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(diǎn)鼓勵(lì)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。

活躍于半導(dǎo)體制造裝置中的主要精密陶瓷零部件

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(diǎn)，可用作硅片拋光機(jī)、外延/氧化/擴(kuò)散等熱處理設(shè)備、光刻機(jī)、沉積設(shè)備，半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備，離子注入機(jī)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(jià)值約占16%左右。

01、氧化鋁陶瓷(Al2O3)

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(jī)械強(qiáng)度高，硬度高，熔點(diǎn)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(diǎn)，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(jī)腔室材料作為晶圓污染的主要來源，等離子刻蝕對(duì)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(jī)腔室材料的選用尤為重要。當(dāng)前，主要采用高純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。

在晶圓硅晶片的搬運(yùn)中，會(huì)應(yīng)用到氧化鋁陶瓷制成的陶瓷機(jī)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(jī)械強(qiáng)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(jī)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(jī)械手臂較為合適，但是從材料價(jià)格、加工難度等經(jīng)濟(jì)方面來說，氧化鋁陶瓷機(jī)械手臂的性價(jià)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(tái)、真空吸盤等。

02、碳化硅陶瓷(SiC)

碳化硅具有高導(dǎo)熱性、高溫機(jī)械強(qiáng)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(dá)1400℃的極端溫度下，其仍能保持良好的強(qiáng)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(shí)，需要經(jīng)過高溫?zé)崽幚恚Ｊ褂锰蓟鑺A具運(yùn)輸，其耐熱、無損，可在表面涂敷類金剛石（DLC）等涂層，可增強(qiáng)性能，緩解晶片損壞，同時(shí)防止污染擴(kuò)散。此外，碳化硅陶瓷還可應(yīng)用在XY平臺(tái)、基座、聚焦環(huán)、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運(yùn)臂、爐管、晶舟、懸臂槳等。

03、氮化鋁陶瓷(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。

04、氮化硅陶瓷(Si3N4)

氮化硅(Si3N4）是斷裂韌性高、耐熱沖擊性強(qiáng)、高耐磨耗性、高機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕的材料?？蓱?yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備的平臺(tái)、軸承等部件。

發(fā)展現(xiàn)狀及前景

隨著國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)蓬勃發(fā)展，晶圓代工廠紛紛在中國建廠，帶動(dòng)了半導(dǎo)體材料和設(shè)備配套的完善，國外供應(yīng)鏈資源配置向國內(nèi)傾斜，同時(shí)也涌現(xiàn)了不少優(yōu)秀的本土半導(dǎo)體設(shè)備廠商，如凱世通、中科信裝備、中微半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、華海清科等等。

由于半導(dǎo)體設(shè)備陶瓷部件的生產(chǎn)涉及原始設(shè)備制造商認(rèn)證，因此屬于獨(dú)占性高門檻行業(yè)。相關(guān)企業(yè)有京瓷、NGK、coorstek、杭州大和熱磁電子、卡貝尼、蘇州珂瑪?shù)?。在國產(chǎn)化發(fā)展的趨勢(shì)下，半導(dǎo)體設(shè)備精密陶瓷部件的需求將增大，國內(nèi)精密陶瓷企業(yè)將迎來發(fā)展機(jī)遇。

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(huì))在最新一期《世界晶圓廠預(yù)測(cè)報(bào)告》指出，2022年全球前端晶圓廠設(shè)備(不含封裝測(cè)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。

目前我國有幾百家半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家，但半導(dǎo)體設(shè)備和關(guān)鍵精密部件大都依賴進(jìn)口，大大制約了國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。高精密陶瓷部件的價(jià)值約占半導(dǎo)體設(shè)備的10％以上，全球市場(chǎng)約為100億美元，幾乎完全被美國、日本、韓國等國外企業(yè)壟斷。而我國半導(dǎo)體行業(yè)要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，就必須擁有自己的關(guān)鍵核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)資源配套，開展半導(dǎo)體設(shè)備用精密陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值、戰(zhàn)略價(jià)值非常重大。

小 結(jié)

顯然，在半導(dǎo)體設(shè)備制造中，先進(jìn)陶瓷作為關(guān)鍵部件材料，扮演了重要角色。我國半導(dǎo)體行業(yè)要想是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的發(fā)展，就要先從精密陶瓷零部件方面，著手解決半導(dǎo)體制造設(shè)備的卡脖子問題，從根本上來推動(dòng)我國半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

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