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2023

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精密陶瓷：解決半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問題的關(guān)鍵

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體制造設(shè)備是我國卡脖子的問題，也是重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。近幾年，隨著國家政策的調(diào)整，半導(dǎo)體行業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模急速增大，半導(dǎo)體制造設(shè)備持續(xù)向精密化、復(fù)雜化演變，高精密陶瓷關(guān)鍵部件的技術(shù)要求也越來越高。

作為半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，精密陶瓷部件的研發(fā)生產(chǎn)直接影響著半導(dǎo)體裝備制造業(yè)乃至整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展?？梢哉f，精密陶瓷部件是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。因此，無論從經(jīng)濟安全角度還是產(chǎn)業(yè)成本角度考慮，要突破我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”窘境，必須重視精密陶瓷部件等半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化發(fā)展。


一、精密陶瓷在半導(dǎo)體中的應(yīng)用


半導(dǎo)體設(shè)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(shè)備、光刻機、沉積設(shè)備，半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備，離子注入機等設(shè)備的零部件。半導(dǎo)體陶瓷有氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等，在半導(dǎo)體設(shè)備中，精密陶瓷的價值約占16%左右。
1、氧化鋁(Al?O?)

氧化鋁在半導(dǎo)體裝備中使用最為廣泛的精密陶瓷材料。具有材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，機械強度高，硬度高，熔點高，抗腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，電阻率大，電絕緣性能好等優(yōu)點，在半導(dǎo)體設(shè)備中應(yīng)用廣泛。
在半導(dǎo)體刻蝕設(shè)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(zhì)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(dāng)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(nèi)部件的防護材料。除了腔體以外，等離子體設(shè)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(yīng)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(zhì)、高硬度、高耐磨性的物理性質(zhì)，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(dǎo)體設(shè)備機械手臂的絕佳材料。從材料性質(zhì)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(yīng)用于拋光板、拋光磨墊校正平臺、真空吸盤等。
2、碳化硅(SiC)

碳化硅具有高導(dǎo)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(chǎn)時，需要經(jīng)過高溫?zé)崽幚?，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(yīng)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。
3、氮化鋁(AIN)

高純氮化鋁陶瓷具有卓越的熱傳導(dǎo)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(chǎn)品熱量分布均勻?？蓱?yīng)用于晶片加熱的加熱器、靜電夾盤等。

4、氮化硅(Si3N4)

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(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備的平臺、軸承等部件。
二、精密陶瓷在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀


1、半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）表示，2021年全球芯片銷售額達到創(chuàng)紀(jì)錄的5559億美元，較上年增長26.2%。該協(xié)會預(yù)計，隨著芯片制造商繼續(xù)擴大產(chǎn)能以滿足需求，2022年全球芯片銷售額將增長8.8%。

半導(dǎo)體市場迅猛發(fā)展的同時帶飛了上游設(shè)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(shè)備支出預(yù)計在2022將繼續(xù)保持增長。SEMI(國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會)指出，2022年全球前端晶圓廠設(shè)備(不含封裝測試的前道工藝設(shè)備，一般為晶圓制造設(shè)備)支出預(yù)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(dǎo)體設(shè)備的關(guān)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(fù)合性、結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌等，這些關(guān)鍵部件一般選用精密陶瓷材料。

在刻蝕設(shè)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(zhì)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(dǎo)體集成產(chǎn)業(yè)以及等離子刻蝕技術(shù)中一項極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。當(dāng)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(nèi)部件的防護材料。除了腔體以外，等離子體設(shè)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(dǎo)體設(shè)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(shù)含量的精密陶瓷部件?？傊?，精密陶瓷在半導(dǎo)體設(shè)備中的應(yīng)用遠比我們想象中要多。