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等离子体射频电源系统为我国半导体“卡脖子”最严重环节之一 行业国产替代空间广

一、等离子体射频电源系统是半导体制造中关键核心零部件,其作用日益凸显

根据观研报告网发布的《中国等离子体射频电源系统行业现状深度研究与发展前景预测报告(2025-2032)》显示,等离子体射频电源系统是半导体制造中极其关键的专用电源系统,是薄膜沉积设备、刻蚀设备等多种半导体工艺设备的核心零部件,主要由等离子体射频电源和匹配器组成。等离子体射频电源系统通过精确控制电流频率和功率,指挥着半导体制造过程中的等离子体变化,确保在晶圆表面精确、均匀地沉积出薄膜层、精细地刻蚀出复杂图形和去除光刻胶等。等离子体由于具有独特的光、热、电物理特性以及高活性、高能量的特点,为半导体精密制造提供了不可替代的工艺基础。

等离子体射频电源系统被广泛应用于半导体工艺中的薄膜沉积、刻蚀、离子注入、清洗去胶、键合等环节,以及光伏电池片的薄膜沉积、显示面板镀膜、精密光学镀膜、常压等离子体清洗等工业生产环节,并且随着先进封装技术的发展应用于更多工艺环节中。预计随着芯片结构的不断复杂化、半导体工艺制程的持续演进,等离子体工艺的关键作用将愈发凸显。

等离子体射频电源系统应用领域

行业领域

半导体领域

非半导体领域

工艺流程

薄膜沉积

刻蚀

离子注入

清洗去胶

键合

真空镀膜

等离子体清洗

设备类型

PVDPECVDPEALDLPCVDHDPCVD等设备

ICP刻蚀机、CCP刻蚀机

离子注入机

去胶机

键合设备

PECVDPEALDPVD等设备

等离子体清洗机

资料来源:公开资料,观研天下整理

二、行业起步晚发展快,预计到2028年我国离子体射频电源系统市场规模将达到188.6亿元

虽然相比欧美等发达国家,我国大陆等离子体射频电源系统行业起步比较晚,但近年来展现出了快速的发展势头。数据显示,2019-2023 年,我国大陆等离子体射频电源系统市场规模从60.4亿元增长到了 112.6 亿元,年复合增速达 16.9%。预计到2028年,我国大陆等离子体射频电源系统市场规模将达到188.6亿元。

数据来源:弗若斯特沙利文,观研天下整理

根据市场分析,近年推动我国我国大陆等离子体射频电源系统行业快速发展的因素主要有以下几点:

一是国家产业政策的鼓励与支持。等离子体射频电源系统是我国半导体设备产业的基础零部件之一,是半导体设备关键核心技术攻坚的重要一环。近年来,国家颁布了一系列政策支持,鼓励包括等离子体射频电源系统在内的半导体零部件行业的发展。例如2021 年 12 月,国务院发布的《“十四五”数字经济发展规划》提出,要提升核心产业竞争力,着力提升基础软硬件、核心电子元器件、关键基础材料和生产装备的供给水平,强化关键产品自给保障能力。实施产业链强链补链行动,加强面向多元化应用场景的技术融合和产品创新,提升产业链关键环节竞争力,完善 5G、集成电路、新能源汽车、人工智能、工业互联网等重点产业供应链体系。

2023 年 12 月,国家发改委发布《产业结构调整指导目录(2024 年本)》,鼓励发展集成电路线宽小于 65 纳米(含)的逻辑电路、存储器生产,集成电路装备及关键零部件制造。持续增强集成电路制造业核心竞争力,不断引领产业向中高端跃升,加快推进产业基础再造和重大技术装备攻关,提升战略性资源供应保障能力。

2024 年 7 月,二十届中央委员会第三次全体会议作出《中共中央关于进一步全面深化改革 推进中国式现代化的决定》,强调要健全提升产业链供应链韧性和安全水平制度。抓紧打造自主可控的产业链供应链,健全强化集成电路、工业母机、医疗装备、仪器仪表、基础软件、工业软件、先进材料等重点产业链发展体制机制,全链条推进技术攻关、成果应用。

二是应用较为广泛,下游需求不断增长。等离子体射频电源系统的应用较为广泛,除了半导体、光伏和显示面板等主要的应用领域,还包括精密光学领域、科研领域、航天领域、医疗等其他领域。随着上述市场不断发展,对等离子体射频电源系统需求也在不增加。

例如在半导体市场:我国大陆将半导体产业作为战略性新兴产业,出台《国家集成电路产业发展推进纲要》等政策,从资金、税收、人才等多方面给予支持,为等离子体射频电源系统在半导体领域的发展营造了良好政策环境。此外,本土晶圆厂积极扩产,增加对半导体设备的采购,作为薄膜沉积设备、刻蚀设备等关键零部件的等离子体射频电源系统的需求也随之增长。据弗若斯特沙利文数据统计,我国大陆半导体行业等离子体射频电源系统市场从 2019 年到 2023 年,市场规模由 31.7 亿元增长至58.4亿元,年均复合增长率达到 16.5%

数据来源:弗若斯特沙利文,观研天下整理

光伏市场:等离子体射频电源系统在光伏电池片的镀膜环节中起到了关键作用,尤其是在 TopconHJT XBC 等新技术产品的扩产过程中,等离子体射频电源系统的需求逐步放量。目前我国是全球最大的光伏电池片市场,而这也为等离子体射频电源系统带来了广阔的需求空间。根据数据显示,‌2024年我国电池片产量约为654GW‌,同比增长10.6%20251-5月,我国电池片累计产量为568.1GWh,累计同比增长62.6%‌‌。‌

