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引言
半導體零部件是指在材料、結構、工藝、品質和精度、可靠性及穩定性等性能方面達到了半導體設備及技術要求的零部件，如O-Ring密封圈、EFEM （傳送模塊）、RF Gen射頻電源、ESC靜電吸盤、Si硅環等結構件、Pump真空泵、MFC氣體流量計、精密軸承、ShowerHead氣體噴淋頭等。半導體設備由成千上萬的零部件組成，零部件的性能、質量和精度直接決定著設備的可靠性和穩定性，也是我國在半導體制造能力上向高端化躍升的關鍵基礎要素。國內半導體零部件產業起步較晚，我國半導體零部件產業總體水平偏低，高端產品供給能力不足，產品可靠性、穩定性和一致性較差的問題日益凸顯。在全球宏觀政治經濟日益復雜，美國不斷打壓遏制我國高技術產業戰略崛起的背景下，產業被“卡脖子”的現象較為突出，這不僅嚴重制約我國半導體產業向高級化高端化發展，同時對我國數字經濟、民生經濟和國防安全也帶來不可低估的風險。
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半導體零部件主要分類和主要特點
（1）半導體零部件主要分類
半導體零部件是半導體設備的關鍵構成，據不完全統計，目前行業里關于半導體零部件的種類劃分尚未形成標準，目前主要有以下幾種分類方法。
按照典型集成電路設備腔體內部流程來分，零部件可以分為五大類：電源和射頻控制類、氣體輸送類、真空控制類、溫度控制類、傳送裝置類。其中電源和射頻控制類包括射頻發生器和匹配器、直流/交流電源等。氣體輸送類主要包括流量控制器、氣動部件、氣體過濾器等。真空控制類包括干泵/冷泵/分子泵等各種真空泵、控制閥/鐘擺閥等各類閥件、壓力計以及O-Ring密封圈。溫度控制類則包括加熱盤/靜電吸盤、熱交換器及升降組件。傳送裝置類包括機械手臂、EFEM、軸承、精密軌道、步進馬達等。
按照半導體零部件的主要材料和使用功能來分，可以將其分為十二大類，包括硅/碳化硅件、石英件、陶瓷件、金屬件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、過濾部件、運動部件、電控部件以及其他部件。其中各大類零部件還包括若干細分產品，例如在真空件里就包括真空規（測量工藝真空）、真空壓力計、氣體流量計（MFC）、真空閥件、真空泵等多種關鍵零部件。
按照半導體零部件服務對象來分，半導體核心零部件可以分為兩種，即精密機加件和通用外購件[1]。精密機加件通常由各個半導體設備公司的工程師自行設計，然后委外加工，只會用于自己公司的設備上，如工藝腔室、傳輸腔室等，國產化相對容易，一般對其表面處理、精密機加工等工藝技術的要求較高；通用外購件則是一些經過長時間驗證，得到眾多設備廠和制造廠廣泛認可的通用零部件，更加具有標準化，會被不同的設備公司使用，也會被作為產線上的備件耗材來使用，例如硅結構件、O-Ring密封圈、閥門、規（Gauge）、泵、Face plate、氣體噴淋頭Shower head等，由于這類部件具備較強的通用性和一致性，并且需要得到設備、制造產線上的認證，因此國產化難度較高。
表1-1總結了在設備及產線上應用數量較多的主要零部件產品以及其主要服務的半導體設備。
表1-1. 主要零部件產品及其主要服務的半導體設備
（數據來源：網絡信息整理） 
（2）半導體零部件產業主要特點
半導體零部件產業通常具有高技術密集、學科交叉融合、市場規模占比小且分散，但在價值鏈上卻舉足輕重等特點。一般而言，設備零部件占設備總支出的70%左右，以刻蝕機為例，十種主要關鍵部件占設備總成本的85%。是半導體產業賴以生存和發展的關鍵支撐，其水平直接決定我國在半導體產業創新方面的基礎能級。
