中國(guó)粉體網(wǎng)訊 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治和國(guó)防安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，制造裝備具有極其重要的戰(zhàn)略地位。以光刻機(jī)為代表的半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備是現(xiàn)代技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程均能體現(xiàn)出包括材料、機(jī)械加工等在內(nèi)的諸多相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的最高水平。例如，對(duì)于材料而言，半導(dǎo)體制造關(guān)鍵裝備要求零部件材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，且致密均勻無(wú)缺陷。
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其中，精密陶瓷就是最具代表性半導(dǎo)體精密部件材料。
何為半導(dǎo)體精密部件？
半導(dǎo)體零部件是指在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、品質(zhì)和精度、可靠性及穩(wěn)定性等性能方面達(dá)到了半導(dǎo)體設(shè)備及技術(shù)要求的零部件，如 O 型密封圈、傳送模塊、射頻電源、靜電吸盤(pán)、硅/碳化硅環(huán)、真空泵、氣體流量計(jì)、精密軸承、氣體噴淋頭等。半導(dǎo)體設(shè)備由成千上萬(wàn)個(gè)零部件組成，零部件的性能、質(zhì)量和精度直接決定著設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，也是我國(guó)在半導(dǎo)體制造能力上向高端化躍升的關(guān)鍵基礎(chǔ)要素。
按照半導(dǎo)體零部件的主要材料和使用功能來(lái)分，可以將其分為十二大類(lèi)，包括硅 / 碳化硅件、石英件、陶瓷件、金屬件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、過(guò)濾部件、運(yùn)動(dòng)部件、電控部件以及其他部件。
主要零部件產(chǎn)品及其主要服務(wù)的半導(dǎo)體設(shè)備
從上表我們可以看到，精密陶瓷部件在化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、刻蝕等一系列半導(dǎo)體主要制造環(huán)節(jié)均有重要應(yīng)用。ESC靜電吸盤(pán)同樣是貫穿于幾大重要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部件，在上表中它雖然沒(méi)有歸于“陶瓷件”一類(lèi)，但據(jù)粉體網(wǎng)編輯了解，目前陶瓷材料是靜電吸盤(pán)最熱門(mén)的主體材料。
精密陶瓷可做成哪些精密部件？
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)鍵部件一般選用陶瓷材料。
掃描電機(jī)水冷骨架
光刻機(jī)方鏡
在刻蝕設(shè)備中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤(pán)，噴嘴，絕緣環(huán)，蓋板，聚焦環(huán)和靜電吸盤(pán)等。隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類(lèi)等離子體能量的逐漸提高，刻蝕機(jī)工藝腔和腔體內(nèi)部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來(lái)越重要。相對(duì)于有機(jī)和金屬材料，陶瓷材料一般都具有較好的耐物理和化學(xué)腐蝕性能以及很高的工作溫度，因而在半導(dǎo)體工業(yè)中，多種陶瓷材料已成為半導(dǎo)體單晶硅片制造工序和前道加工工序的設(shè)備核心部件制造材料。
圖片來(lái)源：日本京瓷
日本丸和制造的碳化硅環(huán)
靜電吸盤(pán)，圖片來(lái)源：海拓創(chuàng)新
再比如，陶瓷劈刀是引線鍵合過(guò)程中的必不可少的工具，其中部分廠家的陶瓷劈刀主要成分為氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁，其微觀結(jié)構(gòu)均勻而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化鋯的含量和均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)促使鋯摻雜的陶瓷劈刀具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，減少焊線過(guò)程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數(shù)。
陶瓷劈刀，來(lái)源：三環(huán)集團(tuán)
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。總之，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。
哪些陶瓷材料最受歡迎？
氧化物陶瓷
據(jù)了解，半導(dǎo)體設(shè)備中會(huì)用到大量的氧化物陶瓷精密部件。
例如氧化鋁材料，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(pán)和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到氧化鋁陶瓷。而在晶圓拋光工藝中，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。
氧化鋁拋光板，來(lái)源：日本京瓷
此外，上面我們說(shuō)了，氧化鋯陶瓷作為劈刀的主要制造材料，是引線鍵合過(guò)程中的必不可少的工具。
碳化硅陶瓷