数据来源:公开数据,观研天下整理

三是半导体先进制程中的技术迭代,为等离子体射频电源系统带来长期、持续的发展驱动力。半导体制程微缩化趋势和 3D 芯片结构的时代到来,使得芯片制造工艺设备中的等离子体射频电源系统面临在复杂工艺过程中功率输送的一致性与准确性问题。各工艺步骤间的功率水平、气体流量、压力变化不一,使得等离子体阻抗急剧变化,若无法保持稳定,将降低晶圆良率。因此,等离子体射频电源系统的创新必须与工艺创新保持同步。半导体薄膜沉积和刻蚀等设备在先进制程中的技术迭代为等离子体射频电源系统的发展赋予了长期、持续的发展驱动力。

三、半导体是目前我国大陆等离子体射频电源系统行业最大的下游应用领域,占比达到51.9%

目前等离子体射频电源系统行业主要应用在半导体、光伏、显示面板、光学镀膜、医疗设备和科研仪器等领域。其中,半导体是我国大陆等离子体射频电源系统行业最大的下游应用领域,2023年占比达到了51.9%

数据来源:弗若斯特沙利文,观研天下整理

四、离子体射频电源系统是我国半导体被“卡脖子”最严重环节之一,其国产化率不足7%,未来国产替代空间广阔

等离子体射频电源系统是半导体设备零部件国产化最难关卡之一,其国产化率极低。根据弗若斯特沙利文统计,2023年我国大陆半导体领域等离子体射频电源系统的国产化率不足7%,属于被“卡脖子”最严重的环节之一。这主要是因为半导体设备及零部件行业具有“精确复制”的要求,以保障晶圆厂在产能快速扩张下的芯片品质,而在此情况下,等离子体射频电源系统的量产必须确保高度稳定和可重复的生产工艺,并且需经过精密的校准和严格的测试流程,以保证性能的一致性和长期稳定性。

资料来源:公开资料,观研天下整理

等离子体射频电源系统作为半导体中薄膜沉积、刻蚀、离子注入、清洗去胶、键合等设备的关键核心零部件,其自主可控化对推动我国新一代信息技术和高端装备等战略新兴产业的发展,保障我国在半导体领域核心零部件的自主化供给具有重要作用。在上述背景下,我国等离子体射频电源系统国产化和自给自足势在必行,国产替代有着广阔的发展空间。

因此,为实现等离子体射频电源系统自给自足,近年国内相关企业逐渐加大对其相关技术的攻关,并取得较大的发展。例如深圳市恒运昌真空技术股份有限公司历经十年,先后推出CSLBestdaAspen三代产品系列,成功打破了美系两大巨头MKSAE长达数十年在国内的垄断格局,具备了与国际先进企业同台竞争的能力。公司自主研发的第二代产品Bestda系列可支撑28纳米制程,第三代产品Aspen系列可支撑14纳米先进制程,达到国际先进水平,填补国内空白。

不过,虽然近年我国等离子体射频电源系统取得的不小的发展,但等离子体射频电源系统国产替代难度极高,通过等离子体工艺实现各种半导体复杂工艺的技术仍不成熟。目前国内只有恒运昌等极少数企业的等离子体射频电源系统产品达到与国外对标产品相同、近似的性能、功能指标,市场仍呈现海外巨头MKSAE高度垄断的竞争格局。因此可见,未来我国等离子体射频电源系统国产替代仍有着较大提升空间。

目前国产等离子体射频电源系统相较于国际头部厂商的产品在电源波形、频率和功率,以及精准控制等离子体浓度、均匀度等方面存在差距,特别在阻抗的高速匹配、多频率电源、应用于先进刻蚀工艺的偏置裁剪波电源等产品上,国产射频电源发展滞后,具体如下表:

目前国产射频电源发展滞后方面

问题

具体内容

阻抗的高速匹配

半导体生产工艺各步骤之间的转换可能导致功率、气体流量和压力迅速发生改变,并使等离子体阻抗急剧变化,这对等离子体射频电源系统频率调谐的灵活

性和快速性提出了极高要求。一方面要求电源系统具有极快的数据处理能力;另一方面要求电源厂商具备完善的数据收集、处理和传输能力,能以构建数据库的方式为半导体设备商提供数据分析、预测及个性化定制服务。以 AE 为例,其等离子体射频电源和匹配网络采用全数字集成控制技术,能实现阻抗的快速匹配。而目前国产射频电源以模拟控制为主,响应较慢。

多频率电源

国外一线等离子体射频电源系统通常使用Source RFBias RF两个甚至多个电源,可相对独立控制等离子体密度和离子能量,可实现更高的刻蚀速率、更大的工艺自由度和更高的良率水平。我国等离子体射频电源种类较为单一,宽频带电源、高功率等离子体射频电源的比重不足 5%

应用于先进刻蚀工艺的偏置裁剪波电源

10 纳米以下的工艺节点下,刻蚀工艺的偏置电源需要精准的控制离子能量密度分布,传统的射频多频叠加偏置电源很难达到理想的工艺效果,因为产生恒定的等离子体鞘层电场需要特殊的裁剪波形来抵消电荷在硅片表面累计的反向电场。偏置裁剪波电源是非对称的偏置波形发生器,基于等离子体的离子能量分布刻蚀工艺,能实现对晶圆表面电压的直接控制,可显著提高刻蚀选择性,以及在更少功率下实现更高的刻蚀率。我国尚无类似功能的产品。

资料来源:深圳市恒运昌真空技术股份有限公司招股说明书,观研天下整理(WW

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