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精密陶瓷:解决半导体产业“卡脖子”问题的关键!

作者:材料委天津院 更新时间:2022-06-23 14:57 来源:材料委天津院 点击数:217

在半导体产业中,半导体制造设备是我国卡脖子的问题,也是重点鼓励发展的产业。近几年,随着国家政策的调整,半导体行业迅速发展,产业规模急速增大,半导体制造设备持续向精密化、复杂化演变,高精密陶瓷关键部件的技术要求也越来越高。


2022年的全国两会,各民主党派围绕中共中央和国家重要决策部署,围绕社会公众关心的重要民生问题,发挥自身优势,提出了一系列意见建议,为党和政府科学决策提供了重要参考。人民网·中国共产党新闻网和中国统一战线新闻网联合推出“2022年全国两会各民主党派提案选登”专栏,选登各民主党派中央拟提交全国政协十三届五次会议的部分提案。其中,台盟中央拟提交“关于进一步加快半导体精密陶瓷部件产业发展的提案”。


该提案强调,作为半导体生产设备的关键部件,精密陶瓷部件的研发生产直接影响着半导体装备制造业乃至整个半导体产业链的发展。可以说,精密陶瓷部件是整个半导体产业基础中的基础。因此,无论从经济安全角度还是产业成本角度考虑,要突破我国半导体产业面临的“卡脖子”窘境,必须重视精密陶瓷部件等半导体生产设备关键部件的国产化发展。


活跃于半导体制造装置中的主要精密陶瓷零部件


一、精密陶瓷在半导体中的应用


半导体设备需要大量的精密陶瓷部件。由于陶瓷具有高硬度、高弹性模量、高耐磨、高绝缘、耐腐蚀、低膨胀等优点,可用作硅片抛光机、外延/氧化/扩散等热处理设备、光刻机、沉积设备,半导体刻蚀设备,离子注入机等设备的零部件。半导体陶瓷有氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅等,在半导体设备中,精密陶瓷的价值约占16%左右。


1、氧化铝(Al₂O₃)


氧化铝在半导体装备中使用最为广泛的精密陶瓷材料。具有材料结构稳定,机械强度高,硬度高,熔点高,抗腐蚀,化学稳定性优良,电阻率大,电绝缘性能好等优点,在半导体设备中应用广泛。


在半导体刻蚀设备中,刻蚀机腔室材料作为晶圆污染的主要来源,等离子刻蚀对其影响程度决定了晶圆的良率、质量、刻蚀工艺的稳定性等等。因此,刻蚀机腔室材料的选用尤为重要。当前,主要采用高纯Al₂O₃涂层或Al₂O₃陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。除了腔体以外,等离子体设备的气体喷嘴,气体分配盘和固定晶圆的固定环等也需用到氧化铝陶瓷。


在晶圆硅晶片的搬运中,会应用到氧化铝陶瓷制成的陶瓷机械手臂。氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷都具备致密质、高硬度、高耐磨性的物理性质,以及良好的耐热性能、优良的机械强度,高温环境仍具有良好的绝缘性、良好的抗腐蚀性等物理性能,是用于制作半导体设备机械手臂的绝佳材料。从材料性质来看,碳化硅陶瓷用于制作陶瓷机械手臂较为合适,但是从材料价格、加工难度等经济方面来说,氧化铝陶瓷机械手臂的性价比更高。


此外,在晶圆抛光工艺中,氧化铝陶瓷可被广泛应用于抛光板、抛光磨垫校正平台、真空吸盘等。


2、碳化硅(SiC)


碳化硅具有高导热性、高温机械强度、高刚度、低热膨胀系数、良好的热均匀性、耐腐蚀性、耐磨耗性等特性。碳化硅在高达1400℃的极端温度下,其仍能保持良好的强度。采用碳化硅陶瓷的研磨盘由于硬度高而磨损小,且热膨胀系数与硅晶片基本相同,因而可以高速研磨抛光。

