前 言
随着特朗普再次胜选，台积电、三星等晶圆厂宣布对大陆企业断供7nm及以下的代工服务，吹响了进一步卡大陆半导体脖子的号角。总的来看，半导体卡脖子分为两类：1.卡新的产能建设：主要是对核心设备和软件卡脖子，例如光刻机、EDA软件等；2.卡现有产能的继续生产：主要是日常生产过程中需要使用的耗材、零部件、维护服务，例如光刻胶、静电吸盘、精密涂层等。
半导体精密涂层（Coating）是通过等离子熔射、PVD等方式将氧化钇等陶瓷粉体材料涂覆在刻蚀、离子注入等设备的真空腔体内部核心零部件表面的技术。Coating主要作用是防止工件在等离子气体等恶劣环境下释放出污染物，污染晶圆，从而提高晶圆生产良率；同时防止工件被环境腐蚀损坏，从而增加工件使用寿命。
在半导体制程进一步精细化的背景下，刻蚀、离子注入等环节对污染物、颗粒物等要求进一步严苛，半导体精密涂层由于其技术壁垒高、国产化率低，成为了卡住现有晶圆生产的套索之一，亟待突破。本文主要是对半导体精密涂层行业做了研究和总结，有不对的地方还请专业人员指正。
一
半导体精密涂层概述
1.1 涂层工艺简介
涂层工艺是指将涂料、薄膜等材料以特定的方法涂布在基体（如陶瓷、金属、塑料、织物等）表面，形成具有特定功能和性能的固态连续膜的一系列操作过程。通过涂层，对工件起到防护、装饰或绝缘等功能性作用。
图1 常见的涂层工艺（永鑫方舟整理）
1.2 什么半导体精密涂层
半导体精密涂层是指通过在设备配件表面进行特殊涂层处理的工艺，半导体精密涂层可以稳定工艺条件和延长产品寿命。半导体精密涂层服务商提供最符合客户工艺的各种涂层技术，抑制颗粒的发生和表面损伤，稳定机室的条件，从而延长产品的寿命、提高生产率和开工率，为节约客户的成本做贡献。
目前的半导体精密涂层技术主要包括以下四种：
图2 半导体精密涂层技术类型
1.2.1 阳极氧化
阳极氧化主要是通过电气化学反应，在铝表面形成老股的氧化铝膜。目前该技术路线技术壁垒相对较低，国产化程度高。阳极氧化的效果图如下：
图3 阳极氧化效果图和主要参数
硫酸法工序：①脱脂和除油：使用酸性脱脂剂（如硫酸或磷酸）对铝件进行处理，以去除表面的油膜，为后续的碱蚀做准备。②碱腐蚀（碱蚀）：使用氢氧化钠溶液对铝件进行处理，以去除表面的自然氧化膜和污物，活化表面。③中和：去除碱蚀后表面的污渍挂灰，以获得比较洁净的表面。④出光：进一步清洁铝件表面，为阳极氧化做准备。⑤硫酸阳极氧化：将铝件置于硫酸电解液中作为阳极进行通电处理，生成多孔蜂窝状的氧化膜。⑥水洗：阳极氧化后，对铝件进行水洗以去除表面的残留物。⑦染色或电解着色：根据需要，对氧化后的铝件进行染色或电解着色，以获得特定的颜色效果。⑧封闭：通过热水封闭处理，增强氧化膜的耐压性能和防护性能。⑨烘干：将处理后的铝件进行烘干，以完成整个阳极氧化过程。
草酸法工序与硫酸法基本相同，主要是在阳极氧化时用草酸点击也替换硫酸电解液，此外对电流密度、槽温度等工艺参数要求不同。
图4 阳极氧化的示意视频
由于草酸中铝的溶解度较小，所以一般草酸法获得的氧化膜较厚，其耐腐蚀性更好。硫酸法的工艺相对简单，成本低，此外该法一般制备的膜硬度和耐磨性较好。
1.2.2 电弧热喷涂涂层
半导体金属涂层一般使用电弧热喷涂涂层（ARC）技术，ARC是热喷涂技术，其利用放电技术瞬间熔化和喷涂低熔点涂层材料，以在产品表面形成薄膜，适用于低熔点金属涂层。
图5 电弧热喷涂涂层原理图
