中国粉体网讯 半导体产业是构建我国战略科技力量的核心支撑产业，而半导体零部件则是决定我国半导体产业高质量发展的关键领域。一般而言，半导体设备零部件占设备总支出的70%左右，以刻蚀机为例，主要关键部件占设备总成本的85%。
那么，为什么半导体设备及零部件在半导体领域中如此重要？
半导体零部件是指在材料、结构、工艺、品质和精度、可靠性及稳定性等性能方面达到半导体设备及技术要求的零部件，如O型密封圈（O-Ring）、传送模块（EFEM）、射频电源（RFGen）、静电吸盘（ESC）、硅（Si）环等结构件、真空泵（Pump）、气体流量计（MFC）、精密轴承、气体喷淋头（ShowerHead）等。
首先，半导体设备是由成千上万个零部件组成，零部件的性能、质量和精度直接决定着设备的可靠性和稳定性，也是我国在半导体制造能力上向高端化跃升的关键基础要素。
另外，半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的产业规律，而半导体设备的升级迭代很大程度上有赖于精密零部件的技术突破，各种半导体零部件相互配合，共同支持半导体设备的运转。
总之，半导体设备是半导体产业链的关键支撑，其技术的实施依赖于各种精密零部件，而精密零部件的材料与加工技术是集成电路核心技术的载体，是半导体产业的基石。
那么，按照半导体零部件的主要材料和使用功能来分，又可以将其分为十几大类，包括硅/碳化硅件、石英件、陶瓷件、金属件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、过滤部件、运动部件、电控部件以及其他部件。
精密陶瓷部件在化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入、刻蚀等一系列半导体主要制造环节均有重要应用。可以说，精密陶瓷部件就是最具有代表性的半导体精密部件材料（在此背景下，中国粉体网将于2023年6月14日在江苏苏州举办第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会，届时，来自清华大学的潘伟教授将带来题为《精密陶瓷在半导体设备中的应用》的报告，欢迎报名参会）。
陶瓷部件占半导体设备成本10%以上，技术难度极高
精密陶瓷零部件是采用氧化铝、氮化铝等先进陶瓷经精密加工后制备的半导体设备用核心零部件，具有高强度、耐腐蚀、高精度等优异性能，应用于刻蚀机、涂胶显影机、光刻机、离子注入机等半导体关键设备中。据相关专家介绍，陶瓷部件成本占半导体设备成本10%以上。
由于半导体设备是由腔室内和腔室外组成，精密陶瓷大部分用在离晶圆更近的腔室内，因此，精密陶瓷在半导体领域必须满足以下三个严苛要求：
（1）陶瓷材料性能：必须满足半导体设备对材料在机械力学、热、介电、耐酸碱和等离子体腐蚀等方面的综合性能要求。
（2）陶瓷材料精密加工：先进陶瓷材料属于硬脆难加工材料，半导体设备对零部件的精度要求高，加工始终是陶瓷零部件在半导体设备应用的瓶颈之一。
（3）加工后的新品表面处理：由于半导体设备中陶瓷零部件通常紧密围绕着晶圆，一些甚至直接接触晶圆，因此对其表面金属离子和颗粒的控制极为严格，加工后的表面处理是陶瓷零部件在半导体设备中应用的关键技术之一。
最受欢迎的精密陶瓷材料
用于半导体领域的陶瓷材料有氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅等。
氧化物陶瓷
据了解，半导体设备中会用到大量的氧化物陶瓷精密部件。例如氧化铝材料，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。而在晶圆抛光工艺中，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。
氧化铝抛光板，来源：日本京瓷
此外，氧化锆陶瓷作为劈刀的主要制造材料，是引线键合过程中的必不可少的工具。
碳化硅陶瓷
碳化硅材料具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有极佳的可抛光性，可以通过机械加工至优良的镜面；因此采用碳化硅作为光刻机等半导体关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。
碳化硅微动台本体组件
氮化硅陶瓷
