淺談半導(dǎo)體設(shè)備高精密陶瓷關(guān)鍵部件的技術(shù)

半導(dǎo)體設(shè)備的升級迭代，很大程度上有賴于精密零部件的關(guān)鍵技術(shù)突破。精密零部件不僅是半導(dǎo)體設(shè)備制造中難度較大、技術(shù)含量較高的環(huán)節(jié)之一，也是國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備“卡脖子”的環(huán)節(jié)之一，也支撐著整個半導(dǎo)體芯片制造和現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)。
隨著國家政策的調(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。

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(huán)節(jié)，可以說，沒有光刻機(jī)，就沒有現(xiàn)代芯片產(chǎn)業(yè)。在集成電路制造過程中，光刻工藝的費(fèi)用約占制造成本的1/3 左右，耗費(fèi)時(shí)間占比約為40-50%。光刻工藝所需的光刻機(jī)是最重要、最復(fù)雜、最昂貴的集成電路制造裝備，被譽(yù)為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”。 碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能 (如高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量等)、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性 (如高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等) 以及良好的比剛度和光學(xué)加工性能，特別適合用于制備光刻機(jī)等集成電路裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件，如用于光刻機(jī)中的精密運(yùn)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(jié)構(gòu)件等。

中國建筑材料科學(xué)研究總院制備的光刻機(jī)用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件

在制備光刻機(jī)等集成電路關(guān)鍵裝備用碳化硅陶瓷精密結(jié)構(gòu)件時(shí)，還存在著諸多的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，比如如何實(shí)現(xiàn)中空、閉孔結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高度輕量化、高模態(tài)的目標(biāo)；如何獲得顯微結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定的材料；如何實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)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(yè)所占據(jù)。Kyocera和CoorsTek產(chǎn)品的特點(diǎn)是種類齊全、市場覆蓋面廣，以半導(dǎo)體用陶瓷組件為例，CoorsTek提供的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件涵蓋了光刻機(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；Kyocera則提供光刻機(jī)、晶圓制造設(shè)備、刻蝕機(jī)、沉積設(shè)備(CVD、PVD)、液晶面板(LCD)制造裝備等專用的陶瓷零部件。

在國內(nèi)，中國建筑材料科學(xué)研究總院率先開展了極大規(guī)模集成電路制造裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備工藝研究，攻克了以光刻機(jī)為代表的集成電路制造關(guān)鍵裝備用大尺寸、中空薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密碳化硅結(jié)構(gòu)件制備的技術(shù)難關(guān)，形成一系列自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，制備出了諸如碳化硅真空吸盤、導(dǎo)軌、反射鏡、工件臺等一系列光刻機(jī)用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件，滿足了光刻機(jī)等集成電路制造關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件的使用要求，推動了我國集成電路關(guān)鍵裝備的獨(dú)立自主健康發(fā)展。 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?？蓱?yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備的平臺、軸承等部件。

鋁基陶瓷零部件

在半導(dǎo)體刻蝕設(shè)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(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。 CMP是半導(dǎo)體制程中的關(guān)鍵技術(shù)，伴隨制程節(jié)點(diǎn)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(guān)乎著后續(xù)工藝良率。由于CMP設(shè)備的作業(yè)原理，設(shè)備的拋光臺、拋光板、搬運(yùn)臂、真空吸盤等關(guān)鍵耗材也會因?yàn)殚L期摩擦和腐蝕而導(dǎo)致?lián)p耗。氧化鋁陶瓷具備致密質(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CMP設(shè)備關(guān)鍵耗材的絕佳材料。

CMP工作原理示意圖

靜電吸盤廣泛應(yīng)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(zhì)劃分，可分為氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷（一般應(yīng)用于靜電吸盤加熱器）兩大類。但氧化鋁材料熱導(dǎo)率及相關(guān)機(jī)械性能均不及氮化鋁陶瓷，在半導(dǎo)體加工中，對硅片的溫度控制相當(dāng)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(yè)內(nèi)目前均以氮化鋁陶瓷作為靜電吸盤的最優(yōu)制造材料。

陶瓷劈刀

在半導(dǎo)體封裝環(huán)節(jié)中，“引線鍵合”是用來實(shí)現(xiàn)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(jī)在滿荷載的工作狀態(tài)下每天需要鍵合幾百萬個焊點(diǎn)，陶瓷劈刀作為鍵合機(jī)中的焊接針頭，一臺鍵合機(jī)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(chǔ)上添加了氧化鋯，其微觀結(jié)構(gòu)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(shù)。

氧化釔陶瓷

在半導(dǎo)體工業(yè)中，多種陶瓷材料已經(jīng)成為晶圓加工設(shè)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(diǎn)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(yōu)于Al2O3涂層。 目前，氧化釔陶瓷在刻蝕機(jī)中主要應(yīng)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(jià)格因素，往往會在其它陶瓷基體上噴涂Y2O3涂層來達(dá)到目的；刻蝕機(jī)上的窗視鏡材料中，Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現(xiàn)出非常好的耐腐蝕性能得到了極大的關(guān)注。 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。實(shí)際上，半導(dǎo)體設(shè)備對精密陶瓷依賴極高，擁有千億美元市場的半導(dǎo)體設(shè)備市場離不開先進(jìn)陶瓷材料的支撐。

審核編輯：黃飛