（1-工件；2-涂层；3-喷涂束；4-电弧；5-喷涂丝材；6-导电嘴；7-压缩空气喷嘴）
ARC喷涂过程中，两根丝状喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地送进电弧喷涂枪中的两个导电嘴内，导电嘴分别接电源正、负极，未接触之前要保证两根丝材之间的可靠绝缘。在电源电压保持恒定时，由于电流的自调节特性，电弧电流跟随发生频繁地波动，自动维持金属丝的熔化速度。两丝材端部互相接触时将短路并产生电弧，瞬间熔化并被压缩空气雾化呈微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。
图6 半导体金属涂层的效果
（图中为Komico的ARC业务，包括传统ARC以及其推出另两种ARC技术效果）
图7 半导体金属涂层示意视频（ARC技术）
1.2.3 陶瓷涂层
陶瓷涂层由于陶瓷粉体的熔点高，常规的ARC技术的电弧无法将陶瓷粉体加热到合适的数千度高温，所以无法适用。陶瓷涂层技术普遍采用的是等离子喷涂（PS coating），其中主要包括大气等离子喷涂（APS）和超音速等离子喷涂（SPS）。在部分高端场景下，为了进一步减小涂层的孔隙率和耐用性，部分工件会采用气浮沉积法（AD喷涂）、物理气相沉积（PVD）甚至原子层沉积（ALD）技术进行coating。此外，工艺工程师们也在探索搭配的方式进行涂层，比如先使用AD喷涂打底，再使用APS喷涂增厚等，实现性能和成本的权衡。
1.2.4等离子喷涂
大气等离子喷涂(APS)是应用最早、最广的一种热喷涂技术，整个喷涂过程在大气环境下进行。APS通常利用Ar、N2和He作为工作介质，其核心部件是等离子喷枪，工作原理是在阳极和阴极之间通入上述工作气体作为介质，使其电离并产生等离子弧，通过等离子弧的作用进一步将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态后进行喷涂。目前常见的半导体APS喷涂材料包括氧化铝、氧化钇、YAG（氧化铝+氧化钇）、氟化钇、氟氧化钇。
图8 大气等离子喷涂示意图和视频
APS制备的涂层因具有较高的结合强度等特点。APS的喷涂焰流具有较高的温度，但其喷涂过程中微粒的飞行速度较低（约300 m/s），导致微粒在焰流中易出现氧化、分解或过热等问题，难以满足较高的工况要求。因此，工业界在其基础上推出了微粒飞行速度更高的超音速等离子喷涂（SPS）。
超音速等离子喷涂(SPS)技术是利用等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”可以得到稳定聚集的超音速等离子射流，相比于大气等离子喷涂，微粒飞行速度更高，微粒以更大的动能撞击基体，有利于产生更强烈的钉扎作用和更好的铺展，涂层致密度和结合强度也就更高。目前常见的SPS涂层使用的材料为氧化钇、氟化钇。
图9 超音速等离子喷涂枪示意图
采用SPS技术制备出的涂层具有致密的层状结构、较高的粘接强度等优异性能，它不仅适用于制备高熔点陶瓷涂层，还适用于制备金属-陶瓷复合涂层和常规金属涂层。因此SPS已经成为较前沿的半导体热喷涂技术，并得到市场认可。不过SPS技术虽可制备出结构致密且结合强度高的涂层，但是在喷涂过程中仍存在碳化物脱碳、粉末氧化等问题。因此，鉴于SPS具备较高的技术壁垒，业界普遍认为能不能为客户提供稳定的SPS喷涂服务，是涂层厂商的试金石之一。