在晶圆硅晶片的搬运中,会应用到氧化铝陶瓷制成的陶瓷机械手臂。氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷都具备致密质、高硬度、高耐磨性的物理性质,以及良好的耐热性能、优良的机械强度,高温环境仍具有良好的绝缘性、良好的抗腐蚀性等物理性能,是用于制作半导体设备机械手臂的绝佳材料。从材料性质来看,碳化硅陶瓷用于制作陶瓷机械手臂较为合适,但是从材料价格、加工难度等经济方面来说,氧化铝陶瓷机械手臂的性价比更高。


此外,在晶圆抛光工艺中,氧化铝陶瓷可被广泛应用于抛光板、抛光磨垫校正平台、真空吸盘等。


2、碳化硅(SiC)


碳化硅具有高导热性、高温机械强度、高刚度、低热膨胀系数、良好的热均匀性、耐腐蚀性、耐磨耗性等特性。碳化硅在高达1400℃的极端温度下,其仍能保持良好的强度。采用碳化硅陶瓷的研磨盘由于硬度高而磨损小,且热膨胀系数与硅晶片基本相同,因而可以高速研磨抛光。

4、氮化硅(Si3N4)


氮化硅(Si3N4)是断裂韧性高、耐热冲击性强、高耐磨耗性、高机械强度、耐腐蚀的材料。可应用于半导体设备的平台、轴承等部件。


二、精密陶瓷在国内外的发展现状


1、半导体设备市场将突破千亿美元,陶瓷部件占成本10%以上


近期,美国半导体产业协会(SIA)表示,2021年全球芯片销售额达到创纪录的5559亿美元,较上年增长26.2%。该协会预计,随着芯片制造商继续扩大产能以满足需求,2022年全球芯片销售额将增长8.8%。


  • 半导体市场迅猛发展的同时带飞了上游设备市场。


据了解,继2020年同比增长17%以及2021年同比增长39%之后,晶圆厂设备支出预计在2022将继续保持增长。SEMI(国际半导体产业协会)指出,2022年全球前端晶圆厂设备(不含封装测试的前道工艺设备,一般为晶圆制造设备)支出预计将超过980亿美元,达到历史新高,连续第三年实现增长。


  • 精密陶瓷已成为半导体设备的关键部件,成本占10%以上。


在高端光刻机中,为实现高制程精度,需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件,如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等,这些关键部件一般选用精密陶瓷材料。

在刻蚀设备中,刻蚀机腔室材料作为晶圆污染的主要来源,等离子刻蚀对其影响程度决定了晶圆的良率、质量、刻蚀工艺的稳定性等等。因此,研究和开发出一种极其耐刻蚀腔体材料成为半导体集成产业以及等离子刻蚀技术中一项极具挑战的任务。当前,主要采用高纯Al₂O₃涂层或Al₂O₃陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。除了腔体以外,等离子体设备的气体喷嘴,气体分配盘和固定晶圆的固定环等也需用到精密陶瓷。


一台半导体设备看似是用金属及塑料打造的,其实里面隐藏着非常多极具技术含量的精密陶瓷部件。总之,精密陶瓷在半导体设备中的应用远比我们想象中要多。


2、当前全球竞争格局


目前国外在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面走在前列的公司有日本京瓷、美国CoorsTek、德国BERLINERGLAS等,其中,京瓷和CoorsTek公司占据了集成电路核心装备用高端精密陶瓷结构件市场份额的70%。


京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料体系齐全、性能优异、结构复杂、加工精度高等特点,所制造的精密陶瓷结构件几乎涵盖了现有结构陶瓷材料体系,如氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化铝等;结构件的应用领域也几乎覆盖了全部集成电路核心装备,形成了一系列型号齐全、品种多样的精密陶瓷结构件产品,如美国CoorsTek公司能够提供光刻机专用组件、等离子刻蚀设备专用组件、PVD/CVD专用组件、离子注入设备专用组件、晶片吸附固定传输专用组件等一系列产品;京瓷能够提供光刻机、晶圆制造设备、刻蚀机、沉积设备(CVD、溅射)、LCD等装备用精密陶瓷结构件。我国在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面起步较晚,在大尺寸、高精度、中空、闭孔、轻量化结构的结构陶瓷零部件的制备领域有诸多关键技术问题有待突破。


