中國粉體網(wǎng)訊 半導體產(chǎn)業(yè)是構(gòu)建我國戰(zhàn)略科技力量的核心支撐產(chǎn)業(yè)，而半導體零部件則是決定我國半導體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關鍵領域。一般而言，半導體設備零部件占設備總支出的70%左右，以刻蝕機為例，主要關鍵部件占設備總成本的85%。
那么，為什么半導體設備及零部件在半導體領域中如此重要？
半導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)定性等性能方面達到半導體設備及技術要求的零部件，如O型密封圈（O-Ring）、傳送模塊（EFEM）、射頻電源（RFGen）、靜電吸盤（ESC）、硅（Si）環(huán)等結(jié)構(gòu)件、真空泵（Pump）、氣體流量計（MFC）、精密軸承、氣體噴淋頭（ShowerHead）等。
首先，半導體設備是由成千上萬個零部件組成，零部件的性能、質(zhì)量和精度直接決定著設備的可靠性和穩(wěn)定性，也是我國在半導體制造能力上向高端化躍升的關鍵基礎要素。
另外，半導體行業(yè)遵循“一代技術、一代工藝、一代設備”的產(chǎn)業(yè)規(guī)律，而半導體設備的升級迭代很大程度上有賴于精密零部件的技術突破，各種半導體零部件相互配合，共同支持半導體設備的運轉(zhuǎn)。
總之，半導體設備是半導體產(chǎn)業(yè)鏈的關鍵支撐，其技術的實施依賴于各種精密零部件，而精密零部件的材料與加工技術是集成電路核心技術的載體，是半導體產(chǎn)業(yè)的基石。
那么，按照半導體零部件的主要材料和使用功能來分，又可以將其分為十幾大類，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、過濾部件、運動部件、電控部件以及其他部件。
精密陶瓷部件在化學氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、刻蝕等一系列半導體主要制造環(huán)節(jié)均有重要應用�？梢哉f，精密陶瓷部件就是最具有代表性的半導體精密部件材料（在此背景下，中國粉體網(wǎng)將于2023年6月14日在江蘇蘇州舉辦第二屆半導體行業(yè)用陶瓷材料技術研討會，屆時，來自清華大學的潘偉教授將帶來題為《精密陶瓷在半導體設備中的應用》的報告，歡迎報名參會）。
陶瓷部件占半導體設備成本10%以上，技術難度極高
精密陶瓷零部件是采用氧化鋁、氮化鋁等先進陶瓷經(jīng)精密加工后制備的半導體設備用核心零部件，具有高強度、耐腐蝕、高精度等優(yōu)異性能，應用于刻蝕機、涂膠顯影機、光刻機、離子注入機等半導體關鍵設備中。據(jù)相關專家介紹，陶瓷部件成本占半導體設備成本10%以上。
由于半導體設備是由腔室內(nèi)和腔室外組成，精密陶瓷大部分用在離晶圓更近的腔室內(nèi)，因此，精密陶瓷在半導體領域必須滿足以下三個嚴苛要求：
（1）陶瓷材料性能：必須滿足半導體設備對材料在機械力學、熱、介電、耐酸堿和等離子體腐蝕等方面的綜合性能要求。
（2）陶瓷材料精密加工：先進陶瓷材料屬于硬脆難加工材料，半導體設備對零部件的精度要求高，加工始終是陶瓷零部件在半導體設備應用的瓶頸之一。
（3）加工后的新品表面處理：由于半導體設備中陶瓷零部件通常緊密圍繞著晶圓，一些甚至直接接觸晶圓，因此對其表面金屬離子和顆粒的控制極為嚴格，加工后的表面處理是陶瓷零部件在半導體設備中應用的關鍵技術之一。
最受歡迎的精密陶瓷材料
用于半導體領域的陶瓷材料有氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等。
氧化物陶瓷
據(jù)了解，半導體設備中會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(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用于拋光板、拋光磨墊校正平臺、真空吸盤等。
氧化鋁拋光板，來源：日本京瓷
此外，氧化鋯陶瓷作為劈刀的主要制造材料，是引線鍵合過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、導熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應力變形和熱應變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機械加工至優(yōu)良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機等半導體關鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件材料具有極大的優(yōu)勢。
碳化硅微動臺本體組件
氮化硅陶瓷