碳化硅材料具有極高的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過(guò)機(jī)械加工至優(yōu)良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機(jī)等半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件材料具有極大的優(yōu)勢(shì)。
碳化硅微動(dòng)臺(tái)本體組件
氮化硅陶瓷
作為一種共價(jià)鍵化合物，其熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高、抗化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經(jīng)過(guò)熱壓燒結(jié)的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強(qiáng)度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，到1900℃才會(huì)分解。因此，氮化硅陶瓷被稱為是“綜合性能最好的陶瓷材料”，在半導(dǎo)體設(shè)備中被用以制造平臺(tái)、導(dǎo)軌、軸承等部件。
氮化鋁陶瓷
圖片來(lái)源：海拓創(chuàng)新
目前的靜電吸盤(pán)主要采用氧化鋁陶瓷作為主體制造材料，而氧化鋁材料熱導(dǎo)率及相關(guān)機(jī)械性能不及氮化鋁陶瓷，因此采用氮化鋁陶瓷替代氧化鋁陶瓷作為靜電吸盤(pán)的制造材料將成為趨勢(shì)。
市場(chǎng)及競(jìng)爭(zhēng)格局
半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)
根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）消息，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)能以滿足需求，2022年全球芯片銷(xiāo)售額將增長(zhǎng)8.8%。
在設(shè)備方面，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)。
當(dāng)前全球競(jìng)爭(zhēng)格局
目前國(guó)外在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)用方面走在前列的公司有日本京瓷、美國(guó)CoorsTek、德國(guó)BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占據(jù)了集成電路核心裝備用高端精密陶瓷結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)份額的70%。
京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料體系齊全、性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高等特點(diǎn)，所制造的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件幾乎涵蓋了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷材料體系，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等；結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)域也幾乎覆蓋了全部集成電路核心裝備，形成了一系列型號(hào)齊全、品種多樣的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，如美國(guó)CoorsTek公司能夠提供光刻機(jī)專用組件、等離子刻蝕設(shè)備專用組件、PVD/CVD專用組件、離子注入設(shè)備專用組件、晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產(chǎn)品；京瓷能夠提供光刻機(jī)、晶圓制造設(shè)備、刻蝕機(jī)、沉積設(shè)備（CVD、濺射）、LCD等裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件。
我國(guó)在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)用方面起步較晚，在大尺寸、高精度、中空、閉孔、輕量化結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)陶瓷零部件的制備領(lǐng)域有諸多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待突破。
我國(guó)面臨的問(wèn)題
研發(fā)體系不健全，具備研發(fā)實(shí)力的核心企業(yè)長(zhǎng)期缺位
在科研層面，我國(guó)清華大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所等科研院?jiǎn)挝辉诰芴沾裳邪l(fā)方面雖然有很好的積累，但上世紀(jì)九十年代末之后研發(fā)投入幾乎停止，精密陶瓷應(yīng)用收窄，高端產(chǎn)品止步于實(shí)驗(yàn)室而難以量產(chǎn)。在企業(yè)層面，陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)期存在大而不強(qiáng)的問(wèn)題，尤其原料環(huán)節(jié)陶瓷粉體制備水平較日本、德國(guó)等仍然差距很大，目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)陶瓷基本限于大量低端陶瓷制品，而且規(guī)模都不突出，難以具備足夠的研發(fā)實(shí)力。
國(guó)產(chǎn)部件與材料進(jìn)入采購(gòu)體系的難度大
目前，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體系統(tǒng)、制造及封測(cè)廠商慣性采購(gòu)國(guó)外設(shè)備與部件，國(guó)內(nèi)部件產(chǎn)品正處于關(guān)鍵的摸索提升期，短期難以通過(guò)設(shè)備龍頭企業(yè)的OEM品質(zhì)認(rèn)證，更需要國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈骨干企業(yè)的耐心參與及聯(lián)合培育。
