中国粉体网讯 半导体产业是关乎国家经济、政治和国防安全的战略产业，在半导体产业中，制造装备具有极其重要的战略地位。以光刻机为代表的半导体关键装备是现代技术高度集成的产物，其设计和制造过程均能体现出包括材料、机械加工等在内的诸多相关科学领域的最高水平。例如，对于材料而言，半导体制造关键装备要求零部件材料具有轻质高强、高导热系数和低热膨胀系数等特点，且致密均匀无缺陷。
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其中，精密陶瓷就是最具代表性半导体精密部件材料。
何为半导体精密部件？
半导体零部件是指在材料、结构、工艺、品质和精度、可靠性及稳定性等性能方面达到了半导体设备及技术要求的零部件，如 O 型密封圈、传送模块、射频电源、静电吸盘、硅/碳化硅环、真空泵、气体流量计、精密轴承、气体喷淋头等。半导体设备由成千上万个零部件组成，零部件的性能、质量和精度直接决定着设备的可靠性和稳定性，也是我国在半导体制造能力上向高端化跃升的关键基础要素。
按照半导体零部件的主要材料和使用功能来分，可以将其分为十二大类，包括硅 / 碳化硅件、石英件、陶瓷件、金属件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、过滤部件、运动部件、电控部件以及其他部件。
主要零部件产品及其主要服务的半导体设备
从上表我们可以看到，精密陶瓷部件在化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入、刻蚀等一系列半导体主要制造环节均有重要应用。ESC静电吸盘同样是贯穿于几大重要环节的关键部件，在上表中它虽然没有归于“陶瓷件”一类，但据粉体网编辑了解，目前陶瓷材料是静电吸盘最热门的主体材料。
精密陶瓷可做成哪些精密部件？
在高端光刻机中，为实现高制程精度，需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如 E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等，这些关键部件一般选用陶瓷材料。
扫描电机水冷骨架
光刻机方镜
在刻蚀设备中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗视镜，气体分散盘，喷嘴，绝缘环，盖板，聚焦环和静电吸盘等。随着芯片特征尺寸的减小和卤素类等离子体能量的逐渐提高，刻蚀机工艺腔和腔体内部件的耐等离子体刻蚀性能变得越来越重要。相对于有机和金属材料，陶瓷材料一般都具有较好的耐物理和化学腐蚀性能以及很高的工作温度，因而在半导体工业中，多种陶瓷材料已成为半导体单晶硅片制造工序和前道加工工序的设备核心部件制造材料。
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日本丸和制造的碳化硅环
静电吸盘，图片来源：海拓创新
再比如，陶瓷劈刀是引线键合过程中的必不可少的工具，其中部分厂家的陶瓷劈刀主要成分为氧化锆增强氧化铝，其微观结构均匀而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化锆的含量和均匀致密的微观结构促使锆掺杂的陶瓷劈刀具有非常优异的力学性能，减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。
陶瓷劈刀，来源：三环集团
一台半导体设备看似是用金属及塑料打造的，其实里面隐藏着非常多极具技术含量的精密陶瓷部件。总之，精密陶瓷在半导体设备中的应用远比我们想象中要多。
哪些陶瓷材料最受欢迎？
氧化物陶瓷
据了解，半导体设备中会用到大量的氧化物陶瓷精密部件。
例如氧化铝材料，高纯Al2O3涂层或Al2O3陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。除了腔体以外，等离子体设备的气体喷嘴，气体分配盘和固定晶圆的固定环等也需用到氧化铝陶瓷。而在晶圆抛光工艺中，氧化铝陶瓷可被广泛应用于抛光板、抛光磨垫校正平台、真空吸盘等。
氧化铝抛光板，来源：日本京瓷
此外，上面我们说了，氧化锆陶瓷作为劈刀的主要制造材料，是引线键合过程中的必不可少的工具。
碳化硅陶瓷
碳化硅材料具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有极佳的可抛光性，可以通过机械加工至优良的镜面；因此采用碳化硅作为光刻机等半导体关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。
碳化硅微动台本体组件
氮化硅陶瓷
作为一种共价键化合物，其热膨胀系数低、导热率高、抗化学腐蚀、耐热冲击性极佳。经过热压烧结的Si3N4，其硬度极高，且极耐高温，它的强度一直维持在1200℃高温下而不下降，受热后不会熔成融体，到1900℃才会分解。因此，氮化硅陶瓷被称为是“综合性能最好的陶瓷材料”，在半导体设备中被用以制造平台、导轨、轴承等部件。
氮化铝陶瓷
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目前的静电吸盘主要采用氧化铝陶瓷作为主体制造材料，而氧化铝材料热导率及相关机械性能不及氮化铝陶瓷，因此采用氮化铝陶瓷替代氧化铝陶瓷作为静电吸盘的制造材料将成为趋势。
