中國粉體網(wǎng)訊 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)、政治和國防安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，制造裝備具有極其重要的戰(zhàn)略地位。以光刻機(jī)為代表的半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備是現(xiàn)代技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，其設(shè)計(jì)和制造過程均能體現(xiàn)出包括材料、機(jī)械加工等在內(nèi)的諸多相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的最高水平。例如，對于材料而言，半導(dǎo)體制造關(guān)鍵裝備要求零部件材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，且致密均勻無缺陷。
圖片來源：pexels
其中，精密陶瓷就是最具代表性半導(dǎo)體精密部件材料。
何為半導(dǎo)體精密部件？
半導(dǎo)體零部件是指在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、品質(zhì)和精度、可靠性及穩(wěn)定性等性能方面達(dá)到了半導(dǎo)體設(shè)備及技術(shù)要求的零部件，如 O 型密封圈、傳送模塊、射頻電源、靜電吸盤、硅/碳化硅環(huán)、真空泵、氣體流量計(jì)、精密軸承、氣體噴淋頭等。半導(dǎo)體設(shè)備由成千上萬個(gè)零部件組成，零部件的性能、質(zhì)量和精度直接決定著設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，也是我國在半導(dǎo)體制造能力上向高端化躍升的關(guān)鍵基礎(chǔ)要素。
按照半導(dǎo)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(yùn)動部件、電控部件以及其他部件。
主要零部件產(chǎn)品及其主要服務(wù)的半導(dǎo)體設(shè)備
從上表我們可以看到，精密陶瓷部件在化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、刻蝕等一系列半導(dǎo)體主要制造環(huán)節(jié)均有重要應(yīng)用。ESC靜電吸盤同樣是貫穿于幾大重要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部件，在上表中它雖然沒有歸于“陶瓷件”一類，但據(jù)粉體網(wǎng)編輯了解，目前陶瓷材料是靜電吸盤最熱門的主體材料。
精密陶瓷可做成哪些精密部件？
在高端光刻機(jī)中，為實(shí)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)鍵部件一般選用陶瓷材料。
掃描電機(jī)水冷骨架
光刻機(jī)方鏡
在刻蝕設(shè)備中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤，噴嘴，絕緣環(huán)，蓋板，聚焦環(huán)和靜電吸盤等。隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類等離子體能量的逐漸提高，刻蝕機(jī)工藝腔和腔體內(nèi)部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來越重要。相對于有機(jī)和金屬材料，陶瓷材料一般都具有較好的耐物理和化學(xué)腐蝕性能以及很高的工作溫度，因而在半導(dǎo)體工業(yè)中，多種陶瓷材料已成為半導(dǎo)體單晶硅片制造工序和前道加工工序的設(shè)備核心部件制造材料。
圖片來源：日本京瓷
日本丸和制造的碳化硅環(huán)
靜電吸盤，圖片來源：海拓創(chuàng)新
再比如，陶瓷劈刀是引線鍵合過程中的必不可少的工具，其中部分廠家的陶瓷劈刀主要成分為氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁，其微觀結(jié)構(gòu)均勻而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化鋯的含量和均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)促使鋯摻雜的陶瓷劈刀具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數(shù)。
陶瓷劈刀，來源：三環(huán)集團(tuán)
一臺半導(dǎo)體設(shè)備看似是用金屬及塑料打造的，其實(shí)里面隱藏著非常多極具技術(shù)含量的精密陶瓷部件。總之，精密陶瓷在半導(dǎo)體設(shè)備中的應(yīng)用遠(yuǎn)比我們想象中要多。
哪些陶瓷材料最受歡迎？
氧化物陶瓷
據(jù)了解，半導(dǎo)體設(shè)備中會用到大量的氧化物陶瓷精密部件。
例如氧化鋁材料，高純Al2O3涂層或Al2O3陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內(nèi)部件的防護(hù)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。而在晶圓拋光工藝中，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。
氧化鋁拋光板，來源：日本京瓷
此外，上面我們說了，氧化鋯陶瓷作為劈刀的主要制造材料，是引線鍵合過程中的必不可少的工具。
碳化硅陶瓷
碳化硅材料具有極高的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機(jī)械加工至優(yōu)良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機(jī)等半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件材料具有極大的優(yōu)勢。
碳化硅微動臺本體組件
氮化硅陶瓷
作為一種共價(jià)鍵化合物，其熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高、抗化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經(jīng)過熱壓燒結(jié)的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強(qiáng)度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會熔成融體，到1900℃才會分解。因此，氮化硅陶瓷被稱為是“綜合性能最好的陶瓷材料”，在半導(dǎo)體設(shè)備中被用以制造平臺、導(dǎo)軌、軸承等部件。
氮化鋁陶瓷
圖片來源：海拓創(chuàng)新
目前的靜電吸盤主要采用氧化鋁陶瓷作為主體制造材料，而氧化鋁材料熱導(dǎo)率及相關(guān)機(jī)械性能不及氮化鋁陶瓷，因此采用氮化鋁陶瓷替代氧化鋁陶瓷作為靜電吸盤的制造材料將成為趨勢。
市場及競爭格局
半導(dǎo)體設(shè)備市場
根據(jù)美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）消息，2021年全球芯片銷售額達(dá)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(jì)，隨著芯片制造商繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能以滿足需求，2022年全球芯片銷售額將增長8.8%。
在設(shè)備方面，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(jì)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(jì)將超過980億美元，達(dá)到歷史新高，連續(xù)第三年實(shí)現(xiàn)增長。