a.技術密集，對精度和可靠性要求較高。
相比于其他行業的基礎零部件，半導體零部件由于要用于精密的半導體制造，其尖端技術密集的特性尤其明顯，有著精度高、批量小、多品種、尺寸特殊、工藝復雜、要求極為苛刻等特點。由于半導體零部件的特殊性，企業生產經常要兼顧強度、應變、抗腐蝕、電子特性、電磁特性、材料純度等復合功能要求。同樣一個部件，如果用在傳統工業中可行，但是用在半導體業中，對關鍵零部件在原材料的純度、原材料批次的一致性、質量穩定性、機加精度控制、棱邊倒角去毛刺、表面粗糙度控制、特殊表面處理、潔凈清洗、真空無塵包裝、交貨周期等方面要求就更高，造成了極高的技術門檻。例如隨著半導體加工的線寬越來越小，光刻工藝對極小污染物的控制苛刻到極致，不光對顆粒嚴格控制，嚴控過濾產品的金屬離子析出，這對半導體用過濾件生產制造提出了極高的要求。目前半導體級別濾芯的精度要求達到1納米甚至以下，而在其他行業精度則要求在微米級。同時半導體用過濾件還需要保障的一致性，以及耐化學和耐熱性，極強的抗脫落性等，從而實現半導體制造中需要的可重復高性能，一致的質量和超純的產品清潔度等高要求。
b.多學科交叉融合，對復合型技術人才要求高。
半導體零部件種類多，覆蓋范圍廣，產業鏈很長，其研發設計、制造和應用涉及到材料、機械、物理、電子、精密儀器等跨學科、多學科的交叉融合，因此對于復合型人才有很大需求。以半導體制造中用于固定晶圓的靜電吸盤為例，其本身是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料，但同時還需加入其他導電物質使得其總體電阻率滿足功能性要求，這就需要對陶瓷材料的導熱性，耐磨性及硬度指標非常了解，才能得到滿足半導體制造技術指標的基礎原材料；其次陶瓷內部有機加工構造精度要求高，陶瓷層和金屬底座結合要滿足均勻性和高強度的要求，因此對于靜電吸盤的結構設計和加工，需要精密機加工方面的技能和知識；而靜電吸盤表面處理后要達到0.01微米左右的涂層，同時要耐高溫，耐磨，使用壽命大于三年以上，因此，對表面處理技術的掌握與應用的要求也比較高。由此可見，復合型、交叉型技術人才是半導體零部件產業的基礎保障。
c.碎片化特征明顯，國際領軍企業以跨行業多產品線發展和并購策略為主。
相比半導體設備市場，半導體零部件市場更細分，碎片化特征明顯，單一產品的市場空間很小，同時技術門檻又高，因此少有純粹的半導體零部件公司。國際領軍的半導體零部件企業通常以跨行業多產品線發展策略為主，半導體零部件往往只是這些大型零部件廠商的其中一塊業務。例如MKS儀器公司，在氣體壓力計/反應器、射頻/直流電源、真空產品、機械手臂等產品線均占據主要市場份額，除了半導體行業的應用，還廣泛地應用于工業制造、生命與健康科學等領域。而不斷的進行并購和整合也是國際領軍半導體零部件企業用來壯大規模的主要手段，例如國際領先的工業設備公司Atlas（阿特拉斯科普柯，瑞典）為持續做大其半導體用真空泵業務，繼2014年收購Edwards后，又于2016年收購了另一家真空技術領域的領導者德國leybold（萊寶），并于2017年單獨設立真空技術部門，2019年7月Atlas又再次收購了Brooks（布魯克斯）的低溫業務，此次收購包括低溫泵運營公司、以及Brooks在愛發科低溫真空（Ulvac Cryogenics）有限公司50%的股份，進一步增強了其半導體領域真空業務的全球競爭力。
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半導體零部件市場規模和發展格局
（1）全球半導體零部件市場規模及格局
