前沿材料
******新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究第三方智庫。由******科技部批準(zhǔn)（國科高字【2001】116號）；看報(bào)告，找項(xiàng)目，約專家，盡在前沿材料！
1553篇原創(chuàng)內(nèi)容
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體制造設(shè)備是我國卡脖子的問題，也是重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。近幾年，隨著******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)要求也越來越高。
2022年的全國兩會，各民主黨派圍繞中共中央和******重要決策部署，圍繞社會公眾關(guān)心的重要民生問題，發(fā)揮自身優(yōu)勢，提出了一系列意見建議，為黨和政府科學(xué)決策提供了重要參考。人民網(wǎng)·中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)和中國統(tǒng)一戰(zhàn)線新聞網(wǎng)聯(lián)合推出2022年全國兩會各民主黨派提案選登專欄，選登各民主黨派中央擬提交全國政協(xié)十三屆五次會議的部分提案。其中，臺盟中央擬提交關(guān)于進(jìn)一步加快半導(dǎo)體精密陶瓷部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的提案。
該提案強(qiáng)調(diào)，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。可以說，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)鍵部件的國產(chǎn)化發(fā)展。
活躍于半導(dǎo)體制造裝置中的主要精密陶瓷零部件
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***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)定性優(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源，等離子刻蝕對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，氣體分配盤和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到氧化鋁陶瓷。
搬運(yùn)臂（圖源：京瓷）
在晶圓硅晶片的搬運(yùn)中，會應(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)方面來說，氧化鋁陶瓷機(jī)械手臂的性價(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、真空吸盤等。
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。
碳化硅刻蝕托盤
在硅晶片生產(chǎn)時(shí)，需要經(jīng)過高溫?zé)崽幚恚Ｊ褂锰蓟鑺A具運(yùn)輸，其耐熱、無損，可在表面涂敷類金剛石（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、基座、聚焦環(huán)、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、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。可應(yīng)用于晶片加熱的加熱器、靜電夾盤等。
氮化鋁加熱板（圖源：coorstek）
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。可應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備的平臺、軸承等部件。
二、精密陶瓷在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
1、半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）表示，2021年全球芯片銷售額達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的5559億美元，較上年增長26.2%。該協(xié)會預(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年全球芯片銷售額將增長8.8%。
圖片來源：pixabay
半導(dǎo)體市場迅猛發(fā)展的同時(shí)帶飛了上游設(shè)備市場。
據(jù)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(shè)備支出預(yù)計(jì)在2022將繼續(xù)保持增長。SEMI(國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會)指出，2022年全球前端晶圓廠設(shè)備(不含封裝測試的前道工藝設(shè)備，一般為晶圓制造設(shè)備)支出預(yù)計(jì)將超過980億美元，達(dá)到歷史新高，連續(xù)第三年實(shí)現(xiàn)增長。
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。
硅片用碳化硅真空吸盤（來源：中國建筑材料科學(xué)研究總院）
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源，等離子刻蝕對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，氣體分配盤和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到精密陶瓷。
一臺半導(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。
2、當(dāng)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(yīng)用方面走在前列的公司有日本京瓷、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，形成了一系列型號齊全、品種多樣的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，如美國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)問題有待突破。
3、我國面臨的問題
本次臺盟中央擬提交的關(guān)于進(jìn)一步加快半導(dǎo)體精密陶瓷部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的提案指出了我國精密陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題并給出了重要建議。其中，目前我國精密陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在以下問題：
一是研發(fā)體系不健全，具備研發(fā)實(shí)力的核心企業(yè)長期缺位。在科研層面，我國清華大學(xué)、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(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)鏈長期存在大而不強(qiáng)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(shí)力。
二是國內(nèi)半導(dǎo)體系統(tǒng)、制造及封測廠商慣性采購國外設(shè)備與部件，國產(chǎn)部件與材料進(jìn)入采購體系的難度大。國內(nèi)部件產(chǎn)品正處于關(guān)鍵的摸索提升期，短期難以通過設(shè)備龍頭企業(yè)的OEM品質(zhì)******，更需要國內(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。
三是關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入有待加強(qiáng)。由于研發(fā)周期長、開發(fā)難度大等因素，目前，對精密陶瓷部件等關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)投入不足。以******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。
三、對我國精密陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議
1、培育潛力企業(yè)，發(fā)揮行業(yè)帶動作用。
建議******有關(guān)部門在落實(shí)《******集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》中，進(jìn)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。
2、加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同，整合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)資源。
建議******有關(guān)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(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)鍵部件材料國產(chǎn)化引導(dǎo)機(jī)制，通過政府財(cái)政與市場化保險(xiǎn)產(chǎn)品的保障支持，鼓勵國內(nèi)半導(dǎo)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(shù)研發(fā)與檢測******機(jī)構(gòu)，加快建立精密陶瓷等關(guān)鍵部件及材料國產(chǎn)化的科技服務(wù)體系。
3、強(qiáng)化涉企保障，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。
建議******有關(guān)部門在精密陶瓷產(chǎn)業(yè)聚集地設(shè)立知識產(chǎn)權(quán)協(xié)助中心，通過縮短知識產(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)處理知識產(chǎn)權(quán)糾紛，保護(hù)研發(fā)創(chuàng)新動力。吸引精密陶瓷重點(diǎn)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(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，尤其是從國外領(lǐng)先企業(yè)的引進(jìn)人才團(tuán)隊(duì)的服務(wù)支持。
4、發(fā)揮市場作用，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******級交易所創(chuàng)新設(shè)立精密陶瓷等新材料板塊，精準(zhǔn)支持具有核心競爭力的新材料中小企業(yè)。鼓勵保險(xiǎn)、信托等長期資金加大對******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)一步支持新材料類硬核科技企業(yè)成長清障提速。
參考來源：人民網(wǎng)·中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)、中國電子報(bào)、路透社
END
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21篇原創(chuàng)內(nèi)容
公眾號
本文作者：材料委天津院
公司發(fā)展至今已擁有一批******的進(jìn)口設(shè)備 : 進(jìn)口高精密CNC加工銑床，CNC高精密加工車床，北京精密零件加工，進(jìn)口模型批量真空制作機(jī)， 高亮度uv機(jī)，噴漆房，烤漆柜，圖標(biāo)文字絲印機(jī)，鐳雕激光機(jī)，噴砂機(jī)，打孔攻絲機(jī)、火花機(jī)、線切割設(shè)備等等。
本文責(zé)編：閆琳
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