作為一種共價鍵化合物，其熱膨脹系數(shù)低、導熱率高、抗化學腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經(jīng)過熱壓燒結(jié)的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會熔成融體，到1900℃才會分解。因此，氮化硅陶瓷被稱為是“綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料”，在半導體設備中被用以制造平臺、導軌、軸承等部件。
氮化鋁陶瓷
目前的靜電吸盤主要采用氧化鋁陶瓷作為主體制造材料，而氧化鋁材料熱導率及相關機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的制造材料將成為趨勢。
陶瓷可做成哪些精密部件？
在高端光刻機中，為實現(xiàn)高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復合性、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、導軌等，這些關鍵部件一般選用碳化硅陶瓷材料。
光刻機方鏡
中國建筑材料科學研究總院制備出了諸如碳化硅真空吸盤、導軌、反射鏡、工件臺等一系列光刻機用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件，滿足了光刻機等集成電路制造關鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件的使用要求。
在刻蝕設備中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤，噴嘴，絕緣環(huán)，蓋板，聚焦環(huán)和靜電吸盤等。隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類等離子體能量的逐漸提高，刻蝕機工藝腔和腔體內(nèi)部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來越重要。相對于有機和金屬材料，陶瓷材料一般都具有較好的耐物理和化學腐蝕性能以及很高的工作溫度，因而在半導體工業(yè)中，多種陶瓷材料已成為半導體單晶硅片制造工序和前道加工工序的設備核心部件制造材料。
來源：京瓷
像氧化釔、氧化鋁等反等離子體材料，是新一代刻蝕技術的理想選擇，反離子體材料鐘形汽室、腔耐用高的高純度材料如氧化鋁等可提供可靠的等離子阻抗。
陶瓷劈刀是引線鍵合過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)異的力學性能，減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數(shù)。
機械搬運臂在半導體設備中負責晶圓片搬運，其表面直接與晶圓接觸。由于晶圓片非常容易受到其他顆粒的污染，所以一般在真空環(huán)境下進行。在此環(huán)境下，制作機械手臂的材料需要耐高溫、耐磨及高硬度等特點。從材料性質(zhì)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(jīng)濟方面來說，氧化鋁陶瓷機械手臂的性價比更高。
碳化硅搬運臂，來源：日本京瓷
此外還有高純氧化鋁陶瓷拋光板、碳化硅拋光板、碳化硅晶舟、等離子產(chǎn)生器、微波導管.....
陶瓷精密部件在半導體設備中的用途分布
來源：Wind，梧桐樹半導體整理
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�？傊�，精密陶瓷在半導體設備中的應用遠比我們想象中要多。
當前市場及競爭格局
半導體設備市場
隨著全球半導體市場的繁榮發(fā)展，半導體設備需求也在增長。SEMI發(fā)布的《全球半導體設備市場報告》指出，2022年全球半導體制造設備出貨金額相較于2021年的1026億美元增長5%，創(chuàng)下1076億美元的歷史新高，中國大陸、中國臺灣、韓國排名前三。
根據(jù)2022年1-6月中國國際招標網(wǎng)的開標半導體設備中，源自中國大陸廠家制造的設備占比達35%。經(jīng)初步核算，2022上半年我國半導體設備行業(yè)市場規(guī)模1051億元，因此2022上半年國產(chǎn)廠商整體市場規(guī)模為368億元。保守預計2022-2027年，我國半導體設備行業(yè)市場規(guī)模將保持在15%左右的復合增長率穩(wěn)步提升，到2027年，中國半導體設備市場規(guī)模將達到685億美元。
來源：SEMI前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
精密陶瓷市場
半導體的需求旺增，帶動核心陶瓷材料零部件采購需求高速增長，氧化鋁、氮化鋁、氧化釔等材料的精密陶瓷部件目前被應用于熱處理、蝕刻、外延等各類工藝設備。市場調(diào)研機構(gòu)Techcet發(fā)布的報告顯示，作為半導體制造設備耗材的陶瓷部件市場規(guī)模預計在2022年達到23億美元，同比增15%。
當前全球競爭格局