1.2.5 气浮沉积法
气浮沉积法（AD喷涂）于1999年在日本发明并应用在MEMS的生产过程中，主要用于铁电涂层的制备。相较于APS和SPS，AD喷涂可以生成小于10um厚度的涂层，且孔隙率几乎为0。由于APS和SPS需要对粉体加热，加热后粉体与空气接触会出现氧化、碳化现象，导致涂层出现杂质，同时在形成涂层时会有空气在其中，形成孔隙。因此半导体界探索引入AD喷涂到高端的陶瓷粉体涂层中。目前常见的AD涂层使用的材料为氧化钇。
图10 AD喷涂系统的示意图
AD喷涂系统主要由气体分配单元、亚微米粉末送粉器（气溶胶发生器）、低压沉积腔室、移动平台和真空泵组成，如图10所示。工作时，将运载气体（如 He、N2、O2、空气或混合气体）通入送粉器，通过亚微米粉末送粉器将粉末颗粒分散到运载气体中，随后被运送到低压沉积腔室，分散的颗粒通过喷嘴加速作用获得数百米每秒的速度，最终与基体或已沉积涂层发生碰撞并沉积。低压沉积腔室含有三维移动平台，可以通过移动平台实现对薄膜制备范围的控制或进行图案化薄膜的制备。决定涂层是否成功沉积的主要参数有粉末粒度与形态、载气种类、耗气流量、喷嘴结构与尺寸和喷涂距离等。
AD法对粉体的要求高，为了实现AD喷涂高质量、大面积的涂层制备，需要均匀分散的固体颗粒。在粉体材料上，AD法采用粒径范围为数十纳米至几微米的粉末原料，从而实现减少孔隙率，获得更致密的涂层。但是该粒径范围的粉末颗粒具有较高的表面能，受表面静电和范德华力作用的影响，容易发生团聚形成软团聚颗粒，很少以单个颗粒的形式存在。因此需要气溶胶发生器将粉体分散开来。随着技术演进，目前半导体行业使用造粒后的粒状颗粒代替亚微米颗粒作为喷涂粉末。但是该方法也导致对陶瓷粉体原材的要求更高。
图11 AD喷涂作用机理
图12 AD喷涂的示意视频
1.2.6 物理气相沉积
物理气相沉积（PVD）是在真空或低气压气体放电条件下，涂层的物质源（靶材）经过“蒸发或溅射后”，在零件表面生产与基材性能完全不同的新涂层的过程。PVD技术主要分为磁控溅射、电子束蒸发、激光热蒸发、热蒸发。目前常见的PVD涂层使用的材料为氧化钇、氟氧化钇。
图13 PVD涂层原理图
目前半导体精密涂层主要使用电子束蒸发的技术路线。在加工过程中，电子枪产生高速电子束，对电子束进行加速和聚焦后，使其获得足够的能量，然后让电子束轰击靶材，使靶材分子蒸发溅射出来，在基片上沉积，形成涂层。
PVD涂层由于设备价值高，镀膜速度慢，导致其成本相对较高。但由于其镀膜均匀性、孔隙率、均表现优异，因此PVD涂层一般应用于部分高端部件的加工中。
原子层沉积（ALD）也在部分关键部件的涂层中被应用，但是由于其成本远远高于其他工艺，因此需求量较少。
图14 各陶瓷喷涂技术的效果
1.3半导体精密涂层的关键指标
由于半导体精密涂层一般是在真空腔体中，直接暴露在加工的晶圆或面板面前，因此对于下游客户来说，验证半导体精密涂层效果的指标主要包括上机后对生产良率影响以及使用寿命。
客户在上机测试验证前，也会通过物理特征对供应商提出要求和筛选。
（1）粗糙度：即涂层表面的粗糙度，半导体级涂层的算术平均粗糙度Ra一般单位是微米级。目前成熟的半导体供应商，他们的APS涂层，一般可以做到10微米以下粗糙度；对于SPS涂层，可以做到0.4微米以下；对于AD涂层，可以做到0.5微米以下；对于PVD涂层，可以做到0.1微米及以下。
