浅谈半导体设备高精密陶瓷关键部件的技术

半导体设备的升级迭代，很大程度上有赖于精密零部件的关键技术突破。精密零部件不仅是半导体设备制造中难度较大、技术含量较高的环节之一，也是国内半导体设备“卡脖子”的环节之一，也支撑着整个半导体芯片制造和现代电子信息产业。
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。

硅基陶瓷精密部件

对于芯片制造来讲，光刻是一个必不可少的环节，可以说，没有光刻机，就没有现代芯片产业。在集成电路制造过程中，光刻工艺的费用约占制造成本的1/3 左右，耗费时间占比约为40-50%。光刻工艺所需的光刻机是最重要、最复杂、最昂贵的集成电路制造装备，被誉为“超精密尖端装备的珠穆朗玛峰”。   碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能 (如高强度、高硬度、高弹性模量等)、优异的高温稳定性 (如高导热系数、低热膨胀系数等) 以及良好的比刚度和光学加工性能，特别适合用于制备光刻机等集成电路装备用精密陶瓷结构件，如用于光刻机中的精密运动工件台、骨架、吸盘、水冷板以及精密测量反射镜、光栅等陶瓷结构件等。  

中国建筑材料科学研究总院制备的光刻机用精密碳化硅结构件

  在制备光刻机等集成电路关键装备用碳化硅陶瓷精密结构件时，还存在着诸多的技术难点和挑战，比如如何实现中空、闭孔结构，以达到高度轻量化、高模态的目标；如何获得显微结构均匀、性能稳定的材料；如何实现大尺寸、复杂形状结构的陶瓷部件的快速制备等。   目前IC制造装备用高端碳化硅陶瓷零部件70%被Kyocera、CoorsTek两家公司垄断，剩余部分也被欧美日企业所占据。Kyocera和CoorsTek产品的特点是种类齐全、市场覆盖面广，以半导体用陶瓷组件为例，CoorsTek提供的精密陶瓷结构件涵盖了光刻机专用组件、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；Kyocera则提供光刻机、晶圆制造设备、刻蚀机、沉积设备(CVD、PVD)、液晶面板(LCD)制造装备等专用的陶瓷零部件。

  在国内，中国建筑材料科学研究总院率先开展了极大规模集成电路制造装备用精密碳化硅结构件的制备工艺研究，攻克了以光刻机为代表的集成电路制造关键装备用大尺寸、中空薄壁、复杂结构、精密碳化硅结构件制备的技术难关，形成一系列自主知识产权的专利技术，制备出了诸如碳化硅真空吸盘、导轨、反射镜、工件台等一系列光刻机用精密碳化硅结构件，满足了光刻机等集成电路制造关键装备用精密结构件的使用要求，推动了我国集成电路关键装备的独立自主健康发展。   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。    

 

铝基陶瓷零部件

在半导体刻蚀设备中，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。   CMP是半导体制程中的关键技术，伴随制程节点的不断突破，CMP已成为0.35μm及以下制程不可或缺的平坦化工艺，关乎着后续工艺良率。由于CMP设备的作业原理，设备的抛光台、抛光板、搬运臂、真空吸盘等关键耗材也会因为长期摩擦和腐蚀而导致损耗。氧化铝陶瓷具备致密质、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CMP设备关键耗材的绝佳材料。  

CMP工作原理示意图

  静电吸盘广泛应用于集成电路制造工艺中，特别是刻蚀、PVD、CVD等核心工艺中。静电吸盘按照主体材料材质划分，可分为氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷（一般应用于静电吸盘加热器）两大类。但氧化铝材料热导率及相关机械性能均不及氮化铝陶瓷，在半导体加工中，对硅片的温度控制相当重要，如果无法保证硅片表面的均温，则在对硅片的加工过程中将无法确保加工的均匀性，加工精度将受到极大的影响，因此行业内目前均以氮化铝陶瓷作为静电吸盘的最优制造材料。        

 

陶瓷劈刀

在半导体封装环节中，“引线键合”是用来实现芯片和基板的电路连接的主要方式。在这个工序中，陶瓷劈刀是引线键合过程中的必不可少的工具。由于一台键合机在满荷载的工作状态下每天需要键合几百万个焊点，陶瓷劈刀作为键合机中的焊接针头，一台键合机平均每天就要消耗0.7只陶瓷劈刀。       目前，陶瓷劈刀的主要制造材料为氧化铝，部分厂家在氧化铝的基础上添加了氧化锆，其微观结构更加均匀而致密，密度提高到4.3g/cm3，可以减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。    

 

氧化钇陶瓷

在半导体工业中，多种陶瓷材料已经成为晶圆加工设备的耐等离子体刻蚀材料。其中，氧化钇（Y2O3）属于立方晶系，其熔点为2430℃，电绝缘性良好，透光性好。许多研究表明，Y2O3陶瓷涂层的耐等离子刻蚀性能要优于Al2O3涂层。       目前，氧化钇陶瓷在刻蚀机中主要应用场景为腔体与窗视镜。在腔体中，除了做成整个腔体，考虑到价格因素，往往会在其它陶瓷基体上喷涂Y2O3涂层来达到目的；刻蚀机上的窗视镜材料中，Y2O3透明陶瓷在含氟等离子体中表现出非常好的耐腐蚀性能得到了极大的关注。   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。实际上，半导体设备对精密陶瓷依赖极高，拥有千亿美元市场的半导体设备市场离不开先进陶瓷材料的支撑。

审核编辑：黄飞