作为一种共价键化合物，其热膨胀系数低、导热率高、抗化学腐蚀、耐热冲击性极佳。经过热压烧结的Si3N4，其硬度极高，且极耐高温，它的强度一直维持在1200℃高温下而不下降，受热后不会熔成融体，到1900℃才会分解。因此，氮化硅陶瓷被称为是“综合性能最好的结构陶瓷材料”，在半导体设备中被用以制造平台、导轨、轴承等部件。
氮化铝陶瓷
目前的静电吸盘主要采用氧化铝陶瓷作为主体制造材料，而氧化铝材料热导率及相关机械性能不及氮化铝陶瓷，因此采用氮化铝陶瓷替代氧化铝陶瓷作为静电吸盘的制造材料将成为趋势。
陶瓷可做成哪些精密部件？
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碳化硅陶瓷材料。
光刻机方镜
中国建筑材料科学研究总院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。
在刻蚀设备中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗视镜，气体分散盘，喷嘴，绝缘环，盖板，聚焦环和静电吸盘等。随着芯片特征尺寸的减小和卤素类等离子体能量的逐渐提高，刻蚀机工艺腔和腔体内部件的耐等离子体刻蚀性能变得越来越重要。相对于有机和金属材料，陶瓷材料一般都具有较好的耐物理和化学腐蚀性能以及很高的工作温度，因而在半导体工业中，多种陶瓷材料已成为半导体单晶硅片制造工序和前道加工工序的设备核心部件制造材料。
来源：京瓷
像氧化钇、氧化铝等反等离子体材料，是新一代刻蚀技术的理想选择，反离子体材料钟形汽室、腔耐用高的高纯度材料如氧化铝等可提供可靠的等离子阻抗。
陶瓷劈刀是引线键合过程中的必不可少的工具，其中部分厂家的陶瓷劈刀主要成分为氧化锆增强氧化铝，其微观结构均匀而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化锆的含量和均匀致密的微观结构促使锆掺杂的陶瓷劈刀具有非常优异的力学性能，减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。
机械搬运臂在半导体设备中负责晶圆片搬运，其表面直接与晶圆接触。由于晶圆片非常容易受到其他颗粒的污染，所以一般在真空环境下进行。在此环境下，制作机械手臂的材料需要耐高温、耐磨及高硬度等特点。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。
碳化硅搬运臂，来源：日本京瓷
此外还有高纯氧化铝陶瓷抛光板、碳化硅抛光板、碳化硅晶舟、等离子产生器、微波导管.....
陶瓷精密部件在半导体设备中的用途分布
来源：Wind，梧桐树半导体整理
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。
当前市场及竞争格局
半导体设备市场
随着全球半导体市场的繁荣发展，半导体设备需求也在增长。SEMI发布的《全球半导体设备市场报告》指出，2022年全球半导体制造设备出货金额相较于2021年的1026亿美元增长5%，创下1076亿美元的历史新高，中国大陆、中国台湾、韩国排名前三。
根据2022年1-6月中国国际招标网的开标半导体设备中，源自中国大陆厂家制造的设备占比达35%。经初步核算，2022上半年我国半导体设备行业市场规模1051亿元，因此2022上半年国产厂商整体市场规模为368亿元。保守预计2022-2027年，我国半导体设备行业市场规模将保持在15%左右的复合增长率稳步提升，到2027年，中国半导体设备市场规模将达到685亿美元。
来源：SEMI前瞻产业研究院
精密陶瓷市场
半导体的需求旺增，带动核心陶瓷材料零部件采购需求高速增长，氧化铝、氮化铝、氧化钇等材料的精密陶瓷部件目前被应用于热处理、蚀刻、外延等各类工艺设备。市场调研机构Techcet发布的报告显示，作为半导体制造设备耗材的陶瓷部件市场规模预计在2022年达到23亿美元，同比增15%。
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、日本NGK、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%。
京瓷以精密陶瓷技术起家，是目前在全球能量产高质量的精密陶瓷企业中的佼佼者，其可以生产较为全面的半导体设备用精密陶瓷部件；日本碍子及日本特殊陶业在半导体设备的静电卡盘产品全球市场拥有较高份额；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，在半导体设备的超高纯碳化硅陶瓷全球市场拥有较高份额；Ferrotec在全球市场上，半导体精密陶瓷制品的市占率约为11%。