（2）孔隙率：即内部孔隙占总体积的比例。目前成熟的半导体供应商，对于 APS涂层，一般可以小于5%；对于SPS涂层， AD涂层，孔隙率几乎为0；对于PVD涂层，孔隙率为0。
（3）硬度：跟材料和工艺的关系都比较大，如果是氧化铝的涂层，通过APS涂层可以使硬度超过700Hv。通过SPS涂层，也可以使氧化钇硬度超过750Hv。对于AD、PVD、ALD涂层，由于涂层成本高，客户使用时的硬接触较少，对硬度一般无特别高要求。
（4）体积电阻：体积电阻跟材料、孔隙率有直接关系，由于陶瓷涂层材料本身都是绝缘体，电阻率高。常见的APS氧化钇涂层，体积电阻达到10^11-12级
此外，比较常见的特征，比如颜色（一般跟材料颜色直接相关，PS涂层下氧化铝、氧化钇是白色，YAG、氟化钇、氟氧化钇是象牙色；AD涂层下氧化钇是透明色或者白色；PVD下，氧化钇和氟氧化钇是透明色或白色），耐等离子体性（PVD、AD、SPS的性能都非常好，APS相对弱一些，其中APS中又根据材料不同而不同，一般氟化钇、氟氧化钇、YAG为佳，氧化钇效果次之，氧化铝效果一般）。
1.4 半导体精密涂层的技术壁垒
通过上面的介绍可以看出，阳极氧化、金属涂层的技术壁垒相对较弱，目前国内核心需要突破的是半导体的陶瓷涂层技术，该技术的技术壁垒主要有以下四点：
1）材料壁垒：陶瓷涂层的原材料包括氧化钇（Y2O3）、YAG、SIO2、YF3。由于半导体领域对孔隙率、一致性、杂质含量等要求高，目前半导体级特殊涂层的陶瓷粉体大部分为海外进口。以国内某半导体零部件上市公司为例，据其招股说明书显示，其主要服务面板企业的涂层业务，半导体级暂未量产，其氧化钇粉体100%依赖进口。此外，值得一提的是，目前国内部分公司号称可以自研粉体，但是其原材是从海外进口，自己只是做了干燥等工艺，不涉及球磨和造粒等核心工序；自研粉体后，粉体是否可以搭配工艺完成涂层实现量产销售，也可以进一步证明是否是有效的自研。
2）工艺壁垒：陶瓷涂层工艺存在大量know-how，不同的喷涂材料配比对应不同的加工工艺等要求。由于以前半导体设备均为国外进口，日韩等coating厂商服务，积累了大量的工艺know-how经验。
3）设备壁垒：由于各家工艺是自身核心能力，各家的涂层设备也需要自己改造，从而达到自身工艺需求。
4）客户壁垒：由于半导体客户对供应商验证周期长，且涂层对生产良率影响较大，对价格的敏感度也不是很高。此外，涂层厂商还需要配合设备厂商或者晶圆厂改进适配涂层工艺，对涂层厂商的研发能力和稳定供货能力都会考虑。因此，一般晶圆厂或者设备厂商不会轻易更换供应商。导致新玩家导入起来相对困难。
1.5 半导体精密涂层的应用
在半导体领域，前道工艺的核心工艺光刻、刻蚀、离子注入等设备的零部件均需要涂层。
等离子体刻蚀技术在纳米量级的IC制造和微纳制造工艺中广泛应用。随着刻蚀气体中含氟等离子体能量的提高，高能含氟等离子体会侵蚀腔体和腔体内部件，缩短部件的使用寿命；同时腐蚀过程中会生成难挥发的氟化物沉积在晶圆表面，同时也增加了晶圆的污染。因此，刻蚀机腔体和腔体内部件材料的耐等离子体刻蚀性能变得至关重要。氧化钇等涂层主要起到耐腐蚀的作用。但是由于刻蚀腔体内plasma强度高，因此涂层的PM周期短。
因此，真空腔体零部件需要涂层、维护再生、更换的包括：下电极（ESC）、壁板、门、衬套等零部件。
