淺談半導體設備高精密陶瓷關鍵部件的技術

半導體設備的升級迭代，很大程度上有賴于精密零部件的關鍵技術突破。精密零部件不僅是半導體設備制造中難度較大、技術含量較高的環節之一，也是國內半導體設備“卡脖子”的環節之一，也支撐著整個半導體芯片制造和現代電子信息產業。
隨著國家政策的調整，半導體行業迅速發展，產業規模急速增大，半導體制造設備持續向精密化、復雜化演變，高精密陶瓷關鍵部件的技術要求也越來越高。

硅基陶瓷精密部件

對于芯片制造來講，光刻是一個必不可少的環節，可以說，沒有光刻機，就沒有現代芯片產業。在集成電路制造過程中，光刻工藝的費用約占制造成本的1/3 左右，耗費時間占比約為40-50%。光刻工藝所需的光刻機是最重要、最復雜、最昂貴的集成電路制造裝備，被譽為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”。 碳化硅陶瓷具有優良的常溫力學性能 (如高強度、高硬度、高彈性模量等)、優異的高溫穩定性 (如高導熱系數、低熱膨脹系數等) 以及良好的比剛度和光學加工性能，特別適合用于制備光刻機等集成電路裝備用精密陶瓷結構件，如用于光刻機中的精密運動工件臺、骨架、吸盤、水冷板以及精密測量反射鏡、光柵等陶瓷結構件等。

中國建筑材料科學研究總院制備的光刻機用精密碳化硅結構件

在制備光刻機等集成電路關鍵裝備用碳化硅陶瓷精密結構件時，還存在著諸多的技術難點和挑戰，比如如何實現中空、閉孔結構，以達到高度輕量化、高模態的目標；如何獲得顯微結構均勻、性能穩定的材料；如何實現大尺寸、復雜形狀結構的陶瓷部件的快速制備等。 目前IC制造裝備用高端碳化硅陶瓷零部件70%被Kyocera、CoorsTek兩家公司壟斷，剩余部分也被歐美日企業所占據。Kyocera和CoorsTek產品的特點是種類齊全、市場覆蓋面廣，以半導體用陶瓷組件為例，CoorsTek提供的精密陶瓷結構件涵蓋了光刻機專用組件、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品；Kyocera則提供光刻機、晶圓制造設備、刻蝕機、沉積設備(CVD、PVD)、液晶面板(LCD)制造裝備等專用的陶瓷零部件。

在國內，中國建筑材料科學研究總院率先開展了極大規模集成電路制造裝備用精密碳化硅結構件的制備工藝研究，攻克了以光刻機為代表的集成電路制造關鍵裝備用大尺寸、中空薄壁、復雜結構、精密碳化硅結構件制備的技術難關，形成一系列自主知識產權的專利技術，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構件，滿足了光刻機等集成電路制造關鍵裝備用精密結構件的使用要求，推動了我國集成電路關鍵裝備的獨立自主健康發展。 氮化硅(Si3N4）是斷裂韌性高、耐熱沖擊性強、高耐磨耗性、高機械強度、耐腐蝕的材料?？蓱糜诎雽w設備的平臺、軸承等部件。

鋁基陶瓷零部件

在半導體刻蝕設備中，主要采用高純Al2O3涂層或Al2O3陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內部件的防護材料。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等也需用到氧化鋁陶瓷。 CMP是半導體制程中的關鍵技術，伴隨制程節點的不斷突破，CMP已成為0.35μm及以下制程不可或缺的平坦化工藝，關乎著后續工藝良率。由于CMP設備的作業原理，設備的拋光臺、拋光板、搬運臂、真空吸盤等關鍵耗材也會因為長期摩擦和腐蝕而導致損耗。氧化鋁陶瓷具備致密質、高硬度、高耐磨性的物理性質，以及良好的耐熱性能、優良的機械強度，高溫環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CMP設備關鍵耗材的絕佳材料。

CMP工作原理示意圖

靜電吸盤廣泛應用于集成電路制造工藝中，特別是刻蝕、PVD、CVD等核心工藝中。靜電吸盤按照主體材料材質劃分，可分為氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷（一般應用于靜電吸盤加熱器）兩大類。但氧化鋁材料熱導率及相關機械性能均不及氮化鋁陶瓷，在半導體加工中，對硅片的溫度控制相當重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在對硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性，加工精度將受到極大的影響，因此行業內目前均以氮化鋁陶瓷作為靜電吸盤的最優制造材料。

陶瓷劈刀

在半導體封裝環節中，“引線鍵合”是用來實現芯片和基板的電路連接的主要方式。在這個工序中，陶瓷劈刀是引線鍵合過程中的必不可少的工具。由于一臺鍵合機在滿荷載的工作狀態下每天需要鍵合幾百萬個焊點，陶瓷劈刀作為鍵合機中的焊接針頭，一臺鍵合機平均每天就要消耗0.7只陶瓷劈刀。 目前，陶瓷劈刀的主要制造材料為氧化鋁，部分廠家在氧化鋁的基礎上添加了氧化鋯，其微觀結構更加均勻而致密，密度提高到4.3g/cm3，可以減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數。

氧化釔陶瓷

在半導體工業中，多種陶瓷材料已經成為晶圓加工設備的耐等離子體刻蝕材料。其中，氧化釔（Y2O3）屬于立方晶系，其熔點為2430℃，電絕緣性良好，透光性好。許多研究表明，Y2O3陶瓷涂層的耐等離子刻蝕性能要優于Al2O3涂層。 目前，氧化釔陶瓷在刻蝕機中主要應用場景為腔體與窗視鏡。在腔體中，除了做成整個腔體，考慮到價格因素，往往會在其它陶瓷基體上噴涂Y2O3涂層來達到目的；刻蝕機上的窗視鏡材料中，Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現出非常好的耐腐蝕性能得到了極大的關注。 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。實際上，半導體設備對精密陶瓷依賴極高，擁有千億美元市場的半導體設備市場離不開先進陶瓷材料的支撐。

審核編輯：黃飛