻蚀设备零部件选择对比如下：

以晶圆周围的聚焦环为例，如果采用石英材料、其纯度高，对获得低金属污染最有利，但它在氟化物气体的等离子体中腐蚀消耗太快，寿命太短，不仅使成本增加，还会因为需要置换而停机，缩短了设备的在线率；若选用陶瓷，寿命足够长，但由于它处于高能量离子的轰击区域，溅击逸出的铝与等离子体中的氟反应会形成不挥发的氟化物（如氟化铝等），如果不能被抽除而沉积在圆片边缘的器件表面或光刻胶上，就会在后续步骤中阻止对生成物和光刻胶的去除，影响产品合格率。比较合适的材料是单晶硅或碳化硅，然而单晶硅便宜但寿命短，碳化硅价格高但寿命稍长，需根据实际情况加以取舍，比如设备使用率高，其在线率比较重要，应采用碳化硅；如果此部件的损耗成本占比不是太高，则应采用单晶硅。

三、硅部件产业链分析

半导体硅部件行业上游主要为高纯度硅材料供应商，中游为半导体硅部件生产厂商，下游由半导体设备厂商和晶圆制造厂商构成。全球半导体硅部件产业链呈全球化供应的格局，且主要市场份额被美国、日本和韩国企业所占据。

全球硅部件产业链代表性企业如下：

（一）上游原材料代表性企业

1、德国 Wacker Chemie AG (瓦克化学)

瓦克化学成立于1914年，总部位于德国慕尼黑，公司主要从事化学产品的研发、生产和销售，主营产品包括氨基酸、多晶硅、硅橡胶、聚合物乳液、聚合物树脂等。2022年公司总营收为82.09亿欧元。

2、日本 Mitsubishi Materials Corporation (三菱综合材料)

三菱材料成立于1871年，总部位于日本东京都，公司主要从事化学品及材料的研发、生产和销售，主营产品包括硅晶圆、柱状晶硅、硅精密加工品、电镀液、焊膏、DBA基板等。2022年公司总营收为16259亿日元。

3、美国 REC Silicon

REC Silicon 成立于1996年，总部位于挪威福内布，公司主要从事硅材料的研发、生产和销售，主营产品包括光伏级多晶硅、电子级多晶硅、硅烷气体等。2022年公司总营收为1.48亿美元。

（二）中游硅部件代表性企业

1、美国 Silfex

Silfex成立于2009年,总部位于美国俄亥俄州伊顿市。公司是LamResearch 的全资子公司，主要为其提供定制化的硅部件，公司主营产品包括硅电极、硅环、硅靶材等。

公司产品具体如下：

产品	产品图片
硅开槽环（Silicon Slotted Rings）
硅电极（Silicon Electrodes）
硅环（Silicon Rings）

2、韩国 HANA Materials Inc

Hana Material 成立于2007年，总部位于忠清南道天安市，公司主要从事硅部件的研发、生产和销售，主营产品包括硅电极、硅环、硅铸锭、碳化硅涂层、CVD-碳化硅块、氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷等。公司已于2017年在韩国KASDAQ上市，2022年HANA Materials的总营收为3073.24亿韩元。

公司产品分为硅、碳化硅和精密陶瓷三种，主要产品如下：

截至2023年三季度，HANA Materials Inc主要财务指标如下：

单位：亿韩元

其中，近三年销售收入明细如下：

单位：亿韩元

公司主要客户为东京电子、三星电子、SEMES、应用材料。

3、韩国 Worldex Industry & Trading Co., Ltd.