图15 半导体生产工艺和刻蚀设备结构示意图
精密涂层的生产工艺流程：
图16 半导体生产工艺和刻蚀设备结构示意图
半导体精密涂层工艺属于表面处理业务之一。在进行精密涂层前，一般需要进行精密清洗（图16中未体现）。对于大部分的国内精密涂层服务企业（目前主要以面板客户为主），目前尚不具备自主生产粉体的能力。当客户需要涂层服务时，涂层厂商一般使用自己的货车，货车有合适的包装装载待加工工件，运输到自己的工厂进行精密涂层加工。相较于精密清洗来说，精密涂层的频次低一些、服务单价高，因此精密涂层服务商不需要就近服务。
精密涂层的使用寿命跟晶圆厂或面板厂的工艺和产能利用率直接相关。以某晶圆厂为例，刻蚀是需求涂层最多的工艺设备，几乎每9个月左右就需要进行一次精密涂层，如果更先进的制程，可能6个月就需要一次精密涂层服务；PVD和CVD的工艺设备中零部件的涂层寿命相对长一些，可能2年左右需要一次涂层服务。
在显示面板领域，为了控制污染，提升生产良率，很多部分需要进行表面处理，其中刻蚀工艺和CVD由于对零部件镀层破坏性最大，所以需求较多。
对于面板厂来说，也是干刻设备中需要的涂层服务多一些。由于面板厂的刻蚀工艺的制程偏低，对涂层的消耗比半导体少，且近两年面板厂的产能利用率不是非常高，所以业务量上相对少。
对于半导体设备这类客户，涂层服务的业务量跟他们的机台销量直接相关。由于晶圆厂的维护再生需求（成本低）和设备厂卖新机台需求（收入来源）存在悖论，对精密涂层服务商来说，未来可能需要选择自身定位。以美国应用材料公司为例，其一般会绑定固定的涂层服务商（目前主要是日本企业），该供应商不可以直接给晶圆厂服务。目前国内半导体设备厂商在快速发展，但体量相较于应材、TEL等公司来说还有差距，因此未对精密涂层服务商进行强制约束。
精密涂层是一项平台型技术，除了做零部件的涂层服务外，还可以用于一些产品的生产过程中，比如面板领域的下部电极等。
二
半导体精密涂层行业情况
2.1 产业链
图17 精密涂层产业链图（永鑫方舟整理）
精密涂层服务商的上游：对于未掌握粉体制备能力的公司，其上游主要为陶瓷粉体/金属粉体；对于掌握粉体制备能力的公司，他们的上游原材料主要为陶瓷原粉（包括陶瓷坯料、原材、粉末等）。
精密涂层服务商位于中游：对于涂层服务而言，当客户为晶圆厂时，主要做的时设备的涂层再生业务，其为客户提供零部件的精密清洗、阳极氧化、特殊涂层等一整套服务；当客户为设备厂商时，主要为设备厂商提供新机台零部件的涂层服务，还为设备厂商提供维保的涂层再生服务，但由于一般涂层的维保市场仅千余小时，所以维保部分的业务量相对较少。
下游：终端用户为显示面板厂和晶圆厂，他们通常是进行设备零部件的涂层再生，例如长鑫、长存、京东方、维信诺等。设备厂商是新设备的零部件涂层加工，例如北方华创、中微等。
2.2 市场空间
半导体特殊涂层服务+面板领域的表面处理，大陆市场规模2024年为34.13亿元（12.13亿+22亿），预计2030年为51.45亿元（23.14亿+28.31亿），全球市场规模超百亿。由于地缘政治因素，国外的涂层供应商也在主动撤离大陆市场，在涂层技术和成本没问题的前提下，国内半导体晶圆厂、设备厂商也在逐步进行国产化切换，因此给了国内涂层服务供应商更多的市场机会。
2.2.1全球半导体市场空间