3、我国面临的问题


本次台盟中央拟提交的“关于进一步加快半导体精密陶瓷部件产业发展的提案”指出了我国精密陶瓷产业发展存在的问题并给出了重要建议。其中,目前我国精密陶瓷产业发展存在以下问题:


一是研发体系不健全,具备研发实力的核心企业长期缺位。在科研层面,我国清华大学、中科院上海硅酸盐研究所等科研院单位在精密陶瓷研发方面虽然有很好的积累,但上世纪九十年代末之后研发投入几乎停止,精密陶瓷应用收窄,高端产品止步于实验室而难以量产。在企业层面,陶瓷产业链长期存在大而不强的问题,尤其原料环节陶瓷粉体制备水平较日本、德国等仍然差距很大,目前国内结构陶瓷基本限于大量低端陶瓷制品,而且规模都不突出,难以具备足够的研发实力。


二是国内半导体系统、制造及封测厂商惯性采购国外设备与部件,国产部件与材料进入采购体系的难度大。国内部件产品正处于关键的摸索提升期,短期难以通过设备龙头企业的OEM品质认证,更需要国内半导体产业链骨干企业的耐心参与及联合培育。


三是关键材料的产业投入有待加强。由于研发周期长、开发难度大等因素,目前,对精密陶瓷部件等关键材料的产业投入不足。以国家集成电路产业基金为例,对装备及材料产业的投入仅占其投资总额的3%,这与其地位作用不匹配。


三、对我国精密陶瓷产业的发展建议


1、培育潜力企业,发挥行业带动作用。


建议国家有关部门在落实《国家集成电路产业发展推进纲要》中,进一步加大对精密陶瓷部件研发和产业的支持。通过整合科研系统与行业协会、联盟,在全国范围内集中资源优先甄选扶植一批具有国际竞争力的潜力企业,从而带动全行业企业发展。


2、加强产业协同,整合国内产业资源。


建议国家有关部门鼓励国有装备、材料、化工等大型企业参与精密陶瓷行业发展。制定装备及配件国产化的指导性目标,建立财政引导与科技保险相结合的关键部件材料国产化引导机制,通过政府财政与市场化保险产品的保障支持,鼓励国内半导体装备企业采购国产精密陶瓷部件。鼓励企业及院校联合建立技术研发与检测认证机构,加快建立精密陶瓷等关键部件及材料国产化的科技服务体系。


3、强化涉企保障,优化产业发展环境。


建议国家有关部门在精密陶瓷产业聚集地设立知识产权协助中心,通过缩短知识产权审核授权周期、加大侵权惩戒力度等方式,指导并协助企业处理知识产权纠纷,保护研发创新动力。吸引精密陶瓷重点企业落户保税区,通过有限区域的税收政策差异化,缓解半导体产业当前的研发攻关成本压力。同时,围绕精密陶瓷企业专业技术人才培育,加强政策统筹协调,支持地方做好核心团队成员的落户、子女就学、医疗等配套保障,尤其是从国外领先企业的引进人才团队的服务支持。


4、发挥市场作用,加大产业投入力度。


建议进一步完善上交所、深交所交易功能,借助北京证券交易所的建立新契机,在三家国家级交易所创新设立精密陶瓷等新材料板块,精准支持具有核心竞争力的新材料中小企业。鼓励保险、信托等长期资金加大对优秀未上市中小企业的股权投资,打通资本融入、退出的合理通道,为进一步支持新材料类“硬核科技”企业成长清障提速。