關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入有待加強(qiáng)
由于研發(fā)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)難度大等因素，目前，對(duì)精密陶瓷部件等關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入不足。以國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)基金為例，對(duì)裝備及材料產(chǎn)業(yè)的投入僅占其投資總額的3%，這與其地位作用不匹配。
對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體精密陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議
培育潛力企業(yè)，發(fā)揮行業(yè)帶動(dòng)作用
建議國(guó)家有關(guān)部門(mén)在落實(shí)《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》中，進(jìn)一步加大對(duì)精密陶瓷部件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)的支持。通過(guò)整合科研系統(tǒng)與行業(yè)協(xié)會(huì)、聯(lián)盟，在全國(guó)范圍內(nèi)集中資源優(yōu)先甄選扶植一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的潛力企業(yè)，從而帶動(dòng)全行業(yè)企業(yè)發(fā)展。
加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同，整合國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)資源
建議國(guó)家有關(guān)部門(mén)鼓勵(lì)國(guó)有裝備、材料、化工等大型企業(yè)參與精密陶瓷行業(yè)發(fā)展。制定裝備及配件國(guó)產(chǎn)化的指導(dǎo)性目標(biāo)，建立財(cái)政引導(dǎo)與科技保險(xiǎn)相結(jié)合的關(guān)鍵部件材料國(guó)產(chǎn)化引導(dǎo)機(jī)制，通過(guò)政府財(cái)政與市場(chǎng)化保險(xiǎn)產(chǎn)品的保障支持，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體裝備企業(yè)采購(gòu)國(guó)產(chǎn)精密陶瓷部件。鼓勵(lì)企業(yè)及院校聯(lián)合建立技術(shù)研發(fā)與檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)，加快建立精密陶瓷等關(guān)鍵部件及材料國(guó)產(chǎn)化的科技服務(wù)體系。
強(qiáng)化涉企保障，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境
建議國(guó)家有關(guān)部門(mén)在精密陶瓷產(chǎn)業(yè)聚集地設(shè)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)協(xié)助中心，通過(guò)縮短知識(shí)產(chǎn)權(quán)審核授權(quán)周期、加大侵權(quán)懲戒力度等方式，指導(dǎo)并協(xié)助企業(yè)處理知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，保護(hù)研發(fā)創(chuàng)新動(dòng)力。吸引精密陶瓷重點(diǎn)企業(yè)落戶保稅區(qū)，通過(guò)有限區(qū)域的稅收政策差異化，緩解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的研發(fā)攻關(guān)成本壓力。同時(shí)，圍繞精密陶瓷企業(yè)專業(yè)技術(shù)人才培育，加強(qiáng)政策統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，支持地方做好核心團(tuán)隊(duì)成員的落戶、子女就學(xué)、醫(yī)療等配套保障，尤其是從國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)的引進(jìn)人才團(tuán)隊(duì)的服務(wù)支持。
發(fā)揮市場(chǎng)作用，加大產(chǎn)業(yè)投入力度
建議進(jìn)一步完善上交所、深交所交易功能，借助北京證券交易所的建立新契機(jī)，在三家國(guó)家級(jí)交易所創(chuàng)新設(shè)立精密陶瓷等新材料板塊，精準(zhǔn)支持具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的新材料中小企業(yè)。鼓勵(lì)保險(xiǎn)、信托等長(zhǎng)期資金加大對(duì)優(yōu)秀未上市中小企業(yè)的股權(quán)投資，打通資本融入、退出的合理通道，為進(jìn)一步支持新材料類(lèi)“硬核科技”企業(yè)成長(zhǎng)清障提速。
參考來(lái)源：
[1]劉海林等.光刻機(jī)用精密碳化硅陶瓷部件制備技術(shù)
[2]朱晶.半導(dǎo)體零部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)發(fā)展的建議
[3]人民網(wǎng)·中國(guó)共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)、中國(guó)電子報(bào)、路透社
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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