1）据QYResearch显示，2024年全球半导体设备零部件熔射服务市场规模为8.03亿美金（约56.23亿人民币），预计2030 年全球半导体设备零部件熔射服务市场规模将达到11.2亿美元（约合78.4亿人民币），未来几年年复合增长率CAGR5.7%。
2）据QYResearch显示， 2024年全球半导体设备零部件PVD和ALD涂层服务市场规模为0.59亿美金（约4.13亿人民币），预计2030年全球半导体设备PVD和ALD涂层服务市场规模将达到0.9亿美元（约6.3亿人民币），未来几年年复合增长率CAGR为7.4%。
3）即半导体市场，涂层服务市场规模2024年为60.36亿元人民币，预计2030年市场空间为84.7亿元人民币。
图18 全球半导体精密涂层市场空间
市占率上
据QYResearch显示，2022年，全球半导体设备零部件熔射服务市场前十强厂商占有大约69.0%的市场份额。
据QYResearch显示，2022年，全球半导体设备零部件PVD和ALD涂层服务市场前十强厂商占有大约75.0%的市场份额。
图19 全球半导体精密涂层市占率情况
2.2.2 大陆半导体市场空间
根据半导体研究机构Knometa Research的报告，2023年底，大陆半导体晶圆产能占全球产能的19.1%，预计2026年将成为全球最大的晶圆制造区域，占比达到22.3%，如右图所示。据此测算，2024年半导体涂层服务市场规模12.13亿元，如果2026-2030年国内的产能占比保持22-26年的CAGR=5.21%增长，则2030年大陆产能占比将达到27.32%，预计2030年大陆半导体涂层市场规模将达到23.14亿元。
图20 大陆半导体精密涂层市场空间
2.2.3大陆显示面板市场空间
1）参考珂玛招股书，2021年显示面板设备表面处理市场的市场规模约为21亿元。但本土企业服务份额已经超过50% 。
2)按照头豹研究的数据测算，2024年，我国面板设备表面处理市场为22亿元。按照2021-2028年的CAGR=3.3%，则2030年预计我国面板设备表面处理市场为28.31亿元。
图21 大陆显示面板产量2021-2028E
2.3 行业玩家
下表列示了部分行业玩家情况：
三
永鑫观点
随着电力电子、信息技术的快速发展，半导体产品渗透在了各行各业，半导体行业撬动千万亿的市场，而半导体行业本身也有数万亿的市场。精密涂层行业支撑着半导体现有产能的运行和新建产能设备制造。因此，精密涂层是国内关键晶圆厂眼中仅次于ESC的卡脖子技术。该技术在材料、工艺等方面有较高的技术壁垒，导致目前在半导体领域国产化程度低。永鑫方舟持续关注国内半导体精密涂层领域的发展，积极服务相关的优质企业，助力国内半导体实现自主可控。
永鑫未来也会持续关注“芯”、“车”、“碳”产业链，深入挖掘产业链上下游优质企业，持续助力中国实体经济。对于已投企业，永鑫将一如既往的从人力、供应链、订单等多方面助力企业发展“让创业不再艰难”。
参考资料：
1. 珂玛科技招股说明书；
2. 中国粉体网；
3. 成都超纯官网；
4. 马凯，《真空冷喷涂技术及其在功能器件中的应用》
5. 知乎：哪种热喷涂技术更适合制备耐磨涂层？（粉体圈）
6. 知乎：浅谈等离子热喷涂①-Y2O3氧化钇涂层
7. Komico官网、世禾官网；
8. 高芯众科官网；
9. QYResearch，《半导体设备零部件熔射/PVD/ALD服务全球市场总体规模》
10.头豹研究所
11. 富乐德招股说明书。