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。目前，国内涉及半导体陶瓷件供应的企业有苏州珂玛、卡贝尼、河南东微电子、三环集团、中瓷电子等。
国内外精密陶瓷企业动态
●京瓷追加30亿日元投资建设半导体陶瓷零部件生产大楼
日本京瓷发布消息称，截至2028年，公司将投资620亿元在长崎县谏早市建厂（京瓷株式会社长崎谏早工厂），该工厂占地150,000㎡，将生产广泛用于半导体制造相关的精密陶瓷零件和半导体封装产品。该工厂将于2023年10月开工，2026年度开始生产，全面投产后将实现年产值达250亿元。
●德智新材料2.5亿元碳化硅蚀刻环项目竣工
湖南株洲市举行项目集中开竣工仪式。其中，竣工项目包括湖南德智新材料有限公司半导体用碳化硅蚀刻环项目，此次半导体用碳化硅蚀刻环项目，总投资约2.5亿元，主要用于半导体用碳化硅蚀刻环的研发、制造，投产后年产值超1亿元。
●苏州珂玛：持续投入研发人员和资金，加速国产替代
为顺应泛半导体行业发展需求，苏州珂玛在先进陶瓷和表面处理领域持续投入研发人员和资金，经过多年的发展积淀，取得了亮眼的科技成果。据披露，截至2022年12月26日，苏州珂玛共获得国内授权专利50项，其中发明专利9项，实用新型专利41项，并且先进陶瓷材料零部件产品多项关键技术指标达到国内领先、国际主流水平。
●中瓷电子：布局精密陶瓷零部件领域，助力半导体设备零部件国产化
面向半导体设备零部件国产化需求，中瓷电子持续开发陶瓷材料体系，利用成熟的制造工艺平台，实现加热盘和静电卡盘等技术难度高的精密零部件国产化，解决国产半导体设备行业“卡脖子”问题。
●耐思威1.5亿光伏及半导体设备用陶瓷部件项目开工
4月1日，耐思威年产40万套光伏及半导体设备用陶瓷制品、3.5万套半导体设备用纯硅夹具、0.5万套光伏及半导体设备用碳化硅制品生产建设项目正式开工。
●国力股份的陶瓷器件已应用于刻蚀机等半导体设备
国力股份是专业从事电子真空器件的研发、生产与销售的企业，公司产品系列丰富、型号众多，涵盖真空无源器件和真空有源器件。在半导体设备制造领域，国力股份的陶瓷高压真空继电器、陶瓷真空电容器已应用于刻蚀机等半导体设备中的匹配器等单元。
●新纳科技募资3.41亿元，拟用于氧化铝陶瓷基板及静电吸盘项目
新纳材料拟在深交所主板上市，募资总金额为3.41亿元。募集资金拟用于年产4.8亿片氧化铝陶瓷基板及年产2,000个静电吸盘维修及制造项目(一期)、补充流动资金。
●汉京半导体完成数千万融资，加速半导体设备用碳化硅部件研发
辽宁汉京半导体材料有限公司宣布完成数千万元天使轮融资，由浙商创投独家投资。本轮融资将主要用于半导体设备用碳化硅制品的研发投入、和设备采购等。碳化硅陶瓷在半导体制造的前段到后段工艺装备中都有广泛应用，例如在研磨抛光吸盘、光刻吸盘、检测吸盘、精密运动平台、刻蚀环节的高纯碳化硅部件、封装检测环节中精密运动系统等等。
我国面临的问题及建议
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。
为此建议：
一是培育潜力企业，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。
二是加强产业协同，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。
三是强化涉企保障，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。
四是发挥市场作用，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。
参考来源：
朱晶：半导体零部件产业现状及对我国发展的建议
刘海林等：光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术
梧桐资本半导体团队：真空半导体设备零部件行业研究
人民网·中国共产党新闻网、中国电子报、路透社
中国粉体网、企业官网、前瞻网
（中国粉体网编辑整理/空青）
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