市场及竞争格局
半导体设备市场
根据美国半导体产业协会（SIA）消息，2021年全球芯片销售额达到创纪录的5559亿美元，较上年增长26.2%。该协会预计，随着芯片制造商继续扩大产能以满足需求，2022年全球芯片销售额将增长8.8%。
在设备方面，继2020年同比增长17%以及2021年同比增长39%之后，晶圆厂设备支出预计在2022将继续保持增长。SEMI(国际半导体产业协会)指出，2022年全球前端晶圆厂设备(不含封装测试的前道工艺设备，一般为晶圆制造设备)支出预计将超过980亿美元，达到历史新高，连续第三年实现增长。
当前全球竞争格局
目前国外在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面走在前列的公司有日本京瓷、美国CoorsTek、德国BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占据了集成电路核心装备用高端精密陶瓷结构件市场份额的70%。
京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料体系齐全、性能优异、结构复杂、加工精度高等特点，所制造的精密陶瓷结构件几乎涵盖了现有结构陶瓷材料体系，如氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化铝等；结构件的应用领域也几乎覆盖了全部集成电路核心装备，形成了一系列型号齐全、品种多样的精密陶瓷结构件产品，如美国CoorsTek公司能够提供光刻机专用组件、等离子刻蚀设备专用组件、PVD/CVD专用组件、离子注入设备专用组件、晶片吸附固定传输专用组件等一系列产品；京瓷能够提供光刻机、晶圆制造设备、刻蚀机、沉积设备（CVD、溅射）、LCD等装备用精密陶瓷结构件。
我国在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面起步较晚，在大尺寸、高精度、中空、闭孔、轻量化结构的结构陶瓷零部件的制备领域有诸多关键技术问题有待突破。
我国面临的问题
研发体系不健全，具备研发实力的核心企业长期缺位
在科研层面，我国清华大学、中科院上海硅酸盐研究所等科研院单位在精密陶瓷研发方面虽然有很好的积累，但上世纪九十年代末之后研发投入几乎停止，精密陶瓷应用收窄，高端产品止步于实验室而难以量产。在企业层面，陶瓷产业链长期存在大而不强的问题，尤其原料环节陶瓷粉体制备水平较日本、德国等仍然差距很大，目前国内结构陶瓷基本限于大量低端陶瓷制品，而且规模都不突出，难以具备足够的研发实力。
国产部件与材料进入采购体系的难度大
目前，国内半导体系统、制造及封测厂商惯性采购国外设备与部件，国内部件产品正处于关键的摸索提升期，短期难以通过设备龙头企业的OEM品质认证，更需要国内半导体产业链骨干企业的耐心参与及联合培育。
关键材料的产业投入有待加强
由于研发周期长、开发难度大等因素，目前，对精密陶瓷部件等关键材料的产业投入不足。以国家集成电路产业基金为例，对装备及材料产业的投入仅占其投资总额的3%，这与其地位作用不匹配。
对我国半导体精密陶瓷产业的发展建议
培育潜力企业，发挥行业带动作用
建议国家有关部门在落实《国家集成电路产业发展推进纲要》中，进一步加大对精密陶瓷部件研发和产业的支持。通过整合科研系统与行业协会、联盟，在全国范围内集中资源优先甄选扶植一批具有国际竞争力的潜力企业，从而带动全行业企业发展。
加强产业协同，整合国内产业资源
建议国家有关部门鼓励国有装备、材料、化工等大型企业参与精密陶瓷行业发展。制定装备及配件国产化的指导性目标，建立财政引导与科技保险相结合的关键部件材料国产化引导机制，通过政府财政与市场化保险产品的保障支持，鼓励国内半导体装备企业采购国产精密陶瓷部件。鼓励企业及院校联合建立技术研发与检测认证机构，加快建立精密陶瓷等关键部件及材料国产化的科技服务体系。
强化涉企保障，优化产业发展环境
建议国家有关部门在精密陶瓷产业聚集地设立知识产权协助中心，通过缩短知识产权审核授权周期、加大侵权惩戒力度等方式，指导并协助企业处理知识产权纠纷，保护研发创新动力。吸引精密陶瓷重点企业落户保税区，通过有限区域的税收政策差异化，缓解半导体产业当前的研发攻关成本压力。同时，围绕精密陶瓷企业专业技术人才培育，加强政策统筹协调，支持地方做好核心团队成员的落户、子女就学、医疗等配套保障，尤其是从国外领先企业的引进人才团队的服务支持。
发挥市场作用，加大产业投入力度
建议进一步完善上交所、深交所交易功能，借助北京证券交易所的建立新契机，在三家国家级交易所创新设立精密陶瓷等新材料板块，精准支持具有核心竞争力的新材料中小企业。鼓励保险、信托等长期资金加大对优秀未上市中小企业的股权投资，打通资本融入、退出的合理通道，为进一步支持新材料类“硬核科技”企业成长清障提速。
参考来源：
[1]刘海林等.光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术
[2]朱晶.半导体零部件产业现状及对我国发展的建议
[3]人民网·中国共产党新闻网、中国电子报、路透社
（中国粉体网编辑整理/山川）
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