全球半導體零部件市場按照服務對象不同，主要包括兩部分構成。一是全球半導體設備廠商定制生產或采購的零部件及相關服務。根據VLSI提供的數據，2020年半導體設備的子系統市場銷售規模接近100億美元，其中維修+支持服務占46%，零部件產品銷售占32%及替換+升級占22%。二是全球半導體制造廠直接采購的作為耗材或者備件的零部件及相關服務。根據芯謀數據[2]，2020年，中國大陸8寸和12寸晶圓線前道設備零部件采購金額超過10億美元。我國制造產能占全球的比例在12-15%左右，考慮到先進工藝帶來的高附加值零部件采購需求，全球8寸和12寸晶圓線前道設備零部件采購金額至少在100億美元以上。因此疊加兩部分半導體零部件銷售市場，可以看出全球半導體零部件市場在200億-250億美元甚至更大的規模。
盡管半導體零部件市場總體規模僅為到全球半導體接近5000億美元市場規模的不足5%，但零部件的價值通常是自身價格的幾十倍，具有很強的產業輻射能力和影響力。另外，半導體零部件關鍵技術反映一個國家工業和半導體設備的技術水平，具有十分重要的戰略地位，其技術進步是影響到下游數字經濟和信息應用行業技術創新的先決條件。
根據VLSI的數據[3]，2020年全球半導體零部件領軍供應商前10中（見表2-1），包括有蔡司ZEISS（光學鏡頭），MKS儀器（MFC、射頻電源、真空產品），英國愛德華Edwards（真空泵），Advanced Energy（射頻電源），Horiba（MFC），VAT（真空閥件），Ichor（模塊化氣體輸送系統以及其他組件），Ultra Clean Tech（密封系統），ASML（光學部件）及EBARA（干泵）。
表2-1.全球前十大半導體零部件廠商排名
（數據來源：各公司年報、網絡信息整理） 
根據圖2-1中VLSI數據，近10年里，前十大供應商的市場份額總和趨于穩定在50%左右。但由于半導體零部件對精度和品質的嚴格要求，就單一半導體零部件而言，全球也僅有少數幾家供應商可以提供產品，這也導致了盡管半導體零部件全行業集中度僅有50%左右，但細分品類的集中度往往在80%-90%以上，壟斷效應比較明顯。例如在靜電吸盤領域，基本由美國和日本半導體企業主導（見表2-2），市場份額占95%以上，主要有美國AMAT（應用材料）、美國LAM（泛林集團），以及日本企業Shinko（新光電氣）、TOTO、NTK等。
圖2-1.全球前十大半導體零部件廠商市場份額占比穩定在50%左右 （數據來源：VLSI）
表2-2.主要零部件產品的全球領先企業名單
（數據來源：江豐電子、網絡信息整理）
（2）我國半導體零部件市場規模及格局
目前我國半導體零部件產業尚處于起步期，整體規模較小。根據芯謀數據[2]，2020年，中國本土晶圓制造廠商（主要包括中芯國際、華虹集團、華潤微電子、長江存儲等）采購8寸和12寸前道設備零部件金額約為4.3億美元。但由于我國本土晶圓制造產能擴充較快，因此預計半導體零部件需求將持續旺盛，按照現有本土晶圓制造產能計劃，到2023年將有50%新增產能。按照設備、產線同時有零部件的采購需求來測算，預計國內半導體零部件市場規模在2023年將超過80億元，到2025年有望超過120億元。
盡管國內半導體零部件市場規模快速增長，但目前我國本土零部件企業的技術能力、工藝水平、產品精度和可靠性遠遠無法滿足國內設備和晶圓制造廠商的需求，整體國產化率還處于較低的水準。一般而言，對于采用定制化設計生產的精密機加件，我國國產化率相對較高。因為國產半導體設備在起步階段，為了盡快實現量產追趕先進水平，往往采用自行設計，然后讓國外（主要是日本，少量韓國）加工商加工的模式。由于半導體設備精密機加件的原材料、加工方式、表面處理方式以及清洗包裝都有特別的要求，國內加工商一時無法滿足，另外還因為日本加工技術供應商有著比較豐富的同類型零件加工經驗，在加工過程中可以發現一些設計中的失誤并且進行調整。