目前，國外在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應用方面走在前列的公司有日本京瓷、日本NGK、美國CoorsTek、德國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)件市場份額的70%。
京瓷以精密陶瓷技術起家，是目前在全球能量產(chǎn)高質(zhì)量的精密陶瓷企業(yè)中的佼佼者，其可以生產(chǎn)較為全面的半導體設備用精密陶瓷部件；日本礙子及日本特殊陶業(yè)在半導體設備的靜電卡盤產(chǎn)品全球市場擁有較高份額；美國CoorsTek公司能夠提供光刻機專用組件、等離子刻蝕設備專用組件、PVD/CVD專用組件、離子注入設備專用組件、晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產(chǎn)品，在半導體設備的超高純碳化硅陶瓷全球市場擁有較高份額；Ferrotec在全球市場上，半導體精密陶瓷制品的市占率約為11%。
我國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域有諸多關鍵技術問題有待突破。目前，國內(nèi)涉及半導體陶瓷件供應的企業(yè)有蘇州珂瑪、卡貝尼、河南東微電子、三環(huán)集團、中瓷電子等。
國內(nèi)外精密陶瓷企業(yè)動態(tài)
●京瓷追加30億日元投資建設半導體陶瓷零部件生產(chǎn)大樓
日本京瓷發(fā)布消息稱，截至2028年，公司將投資620億元在長崎縣諫早市建廠（京瓷株式會社長崎諫早工廠），該工廠占地150,000㎡，將生產(chǎn)廣泛用于半導體制造相關的精密陶瓷零件和半導體封裝產(chǎn)品。該工廠將于2023年10月開工，2026年度開始生產(chǎn)，全面投產(chǎn)后將實現(xiàn)年產(chǎn)值達250億元。
●德智新材料2.5億元碳化硅蝕刻環(huán)項目竣工
湖南株洲市舉行項目集中開竣工儀式。其中，竣工項目包括湖南德智新材料有限公司半導體用碳化硅蝕刻環(huán)項目，此次半導體用碳化硅蝕刻環(huán)項目，總投資約2.5億元，主要用于半導體用碳化硅蝕刻環(huán)的研發(fā)、制造，投產(chǎn)后年產(chǎn)值超1億元。
●蘇州珂瑪：持續(xù)投入研發(fā)人員和資金，加速國產(chǎn)替代
為順應泛半導體行業(yè)發(fā)展需求，蘇州珂瑪在先進陶瓷和表面處理領域持續(xù)投入研發(fā)人員和資金，經(jīng)過多年的發(fā)展積淀，取得了亮眼的科技成果。據(jù)披露，截至2022年12月26日，蘇州珂瑪共獲得國內(nèi)授權專利50項，其中發(fā)明專利9項，實用新型專利41項，并且先進陶瓷材料零部件產(chǎn)品多項關鍵技術指標達到國內(nèi)領先、國際主流水平。
●中瓷電子：布局精密陶瓷零部件領域，助力半導體設備零部件國產(chǎn)化
面向半導體設備零部件國產(chǎn)化需求，中瓷電子持續(xù)開發(fā)陶瓷材料體系，利用成熟的制造工藝平臺，實現(xiàn)加熱盤和靜電卡盤等技術難度高的精密零部件國產(chǎn)化，解決國產(chǎn)半導體設備行業(yè)“卡脖子”問題。
●耐思威1.5億光伏及半導體設備用陶瓷部件項目開工
4月1日，耐思威年產(chǎn)40萬套光伏及半導體設備用陶瓷制品、3.5萬套半導體設備用純硅夾具、0.5萬套光伏及半導體設備用碳化硅制品生產(chǎn)建設項目正式開工。
●國力股份的陶瓷器件已應用于刻蝕機等半導體設備
國力股份是專業(yè)從事電子真空器件的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售的企業(yè)，公司產(chǎn)品系列豐富、型號眾多，涵蓋真空無源器件和真空有源器件。在半導體設備制造領域，國力股份的陶瓷高壓真空繼電器、陶瓷真空電容器已應用于刻蝕機等半導體設備中的匹配器等單元。
●新納科技募資3.41億元，擬用于氧化鋁陶瓷基板及靜電吸盤項目
新納材料擬在深交所主板上市，募資總金額為3.41億元。募集資金擬用于年產(chǎn)4.8億片氧化鋁陶瓷基板及年產(chǎn)2,000個靜電吸盤維修及制造項目(一期)、補充流動資金。
●漢京半導體完成數(shù)千萬融資，加速半導體設備用碳化硅部件研發(fā)
遼寧漢京半導體材料有限公司宣布完成數(shù)千萬元天使輪融資，由浙商創(chuàng)投獨家投資。本輪融資將主要用于半導體設備用碳化硅制品的研發(fā)投入、和設備采購等。碳化硅陶瓷在半導體制造的前段到后段工藝裝備中都有廣泛應用，例如在研磨拋光吸盤、光刻吸盤、檢測吸盤、精密運動平臺、刻蝕環(huán)節(jié)的高純碳化硅部件、封裝檢測環(huán)節(jié)中精密運動系統(tǒng)等等。
我國面臨的問題及建議
一是研發(fā)體系不健全，具備研發(fā)實力的核心企業(yè)長期缺位。在科研層面，我國清華大學、中科院上海硅酸鹽研究所等科研院單位在精密陶瓷研發(fā)方面雖然有很好的積累，但上世紀九十年代末之后研發(fā)投入幾乎停止，精密陶瓷應用收窄，高端產(chǎn)品止步于實驗室而難以量產(chǎn)。在企業(yè)層面，陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈長期存在大而不強的問題，尤其原料環(huán)節(jié)陶瓷粉體制備水平較日本、德國等仍然差距很大，目前國內(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)實力。
