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2023
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精密陶瓷：解決半導體產業“卡脖子”問題的關鍵
在半導體產業中，半導體制造設備是我國卡脖子的問題，也是重點鼓勵發展的產業。近幾年，隨著國家政策的調整，半導體行業迅速發展，產業規模急速增大，半導體制造設備持續向精密化、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生產直接影響著半導體裝備制造業乃至整個半導體產業鏈的發展。可以說，精密陶瓷部件是整個半導體產業基礎中的基礎。因此，無論從經濟安全角度還是產業成本角度考慮，要突破我國半導體產業面臨的“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展。
一、精密陶瓷在半導體中的應用
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。
1、氧化鋁(Al?O?)
氧化鋁在半導體裝備中使用最為廣泛的精密陶瓷材料。具有材料結構穩定，機械強度高，硬度高，熔點高，抗腐蝕，化學穩定性優良，電阻率大，電絕緣性能好等優點，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、優良的機械強度，高溫環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。
2、碳化硅(SiC)
碳化硅具有高導熱性、高溫機械強度、高剛度、低熱膨脹系數、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、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性，耐熱性、絕緣性，熱膨脹系數接近硅，且具有優異的等離子體抗性，產品熱量分布均勻。可應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展現狀
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，美國半導體產業協會（SIA）表示，2021年全球芯片銷售額達到創紀錄的5559億美元，較上年增長26.2%。該協會預計，隨著芯片制造商繼續擴大產能以滿足需求，2022年全球芯片銷售額將增長8.8%。
半導體市場迅猛發展的同時帶飛了上游設備市場。
據了解，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將繼續保持增長。SEMI(國際半導體產業協會)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，連續第三年實現增長。
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，為實現高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復合性、結構穩定性、熱穩定性、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、刻蝕工藝的穩定性等等。因此，研究和開發出一種極其耐刻蝕腔體材料成為半導體集成產業以及等離子刻蝕技術中一項極具挑戰的任務。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。總之，精密陶瓷在半導體設備中的應用遠比我們想象中要多。
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