后來隨著國內市場逐漸擴大，國內少量半導體設備廠商為了降低成本和保障供應鏈安全，開始逐步培育國內其他行業的加工商開始投身半導體設備精密零部件加工。因此在設備商主導的精密機加件領域，國內零部件廠商進步較快。但對于更加標準化，高度依賴市場競爭的通用外購件來說，國產化率普遍都很低。主要原因在于這些通用外購件的設計和生產要求很高，國產產品即使樣件能夠達到同等水平，但在保證量產的穩定性方面還需要努力。同時由于國內設備企業在國產化上也剛剛取得進展，因此在通用型零部件的采購上還比較被動，主要以國內成熟產品為主，不愿意冒然嘗試國產新制造產品[1]。
上述這些導致我國在半導體零部件核心產品上仍然無法做到“自主可控”的主要原因。據國內主流代工廠數據，目前全年日常運營過程中領用的零部件（括維保更換和失效更換的零部件）達到2000種以上，但國產占有率僅為8%左右。美國和日本占有率分別為59.7%和26.7%。實際上，高端零部件市場主要被美國、日本、歐洲供應商占有；中低端零部件市場主要被韓國、中國臺灣供應商占據。靜電吸盤是晶圓制造廠的關鍵非消耗零部件，單價高達數萬甚至數十萬美元，目前還國內沒有一家企業能做出相關的成熟產品，就連靜電吸盤所用的氮化鋁陶瓷原材料也遠達不到要求的技術指標，對外的依賴度達99%以上。另外盡管我國真空泵產業規模已經接近2000億元，但是在半導體用干式真空泵方面仍然需要進口Edwards等企業的高端產品。不過近年來隨著國內半導體產業新建產能及擴產速度加快，疊加新冠疫情造成物流運輸服務受阻導致國外零部件交期不斷延遲，為我國一些具有高成長潛力的國內半導體零部件企業帶來加快進行國產替代的機會。例如江豐電子的ShowerHead和腔體加工業務、科百特的過濾件業務、通嘉宏瑞的干式真空泵業務等。表2-3總結了我國在不同半導體零部件領域的一些企業。
表2-3.國內主要半導體零部件企業
（數據來源：網絡信息整理）
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半導體零部件國產化面臨的主要問題
（1）對零部件缺乏重視，產業支持政策失位
半導體零部件產業規模總量在數十億規模，相比半導體核心產業鏈環節而言體量較小，產品品種規格繁多，龍頭企業少，產業集中度低，存在的技術問題分散，因而長期以來得不到足夠重視。我國從2014年開始就將推進半導體產業發展上升至國家戰略，隨后至少有超過30個地方政府出臺了促進半導體產業發展的支持政策[9]，但無論是國家層面還是地方層面，政策更多的聚焦在設計、制造封測、設備材料等環節，鮮少覆蓋到半導體零部件產業。在資金方面，零部件企業更是鮮少獲得資本垂青。國家集成電路產業投資基金目前在半導體零部件領域的投資數量比例較小，投資金額不足億元。截止到2020年底，以半導體零部件為主業的零部件上市公司總市值（不足300億元）僅占全部半導體產業鏈企業總市值的1%（超過3萬億元）。
（2）創新能力較為落后，核心技術差距明顯
由于零部件行業長期未收到重視，只能粗放式成長，因此大部分國內零部件企業進入半導體行業主要以提供維修及更換服務、清洗服務為主，整體研發投入力度不夠，創新能力較為落后，長期停留在中低端生產標準和復制國外產品的水平，核心技術差距明顯。據國內某半導體零部件上市公司招股書披露，其全部研發人員數量僅有15人，2016年到2018年研發總投入不到2000萬元，年均研發投入強度不足5%。此外我國半導體零部件產業的創新能力不足還體現在行業標準體系不健全、基礎工藝研究投入嚴重不足，工藝技術獲取渠道不暢，科研與生產實際結合不緊密等諸多問題，制約了半導體零部件產品的結構設計技術、可靠性技術、制造工藝與流程、基礎材料性能研究的創新發展。