二是國內(nèi)半導體系統(tǒng)、制造及封測廠商慣性采購國外設備與部件，國產(chǎn)部件與材料進入采購體系的難度大。國內(nèi)部件產(chǎn)品正處于關鍵的摸索提升期，短期難以通過設備龍頭企業(yè)的OEM品質(zhì)認證，更需要國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)鏈骨干企業(yè)的耐心參與及聯(lián)合培育。
三是關鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入有待加強。由于研發(fā)周期長、開發(fā)難度大等因素，目前，對精密陶瓷部件等關鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入不足。以國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金為例，對裝備及材料產(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。
為此建議：
一是培育潛力企業(yè)，發(fā)揮行業(yè)帶動作用。建議國家有關部門在落實《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》中，進一步加大對精密陶瓷部件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)的支持。通過整合科研系統(tǒng)與行業(yè)協(xié)會、聯(lián)盟，在全國范圍內(nèi)集中資源優(yōu)先甄選扶植一批具有國際競爭力的潛力企業(yè)，從而帶動全行業(yè)企業(yè)發(fā)展。
二是加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同，整合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)資源。建議國家有關部門鼓勵國有裝備、材料、化工等大型企業(yè)參與精密陶瓷行業(yè)發(fā)展。制定裝備及配件國產(chǎn)化的指導性目標，建立財政引導與科技保險相結(jié)合的關鍵部件材料國產(chǎn)化引導機制，通過政府財政與市場化保險產(chǎn)品的保障支持，鼓勵國內(nèi)半導體裝備企業(yè)采購國產(chǎn)精密陶瓷部件。鼓勵企業(yè)及院校聯(lián)合建立技術研發(fā)與檢測認證機構(gòu)，加快建立精密陶瓷等關鍵部件及材料國產(chǎn)化的科技服務體系。
三是強化涉企保障，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。建議國家有關部門在精密陶瓷產(chǎn)業(yè)聚集地設立知識產(chǎn)權協(xié)助中心，通過縮短知識產(chǎn)權審核授權周期、加大侵權懲戒力度等方式，指導并協(xié)助企業(yè)處理知識產(chǎn)權糾紛，保護研發(fā)創(chuàng)新動力。吸引精密陶瓷重點企業(yè)落戶保稅區(qū)，通過有限區(qū)域的稅收政策差異化，緩解半導體產(chǎn)業(yè)當前的研發(fā)攻關成本壓力。同時，圍繞精密陶瓷企業(yè)專業(yè)技術人才培育，加強政策統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，支持地方做好核心團隊成員的落戶、子女就學、醫(yī)療等配套保障，尤其是從國外領先企業(yè)的引進人才團隊的服務支持。
四是發(fā)揮市場作用，加大產(chǎn)業(yè)投入力度。建議進一步完善上交所、深交所交易功能，借助北京證券交易所的建立新契機，在三家國家級交易所創(chuàng)新設立精密陶瓷等新材料板塊，精準支持具有核心競爭力的新材料中小企業(yè)。鼓勵保險、信托等長期資金加大對優(yōu)秀未上市中小企業(yè)的股權投資，打通資本融入、退出的合理通道，為進一步支持新材料類“硬核科技”企業(yè)成長清障提速。
參考來源：
朱晶：半導體零部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及對我國發(fā)展的建議
劉海林等：光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術
梧桐資本半導體團隊：真空半導體設備零部件行業(yè)研究
人民網(wǎng)·中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)、中國電子報、路透社
中國粉體網(wǎng)、企業(yè)官網(wǎng)、前瞻網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除
