在半導體產業(yè)中，半導體制造設備是我國卡脖子的問題，也是重點鼓勵發(fā)展的產業(yè)。近幾年，隨著國家政策的調整，半導體行業(yè)迅速發(fā)展，產業(yè)規(guī)模急速增大，半導體制造設備持續(xù)向精密化、復雜化演變，高精密陶瓷關鍵部件的技術要求也越來越高。
作為半導體生產設備的關鍵部件，精密陶瓷部件的研發(fā)生產直接影響著半導體裝備制造業(yè)乃至整個半導體產業(yè)鏈的發(fā)展。可以說，精密陶瓷部件是整個半導體產業(yè)基礎中的基礎。因此，無論從經(jīng)濟安全角度還是產業(yè)成本角度考慮，要突破我國半導體產業(yè)面臨的“卡脖子”窘境，必須重視精密陶瓷部件等半導體生產設備關鍵部件的國產化發(fā)展。
半導體設備需要大量的精密陶瓷部件。由于陶瓷具有高硬度、高彈性模量、高耐磨、高絕緣、耐腐蝕、低膨脹等優(yōu)點，可用作硅片拋光機、外延/氧化/擴散等熱處理設備、光刻機、沉積設備，半導體刻蝕設備，離子注入機等設備的零部件。半導體陶瓷有氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等，在半導體設備中，精密陶瓷的價值約占16%左右。
氧化鋁在半導體裝備中使用最為廣泛的精密陶瓷材料。具有材料結構穩(wěn)定，機械強度高，硬度高，熔點高，抗腐蝕，化學穩(wěn)定性優(yōu)良，電阻率大，電絕緣性能好等優(yōu)點，在半導體設備中應用廣泛。在半導體刻蝕設備中，刻蝕機腔室材料作為晶圓污染的主要來源，等離子刻蝕對其影響程度決定了晶圓的良率、質量、刻蝕工藝的穩(wěn)定性等等。因此，刻蝕機腔室材料的選用尤為重要。當前，主要采用高純Al?O?涂層或Al?O?陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內部件的防護材料。除了腔體以外，等離子體設備的氣體噴嘴，氣體分配盤和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到氧化鋁陶瓷。
在晶圓硅晶片的搬運中，會應用到氧化鋁陶瓷制成的陶瓷機械手臂。氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷都具備致密質、高硬度、高耐磨性的物理性質，以及良好的耐熱性能、優(yōu)良的機械強度，高溫環(huán)境仍具有良好的絕緣性、良好的抗腐蝕性等物理性能，是用于制作半導體設備機械手臂的絕佳材料。從材料性質來看，碳化硅陶瓷用于制作陶瓷機械手臂較為合適，但是從材料價格、加工難度等經(jīng)濟方面來說，氧化鋁陶瓷機械手臂的性價比更高。此外，在晶圓拋光工藝中，氧化鋁陶瓷可被廣泛應用于拋光板、拋光磨墊校正平臺、真空吸盤等。碳化硅具有高導熱性、高溫機械強度、高剛度、低熱膨脹系數(shù)、良好的熱均勻性、耐腐蝕性、耐磨耗性等特性。碳化硅在高達1400℃的極端溫度下，其仍能保持良好的強度。采用碳化硅陶瓷的研磨盤由于硬度高而磨損小，且熱膨脹系數(shù)與硅晶片基本相同，因而可以高速研磨拋光。
在硅晶片生產時，需要經(jīng)過高溫熱處理，常使用碳化硅夾具運輸，其耐熱、無損，可在表面涂敷類金剛石（DLC）等涂層，可增強性能，緩解晶片損壞，同時防止污染擴散。此外，碳化硅陶瓷還可應用在XY平臺、基座、聚焦環(huán)、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運臂、爐管、晶舟、懸臂槳等。高純氮化鋁陶瓷具有卓越的熱傳導性，耐熱性、絕緣性，熱膨脹系數(shù)接近硅，且具有優(yōu)異的等離子體抗性，產品熱量分布均勻?？蓱糜诰訜岬募訜崞?、靜電夾盤等。
氮化硅(Si3N4）是斷裂韌性高、耐熱沖擊性強、高耐磨耗性、高機械強度、耐腐蝕的材料。可應用于半導體設備的平臺、軸承等部件。二、精密陶瓷在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀
1、半導體設備市場將突破千億美元，陶瓷部件占成本10%以上近期，美國半導體產業(yè)協(xié)會（SIA）表示，2021年全球芯片銷售額達到創(chuàng)紀錄的5559億美元，較上年增長26.2%。該協(xié)會預計，隨著芯片制造商繼續(xù)擴大產能以滿足需求，2022年全球芯片銷售額將增長8.8%。
- 半導體市場迅猛發(fā)展的同時帶飛了上游設備市場。
據(jù)了解，繼2020年同比增長17%以及2021年同比增長39%之后，晶圓廠設備支出預計在2022將繼續(xù)保持增長。SEMI(國際半導體產業(yè)協(xié)會)指出，2022年全球前端晶圓廠設備(不含封裝測試的前道工藝設備，一般為晶圓制造設備)支出預計將超過980億美元，達到歷史新高，連續(xù)第三年實現(xiàn)增長。
- 精密陶瓷已成為半導體設備的關鍵部件，成本占10%以上。
在高端光刻機中，為實現(xiàn)高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復合性、結構穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁鋼骨架水冷板、反射鏡、導軌等，這些關鍵部件一般選用精密陶瓷材料。
在刻蝕設備中，刻蝕機腔室材料作為晶圓污染的主要來源，等離子刻蝕對其影響程度決定了晶圓的良率、質量、刻蝕工藝的穩(wěn)定性等等。因此，研究和開發(fā)出一種極其耐刻蝕腔體材料成為半導體集成產業(yè)以及等離子刻蝕技術中一項極具挑戰(zhàn)的任務。當前，主要采用高純Al?O?涂層或Al?O?陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內部件的防護材料。除了腔體以外，等離子體設備的氣體噴嘴，氣體分配盤和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到精密陶瓷。一臺半導體設備看似是用金屬及塑料打造的，其實里面隱藏著非常多極具技術含量的精密陶瓷部件?？傊?，精密陶瓷在半導體設備中的應用遠比我們想象中要多。目前國外在集成電路核心裝備用精密陶瓷結構件的研發(fā)和應用方面走在前列的公司有日本京瓷、美國CoorsTek、德國BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占據(jù)了集成電路核心裝備用高端精密陶瓷結構件市場份額的70%。京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料體系齊全、性能優(yōu)異、結構復雜、加工精度高等特點，所制造的精密陶瓷結構件幾乎涵蓋了現(xiàn)有結構陶瓷材料體系，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等；結構件的應用領域也幾乎覆蓋了全部集成電路核心裝備，形成了一系列型號齊全、品種多樣的精密陶瓷結構件產品，如美國CoorsTek公司能夠提供光刻機專用組件、等離子刻蝕設備專用組件、PVD/CVD專用組件、離子注入設備專用組件、晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產品；京瓷能夠提供光刻機、晶圓制造設備、刻蝕機、沉積設備（CVD、濺射）、LCD等裝備用精密陶瓷結構件。我國在集成電路核心裝備用精密陶瓷結構件的研發(fā)和應用方面起步較晚，在大尺寸、高精度、中空、閉孔、輕量化結構的結構陶瓷零部件的制備領域有諸多關鍵技術問題有待突破。