當(dāng)前全球競爭格局
目前國外在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高等特點(diǎn)，所制造的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件幾乎涵蓋了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷材料體系，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等；結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，如美國CoorsTek公司能夠提供光刻機(jī)專用組件、等離子刻蝕設(shè)備專用組件、PVD/CVD專用組件、離子注入設(shè)備專用組件、晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產(chǎn)品；京瓷能夠提供光刻機(jī)、晶圓制造設(shè)備、刻蝕機(jī)、沉積設(shè)備（CVD、濺射）、LCD等裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件。
我國在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)用方面起步較晚，在大尺寸、高精度、中空、閉孔、輕量化結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)陶瓷零部件的制備領(lǐng)域有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題有待突破。
我國面臨的問題
研發(fā)體系不健全，具備研發(fā)實(shí)力的核心企業(yè)長期缺位
在科研層面，我國清華大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所等科研院單位在精密陶瓷研發(fā)方面雖然有很好的積累，但上世紀(jì)九十年代末之后研發(fā)投入幾乎停止，精密陶瓷應(yīng)用收窄，高端產(chǎn)品止步于實(shí)驗(yàn)室而難以量產(chǎn)。在企業(yè)層面，陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈長期存在大而不強(qiáng)的問題，尤其原料環(huán)節(jié)陶瓷粉體制備水平較日本、德國等仍然差距很大，目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)陶瓷基本限于大量低端陶瓷制品，而且規(guī)模都不突出，難以具備足夠的研發(fā)實(shí)力。
國產(chǎn)部件與材料進(jìn)入采購體系的難度大
目前，國內(nèi)半導(dǎo)體系統(tǒng)、制造及封測廠商慣性采購國外設(shè)備與部件，國內(nèi)部件產(chǎn)品正處于關(guān)鍵的摸索提升期，短期難以通過設(shè)備龍頭企業(yè)的OEM品質(zhì)認(rèn)證，更需要國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈骨干企業(yè)的耐心參與及聯(lián)合培育。
關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入有待加強(qiáng)
由于研發(fā)周期長、開發(fā)難度大等因素，目前，對精密陶瓷部件等關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入不足。以國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金為例，對裝備及材料產(chǎn)業(yè)的投入僅占其投資總額的3%，這與其地位作用不匹配。
對我國半導(dǎo)體精密陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議
培育潛力企業(yè)，發(fā)揮行業(yè)帶動作用
建議國家有關(guān)部門在落實(shí)《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》中，進(jìn)一步加大對精密陶瓷部件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)的支持。通過整合科研系統(tǒng)與行業(yè)協(xié)會、聯(lián)盟，在全國范圍內(nèi)集中資源優(yōu)先甄選扶植一批具有國際競爭力的潛力企業(yè)，從而帶動全行業(yè)企業(yè)發(fā)展。
加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同，整合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)資源
建議國家有關(guān)部門鼓勵國有裝備、材料、化工等大型企業(yè)參與精密陶瓷行業(yè)發(fā)展。制定裝備及配件國產(chǎn)化的指導(dǎo)性目標(biāo)，建立財(cái)政引導(dǎo)與科技保險(xiǎn)相結(jié)合的關(guān)鍵部件材料國產(chǎn)化引導(dǎo)機(jī)制，通過政府財(cái)政與市場化保險(xiǎn)產(chǎn)品的保障支持，鼓勵國內(nèi)半導(dǎo)體裝備企業(yè)采購國產(chǎn)精密陶瓷部件。鼓勵企業(yè)及院校聯(lián)合建立技術(shù)研發(fā)與檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)，加快建立精密陶瓷等關(guān)鍵部件及材料國產(chǎn)化的科技服務(wù)體系。
強(qiáng)化涉企保障，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境
建議國家有關(guān)部門在精密陶瓷產(chǎn)業(yè)聚集地設(shè)立知識產(chǎn)權(quán)協(xié)助中心，通過縮短知識產(chǎn)權(quán)審核授權(quán)周期、加大侵權(quán)懲戒力度等方式，指導(dǎo)并協(xié)助企業(yè)處理知識產(chǎn)權(quán)糾紛，保護(hù)研發(fā)創(chuàng)新動力。吸引精密陶瓷重點(diǎn)企業(yè)落戶保稅區(qū)，通過有限區(qū)域的稅收政策差異化，緩解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的研發(fā)攻關(guān)成本壓力。同時(shí)，圍繞精密陶瓷企業(yè)專業(yè)技術(shù)人才培育，加強(qiáng)政策統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，支持地方做好核心團(tuán)隊(duì)成員的落戶、子女就學(xué)、醫(yī)療等配套保障，尤其是從國外領(lǐng)先企業(yè)的引進(jìn)人才團(tuán)隊(duì)的服務(wù)支持。
發(fā)揮市場作用，加大產(chǎn)業(yè)投入力度
建議進(jìn)一步完善上交所、深交所交易功能，借助北京證券交易所的建立新契機(jī)，在三家國家級交易所創(chuàng)新設(shè)立精密陶瓷等新材料板塊，精準(zhǔn)支持具有核心競爭力的新材料中小企業(yè)。鼓勵保險(xiǎn)、信托等長期資金加大對優(yōu)秀未上市中小企業(yè)的股權(quán)投資，打通資本融入、退出的合理通道，為進(jìn)一步支持新材料類“硬核科技”企業(yè)成長清障提速。
參考來源：
[1]劉海林等.光刻機(jī)用精密碳化硅陶瓷部件制備技術(shù)
[2]朱晶.半導(dǎo)體零部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及對我國發(fā)展的建議
[3]人民網(wǎng)·中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)、中國電子報(bào)、路透社
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