Worldex成立于2000年，总部位于庆尚北道龟尾市，主要从事半导体材料及零部件的研发、生产和销售，主营产品包括硅电极、硅环、石英环、单晶硅锭、多晶硅锭、晶舟、碳化硅底座（用于外延）、碳化硅环、碳化硅晶舟、氮化铝陶瓷部件、氧化铝陶瓷部件、蓝宝石部件等。2022年公司的总营收为2559.3亿韩元。

公司产品分为硅、碳化硅、石英和精密陶瓷，主要产品如下：

截至2023年三季度，Worldex主要财务指标如下：

单位：亿韩元

其中，近三年销售收入明细如下：

单位：亿韩元

公司主要客户为三星、海力士、美光科技、铠侠、英特尔。

4、韩国 SKC solmics（已更名为SK enpulse）

SKC solmics是SK集团下的子公司，目前已经于2023年更名为SK enpulse。SK enpulse成立于1990年，总部位于京畿道平泽市，公司是韩国最好的半导体和LCD显示用精密陶瓷生产商，主营产品包括硅环、石英环、氧化铝精密陶瓷零部件、碳化硅零部件、CMP研磨垫、掩模基板、显影液、PCB板、零部件清洗服务。2022年公司总营收为3043.65亿韩元。

公司产品主要分为零部件材料和设备两类，其中硅部件相关产品如下：

公司硅部件应用的工艺步骤具体如下：

5、德国 Die Siliciumbearbeitung Andrea Holm GmbH

HOLM成立于1987年，总部位于德国，公司主要从事硅产品的研发、生产和销售，主营产品包括聚焦环、匀气盘、晶舟、硅管、底座等。

6、奥地利Sico Technology GmbH

SICO成立于1982年，总部位于奥地利，公司主要从事硅、石英、陶瓷等产品的研发、生产和销售，主营产品包括熔融石英、晶舟、喷射管、底座、陶瓷部件等。

7、宁夏盾源聚芯半导体科技股份有限公司

盾源聚芯成立于2011年，总部位于宁夏回族自治区银川市，主要从事硅部件和石英坩埚的研发、生产和销售；主营产品包括：硅舟、喷射管、硅管、聚焦环、喷淋头、托盘、硅锭、硅片材、石英坩埚等。2022年公司总营收为10.91亿元。

8、重庆臻宝科技股份有限公司

重庆臻宝科技股份有限公司成立于2016年，公司主要从事半导体设备核心零部件及先进陶瓷材料的研发、生产和销售，主营产品包括下电极、匀气盘、聚焦环等。

公司主营产品根据应用领域主要分为平板显示和集成电路两类，其中集成电路应用的产品具体如下：

应用领域	产品类别	产品名称	产品图片
集成电路	镀膜制程	上电极（匀气盘）
		陶瓷环
	干法刻蚀制程	Depo Shield
		硅环
		石英环
		匀气盘（上电极）
		聚焦环（陶瓷）
		气体导流环

9、北京亦盛精密半导体有限公司

北京亦盛精密半导体有限公司成立于2015年，公司主要从事集成电路装备精密零部件的研发、生产和销售，主营产品包括200mm/300mm/硅环、上电极、碳化硅耗材等。

10、锦州神工半导体股份有限公司

神工股份成立于2013年，公司主要从事硅材料、部件的研发、生产和销售，主营产品包括硅棒、硅环、匀气盘、硅筒、硅片等。2022年公司总营收为5.39亿人民币。

11、有研半导体硅材料股份有限公司

有研硅成立于2001年，主要从事硅及其他半导体材料的研发、生产和销售，主营产品包括硅棒、硅环、硅片、区熔单晶等，2022年公司总营收为11.75亿人民币。

（三）下游代表性企业

硅部件下游企业主要为半导体加工设备制造商（刻蚀、LPCVD）、晶圆厂等，下游主要包括Lam Research、东京电子、应用材料、三星电子、SK海力士等，具体介绍如下：

1、美国 Applied Materials（应用材料）应用材料成立于1967年，总部位于美国加利福尼亚州圣塔克拉拉市。公司主要从事半导体设备的研发、生产和销售，主营产品包括离子注入设备、PECVD薄膜沉积设备、等离子刻蚀设备、涂胶设备、CMP设备、关键尺寸检测设备、光学缺陷检测设备等。2022年公司总营收为257.85亿美元。

