中國粉體網(wǎng)訊 半導體設備的升級迭代，很大程度上有賴于精密零部件的關鍵技術突破。精密零部件不僅是半導體設備制造中難度較大、技術含量較高的環(huán)節(jié)之一，也是國內半導體設備“卡脖子”的環(huán)節(jié)之一，也支撐著整個半導體芯片制造和現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)。
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據(jù)國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）公布的數(shù)據(jù)，2022年全球半導體制造設備銷售金額達1076億美元，較2021年1026億美元成長5%，創(chuàng)歷史新高。而就在半導體制造設備中，精密陶瓷零部件的成本可達10%左右，近幾年，隨著國家政策的調整，半導體行業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)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。
硅基陶瓷精密部件
對于芯片制造來講，光刻是一個必不可少的環(huán)節(jié)，可以說，沒有光刻機，就沒有現(xiàn)代芯片產(chǎn)業(yè)。在集成電路制造過程中，光刻工藝的費用約占制造成本的1/3 左右，耗費時間占比約為40-50%。光刻工藝所需的光刻機是最重要、最復雜、最昂貴的集成電路制造裝備，被譽為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”。
碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學性能 (如高強度、高硬度、高彈性模量等)、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性 (如高導熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等) 以及良好的比剛度和光學加工性能，特別適合用于制備光刻機等集成電路裝備用精密陶瓷結構件，如用于光刻機中的精密運動工件臺、骨架、吸盤、水冷板以及精密測量反射鏡、光柵等陶瓷結構件等。
中國建筑材料科學研究總院制備的光刻機用精密碳化硅結構件
在制備光刻機等集成電路關鍵裝備用碳化硅陶瓷精密結構件時，還存在著諸多的技術難點和挑戰(zhàn)，比如如何實現(xiàn)中空、閉孔結構，以達到高度輕量化、高模態(tài)的目標；如何獲得顯微結構均勻、性能穩(wěn)定的材料；如何實現(xiàn)大尺寸、復雜形狀結構的陶瓷部件的快速制備等。
目前IC制造裝備用高端碳化硅陶瓷零部件70%被Kyocera、CoorsTek兩家公司壟斷，剩余部分也被歐美日企業(yè)所占據(jù)。Kyocera和CoorsTek產(chǎn)品的特點是種類齊全、市場覆蓋面廣，以半導體用陶瓷組件為例，CoorsTek提供的精密陶瓷結構件涵蓋了光刻機專用組件、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(chǎn)品；Kyocera則提供光刻機、晶圓制造設備、刻蝕機、沉積設備(CVD、PVD)、液晶面板(LCD)制造裝備等專用的陶瓷零部件。
在國內，中國建筑材料科學研究總院率先開展了極大規(guī)模集成電路制造裝備用精密碳化硅結構件的制備工藝研究，攻克了以光刻機為代表的集成電路制造關鍵裝備用大尺寸、中空薄壁、復雜結構、精密碳化硅結構件制備的技術難關，形成一系列自主知識產(chǎn)權的專利技術，制備出了諸如碳化硅真空吸盤、導軌、反射鏡、工件臺等一系列光刻機用精密碳化硅結構件，滿足了光刻機等集成電路制造關鍵裝備用精密結構件的使用要求，推動了我國集成電路關鍵裝備的獨立自主健康發(fā)展。
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�？蓱糜诎雽w設備的平臺、軸承等部件。
鋁基陶瓷零部件
在半導體刻蝕設備中，主要采用高純Al2O3涂層或Al2O3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。
CMP是半導體制程中的關鍵技術，伴隨制程節(jié)點的不斷突破，CMP已成為0.35μm及以下制程不可或缺的平坦化工藝，關乎著后續(xù)工藝良率。由于CMP設備的作業(yè)原理，設備的拋光臺、拋光板、搬運臂、真空吸盤等關鍵耗材也會因為長期摩擦和腐蝕而導致?lián)p耗。氧化鋁陶瓷具備致密質、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CMP設備關鍵耗材的絕佳材料。
CMP工作原理示意圖
靜電吸盤廣泛應用于集成電路制造工藝中，特別是刻蝕、PVD、CVD等核心工藝中。靜電吸盤按照主體材料材質劃分，可分為氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷（一般應用于靜電吸盤加熱器）兩大類。但氧化鋁材料熱導率及相關機械性能均不及氮化鋁陶瓷，在半導體加工中，對硅片的溫度控制相當重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在對硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性，加工精度將受到極大的影響，因此行業(yè)內目前均以氮化鋁陶瓷作為靜電吸盤的最優(yōu)制造材料。
陶瓷劈刀
在半導體封裝環(huán)節(jié)中，“引線鍵合”是用來實現(xiàn)芯片和基板的電路連接的主要方式。在這個工序中，陶瓷劈刀是引線鍵合過程中的必不可少的工具。由于一臺鍵合機在滿荷載的工作狀態(tài)下每天需要鍵合幾百萬個焊點，陶瓷劈刀作為鍵合機中的焊接針頭，一臺鍵合機平均每天就要消耗0.7只陶瓷劈刀。
目前，陶瓷劈刀的主要制造材料為氧化鋁，部分廠家在氧化鋁的基礎上添加了氧化鋯，其微觀結構更加均勻而致密，密度提高到4.3g/cm3，可以減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數(shù)。
氧化釔陶瓷
在半導體工業(yè)中，多種陶瓷材料已經(jīng)成為晶圓加工設備的耐等離子體刻蝕材料。其中，氧化釔（Y2O3）屬于立方晶系，其熔點為2430℃，電絕緣性良好，透光性好。許多研究表明，Y2O3陶瓷涂層的耐等離子刻蝕性能要優(yōu)于Al2O3涂層。
氧化釔噴涂刻蝕腔體及模組件
目前，氧化釔陶瓷在刻蝕機中主要應用場景為腔體與窗視鏡。在腔體中，除了做成整個腔體，考慮到價格因素，往往會在其它陶瓷基體上噴涂Y2O3涂層來達到目的；刻蝕機上的窗視鏡材料中，Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現(xiàn)出非常好的耐腐蝕性能得到了極大的關注。
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。實際上，半導體設備對精密陶瓷依賴極高，擁有千億美元市場的半導體設備市場離不開先進陶瓷材料的支撐。
參考來源：
譚毅成：耐等離子體刻蝕釔基復合陶瓷的制備及其性能研究
劉海林等：光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術
霍艷麗：中國建材總院重要科技成果展示一-集成電路制造關鍵裝備用高精密碳化硅陶瓷部件研制技術
人民網(wǎng)·中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)、中國電子報、路透社、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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