表2-4.國內主要半導體零部件技術難點
（數據來源：中芯國際[4]、江豐電子[6]、網絡信息整理） 
（3）工匠人才供給不足，缺乏有效激勵機制
目前我國半導體行業人才缺口達到數十萬人，盡管近年來在半導體人才培養上我國出臺了一系列支持措施，但大量的半導體人才培養主要聚焦在設計、制造、設備和材料環節，對半導體零部件等基礎產業的人才培養仍缺乏重視，在基礎學科的教育制度改革、專業設置、在職工程教育、技術資格認證等方面缺乏統籌規劃和實施力度，零部件職業基礎和從業技能課程安排嚴重不足，同時也缺乏對崇尚求精、求實、求新，精于設計、善于攻堅的工匠精神的引導[5]。此外半導體零部件行業面臨嚴重的人才激勵機制不到位問題。盡管目前國內半導體行業人員總體薪酬水平相比之前有大幅提升，但對于零部件企業所需的機械加工、精密儀器儀表、表面處理等行業，從業人員薪酬普遍大幅低于半導體行業平均水平。根據國內某半導體零部件企業招股書顯示，其上市前僅15名研發人員，核心技術人員年薪僅7.5萬、普通研發人員年薪僅3萬。低薪酬水平導致半導體零部件企業人才流失嚴重，造成基礎件產業后繼乏人，陷入惡性循環。
（4）產業鏈各環節脫節，上游支撐能力不足
半導體零部件通過大規模生產線驗證、實現規模化銷售之前，需要經歷嚴格復雜的驗證程序，因此零部件廠商需要和下游設備、以及制造廠商有很充分的協同合作。目前國內半導體零部件上線驗證程序復雜、過程漫長，制造廠商、設備廠商和國內半導體零部件廠商的配合度不高，欠缺有效溝通與互動，導致雙方對彼此工藝參數與配套匹配性互不掌握，國產替代動力不足。再加上在長期的產品迭代過程中，已有的國外零部件廠商形成了大量的Know-How（技術訣竅）。而國內廠商在后續模仿、試制過程中，通常只能做到形似，因缺乏經驗和關鍵技術而在初期驗證中就被淘汰，無法進入規模化應用[5]。此外，國內半導體零部件廠商無法從原材料和生產設備等配套環節獲得支撐，也影響到其產品的競爭力。半導體零部件一般都是多品種、加工精度要求高的產品，對生產這些零部件的原材料及加工裝備要求高并且價格昂貴。由于我國工業受長期形成的“重主機、輕配套”的思想影響，對零部件上下游配套領域的投入力度嚴重不足，導致我國在零部件的原材料和生產裝備上就與國外拉開差距。例如目前半導體金屬零部件常用的高精度加工中心，我國在加工精度、加工穩定性、幾何靈活度等方面都落后于國外。再比如高端金屬零部件制造原材料鋁合金金屬、鎢鉬金屬，以及石英件的上游原材料高純石英砂原料，基本被美國、日本公司壟斷供應，壟斷性原料供應使得下游材料商/加工商/用戶限于被動。主流石英玻璃材料（管/棒/碇）基本也是來自于美國、德國、日本公司。上游加工設備和原材料的不足導致長久以來我國大部分半導體零部件企業在低技術水平的狀態下運行，原材料和工藝裝備水平不高，先進設備缺乏且不配套，不能保證產品質量的一致性，影響產品質量的提升。
（5）部分制造條件受限，影響向高端化升級
由于半導體制造過程經常處于高溫、強腐蝕性環境中，因此半導體零部件約有一半以上需做表面處理，以提升其耐腐蝕性。例如半導體刻蝕設備的等離子體刻蝕腔室處于高密度、高腐蝕、高活性等離子體環境中，腔室及其組件極易受到等離子體的腐蝕，為了延長這些組件的使用壽命，經常采用在鋁基材料（鋁與鋁合金）表面進行陽極氧化，可以有效地降低等離子體對腔室及其它鋁基材料的腐蝕。而我國日益嚴格的環保要求，對大部分表面處理技術如噴砂，熔射，電鍍，陽極氧化等受控發展，這導致部分高端表面處理工藝，例如微弧氧化，高端噴涂，Y2O3陶瓷涂層等，國內始終差距較大，也直接影響到零部件產品的性能和質量，閥件Valve、氣體噴淋頭Showerhead、陶瓷件Ceramic等零部件，雖然中國廠商可以按照圖紙做成型，但因為無法解決材料和表面處理問題，發展受到基礎的制約。此外，還有部分半導體零部件尖端技術受限于“禁運”影響，國內企業缺少圖紙、缺少精度數據，無法向中高端技術演進躍升，如美MKS公司生產的低壓真空規，一直以來都要申請出口許可證方可購買[6]。