2、日本 Tokyo Electron（东京电子）东京电子成立于1963年，总部位于日本东京都赤坂商务大厦。公司主要从事半导体加工设备和平板显示生产设备的研发、生产和销售，主营产品包括涂布设备、等离子刻蚀设备、湿法刻蚀设备、薄膜沉积设备、热处理设备等。2022年公司销售额为22090亿日元。

3、美国 Lam research（泛林半导体）泛林半导体成立于1980年，总部位于美国加利福尼亚州的弗里蒙特市。公司主要从事于半导体晶圆加工设备的研发、生产和销售，主营产品包括CVD镀膜设备、等离子清洗设备、等离子刻蚀设备、热处理设备等。2022年公司销售额为172.3亿美元。

4、韩国 SK hynix（SK海力士）SK海力士成立于1949年，总部位于韩国京畿道，公司主要从事DRAM、NAND Flash等半导体产品的研发、生产和销售；主营产品包括NAND Storage、DRAM、SSD、CMOS Image Sensor等。2022年公司总营收为446481亿韩元。

5、韩国 Samsung（三星电子）三星电子成立于1969年，总部位于韩国京畿道，主要从事电子产品、存储类产品的研发、生产和销售，产品主要包括手机、平板、显示器、SSD、存储卡等。2022年公司总营收为2455亿美元。

四、硅部件市场规模及竞争格局

（一）市场规模

1、刻蚀用硅部件市场规模

根据SEMI的数据，2022年全球刻蚀用硅部件的市场规模为144亿元，其中原厂件销售规模为107.7亿元，占比74.8%；预计2027年全球刻蚀用硅部件市场规模将达到207亿元，期间复合增长率为7.5%。原厂件市场是由硅部件生产厂商生产并销售给刻蚀设备制造厂商的产品组成的。

2、炉管用硅部件市场规模

炉管用硅部件更换频率低于刻蚀用硅部件（石英部件更换周期为3-4年），市场规模相对小于刻蚀用硅部件。根据SEMI的数据，2022年全球炉管用硅部件市场规模约为5.8亿元，预计2027年增长至21.9亿元，期间复合增长率为30.44%。

（二）竞争格局

1、刻蚀用硅部件竞争格局

目前全球刻蚀用硅部件市场份额较为集中，份额占据较大的企业主要包括Silfex、HANA Materials、盾源聚芯、Worldex等

全球刻蚀用硅部件市场主要被美国和韩国垄断，市场竞争格局具体如下：

图片来源：盾源聚芯招股书

2、炉管用硅部件竞争格局

炉管用硅部件行业中主要参与企业较少，全球生产商主要包括Sico、Holm等，公司介绍详见中游代表企业部分。

资料来源

[1] 王阳元.《集成电路产业全书》.中国工信出版集团,2018.1410-1412页.

[2] [2]吴小四.直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究.2022.安徽建筑大学,MA thesis.doi:10.27784/d.cnki.gahjz.2022.000405.

[3] 盾源聚芯招股说明书及官网

[4]Silfex Inc公司官网

[5] HANA Materials Inc公司官网及定期报告

[6] Worldex Industry & Trading Co., Ltd公司官网及定期报告

[7] SK enpulse公司官网

[8] Die Siliciumbearbeitung Andrea Holm GmbH公司官网

[9] Sico Technology GmbH公司官网

[10] Wacker Chemie AG公司官网及定期报告

[11] Mitsubishi Materials Corporation公司官网及定期报告

[12] REC Silicon ASA公司官网及定期报告

[13] 重庆臻宝科技股份有限公司官网

[14] 北京亦盛精密半导体有限公司

[15] 锦州神工半导体股份有限公司官网及定期报告

[16] 有研半导体硅材料股份有限公司及定期报告

[17] Applied Materials ,Inc公司官网及定期报告

[18] Tokyo Electron Limited公司官网及定期报告

[19] LAM RESEARCH CORPORATION公司官网及定期报告

[20] SK HYNIX INC公司官网及定期报告

[21] Samsung公司官网及定期报告

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