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精密陶瓷：解決半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問(wèn)題的關(guān)鍵

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體制造設(shè)備是我國(guó)卡脖子的問(wèn)題，也是重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。近幾年，隨著國(guó)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(lái)越高。 作為半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，精密陶瓷部件的研發(fā)生產(chǎn)直接影響著半導(dǎo)體裝備制造業(yè)乃至整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展?？梢哉f(shuō)，精密陶瓷部件是整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。因此，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)安全角度還是產(chǎn)業(yè)成本角度考慮，要突破我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”窘境，必須重視精密陶瓷部件等半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展。 一、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。 1、氧化鋁(Al?O?) 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?xún)?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(lái)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Al?O?涂層或Al?O?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(pán)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(lái)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(lái)說(shuō)，氧化鋁陶瓷機(jī)械手臂的性?xún)r(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(pán)等。 2、碳化硅(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(pán)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(guò)高溫?zé)崽幚?，常使用碳化硅夾具運(yùn)輸，其耐熱、無(wú)損，可在表面涂敷類(lèi)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(pán)、真空吸盤(pán)、搬運(yùn)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(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(pán)等。 4、氮化硅(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。 二、精密陶瓷在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1、半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)將突破千億美元，陶瓷部件占成本10%以上 近期，美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）表示，2021年全球芯片銷(xiāo)售額達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的5559億美元，較上年增長(zhǎng)26.2%。該協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，隨著芯片制造商繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能以滿(mǎn)足需求，2022年全球芯片銷(xiāo)售額將增長(zhǎng)8.8%。 半導(dǎo)體市場(chǎng)迅猛發(fā)展的同時(shí)帶飛了上游設(shè)備市場(chǎng)。 據(jù)了解，繼2020年同比增長(zhǎng)17%以及2021年同比增長(zhǎng)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(zhǎng)。SEMI(國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì))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(guò)980億美元，達(dá)到歷史新高，連續(xù)第三年實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。 精密陶瓷已成為半導(dǎo)體設(shè)備的關(guān)鍵部件，成本占10%以上。 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)鍵部件一般選用精密陶瓷材料。 在刻蝕設(shè)備中，刻蝕機(jī)腔室材料作為晶圓污染的主要來(lái)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，研究和開(kāi)發(fā)出一種極其耐刻蝕腔體材料成為半導(dǎo)體集成產(chǎn)業(yè)以及等離子刻蝕技術(shù)中一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。當(dāng)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(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(pán)和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到精密陶瓷。 一臺(tái)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?？傊?，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。

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