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對我國發展半導體零部件產業的建議
（1）重視頂層設計，引導產業發展
半導體零部件領域，屬于長期對美日等先進國家依賴嚴重的重點“卡脖子”環節，需要更加注重頂層設計。建議通過制定半導體零部件產業發展專項規劃、計劃或路線圖，確定產業發展的長期戰略框架，并在不同時期根據國內外發展狀況制定適宜的政策和規劃從而有序引導產業發展，也引起全社會尤其是市場化資本對半導體零部件產業的重視。
（2）設立產業專項，激發創新活力
要實現半導體零部件產業的快速發展和繁榮，最根本的是要增強自主創新能力，目前我國在半導體零部件領域僅靠模仿和跟蹤的技術之路，已經無法實現半導體供應鏈的全面保障，只有通過自主創新才能實現超越。盡管02專項中已經對一部分零部件企業進行支持[7]，但仍然要進一步加大力度。建議在國家科技計劃中單獨設立半導體零部件產業專項，聯合國內半導體零部件龍頭企業，籌建國家級的零部件技術創新平臺或者研究院，聚集優勢力量瞄準突破口和主攻方向，堅持自主創新研發，著力攻克一批工業基礎件的關鍵核心技術，建立起以企業為主體、產學研用相結合的技術創新體系，從國家層面引導半導體零部件領域前沿技術、基礎性技術、關鍵共性技術的研發。
（3）補足政策缺口，加強投資引導
半導體零部件行業是一個市場競爭充分的行業，國內零部件企業的規模小、數量多、產品利潤薄，新產品新技術的研發投入無法與國際大企業相比，單純靠市場競爭難以獲勝。但在當前的國際地緣政治背景情況下，需要政府實施相關專項政策加以引導和扶持，幫助國內半導體零部件企業迅速壯大。建議對國內半導體零部件企業自主開發完成的重大產品由國家財政和地方財政給予后補助和支持，加強對自主設計產品知識產權的保護，將半導體零部件產品納入政府首臺套采購目錄。鼓勵國內各類產業基金和社會化資本，積極投向半導體零部件企業，通過資本市場助力國內半導體零部件企業發展。
（4）加大人才引培，強化人才供給
全面加強對半導體零部件相關領域的工程型、科研型、以及復合型人才的培養和引進[8]。鼓勵大型科研機構建立半導體零部件方向的研究生教育和博士后工作站，依托國家重大工程項目和重大科技項目培養半導體零部件工程科技領軍人才。倡導企業、學校及科研機構聯合開展職業教育和在職培訓，積極推廣校企合作共同培養技能人才的模式，通過校企間開展訂單教育、集中培訓、定向培養或委托培訓的方式，大量培養半導體零部件的技能人才，加強人才供給。采取多種方式積極引進海外工程科技領軍及緊缺人才，鼓勵地方政府出臺面向半導體零部件領域核心技術骨干和領軍企業家的人才政策，不斷完善人才激勵機制，激發產業發展活力。
（5）推進機件聯動，保障自主供應
推動半導體基礎供應鏈“機件聯動”，徹底扭轉零部件產品與設備、制造業脫節的局面，通過政府引導，鼓勵國內晶圓廠和設備廠切實發揮大生產線組織協調的作用，協同本土零部件廠商通過揭榜掛帥、賽馬、定向攻關等多種方式加強產業鏈的合作，實現主機與基礎件的協調發展。支持由國家或地方政府主導投資的半導體制造或設備類工程項目，優先給予國產半導體零部件產品驗證機會，并給予一定風險補貼。鼓勵機械、電子、化工等領域的設備零部件廠商積極拓展并做大半導體業務，基于自身技術基礎，開發更高端的產品滿足半導體設備所需，進一步夯實和完善產品布局，提升國產零部件的自主供應能力。