半導體產業是關乎國家經濟、政治和國防安全的戰略產業，在半導體產業中，制造裝備具有極其重要的戰略地位。以光刻機為代表的半導體關鍵裝備是現代技術高度集成的產物，其設計和制造過程均能體現出包括材料、機械加工等在內的諸多相關科學領域的最高水平。例如，對于材料而言，半導體制造關鍵裝備要求零部件材料具有輕質高強、高導熱系數和低熱膨脹系數等特點，且致密均勻無缺陷。
其中，精密陶瓷就是最具代表性半導體精密部件材料。
何為半導體精密部件？
半導體零部件是指在材料、結構、工藝、品質和精度、可靠性及穩定性等性能方面達到了半導體設備及技術要求的零部件，如 O 型密封圈、傳送模塊、射頻電源、靜電吸盤、硅/碳化硅環、真空泵、氣體流量計、精密軸承、氣體噴淋頭等。半導體設備由成千上萬個零部件組成，零部件的性能、質量和精度直接決定著設備的可靠性和穩定性，也是我國在半導體制造能力上向高端化躍升的關鍵基礎要素。
按照半導體零部件的主要材料和使用功能來分，可以將其分為十二大類，包括硅 / 碳化硅件、石英件、陶瓷件、金屬件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、過濾部件、運動部件、電控部件以及其他部件。
主要零部件產品及其主要服務的半導體設備
從上表我們可以看到，精密陶瓷部件在化學氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、刻蝕等一系列半導體主要制造環節均有重要應用。ESC靜電吸盤同樣是貫穿于幾大重要環節的關鍵部件，在上表中它雖然沒有歸于“陶瓷件”一類，但據粉體網編輯了解，目前陶瓷材料是靜電吸盤最熱門的主體材料。
精密陶瓷可做成哪些精密部件？
在高端光刻機中，為實現高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復合性、結構穩定性、熱穩定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如 E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁鋼骨架水冷板、反射鏡、導軌等，這些關鍵部件一般選用陶瓷材料。
掃描電機水冷骨架
光刻機方鏡
在刻蝕設備中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤，噴嘴，絕緣環，蓋板，聚焦環和靜電吸盤等。隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類等離子體能量的逐漸提高，刻蝕機工藝腔和腔體內部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來越重要。相對于有機和金屬材料，陶瓷材料一般都具有較好的耐物理和化學腐蝕性能以及很高的工作溫度，因而在半導體工業中，多種陶瓷材料已成為半導體單晶硅片制造工序和前道加工工序的設備核心部件制造材料。
圖片來源：日本京瓷
日本丸和制造的碳化硅環
靜電吸盤，圖片來源：海拓創新
再比如，陶瓷劈刀是引線鍵合過程中的必不可少的工具，其中部分廠家的陶瓷劈刀主要成分為氧化鋯增強氧化鋁，其微觀結構均勻而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化鋯的含量和均勻致密的微觀結構促使鋯摻雜的陶瓷劈刀具有非常優異的力學性能，減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數。
陶瓷劈刀，來源：三環集團
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。總之，精密陶瓷在半導體設備中的應用遠比我們想象中要多。
哪些陶瓷材料最受歡迎？
氧化物陶瓷
據了解，半導體設備中會用到大量的氧化物陶瓷精密部件。
例如氧化鋁材料，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。而在晶圓拋光工藝中，氧化鋁陶瓷可被廣泛應用于拋光板、拋光磨墊校正平臺、真空吸盤等。
氧化鋁拋光板，來源：日本京瓷
此外，上面我們說了，氧化鋯陶瓷作為劈刀的主要制造材料，是引線鍵合過程中的必不可少的工具。
碳化硅陶瓷
碳化硅材料具有極高的彈性模量、導熱系數和較低的熱膨脹系數，不易產生彎曲應力變形和熱應變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機械加工至優良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機等半導體關鍵裝備用精密結構件材料具有極大的優勢。
碳化硅微動臺本體組件
氮化硅陶瓷
作為一種共價鍵化合物，其熱膨脹系數低、導熱率高、抗化學腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經過熱壓燒結的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會熔成融體，到1900℃才會分解。因此，氮化硅陶瓷被稱為是“綜合性能最好的陶瓷材料”，在半導體設備中被用以制造平臺、導軌、軸承等部件。
氮化鋁陶瓷
圖片來源：海拓創新
目前的靜電吸盤主要采用氧化鋁陶瓷作為主體制造材料，而氧化鋁材料熱導率及相關機械性能不及氮化鋁陶瓷，因此采用氮化鋁陶瓷替代氧化鋁陶瓷作為靜電吸盤的制造材料將成為趨勢。
市場及競爭格局
半導體設備市場
根據美國半導體產業協會（SIA）消息，2021年全球芯片銷售額達到創紀錄的5559億美元，較上年增長26.2%。該協會預計，隨著芯片制造商繼續擴大產能以滿足需求，2022年全球芯片銷售額將增長8.8%。
在設備方面，繼2020年同比增長17%以及2021年同比增長39%之后，晶圓廠設備支出預計在2022將繼續保持增長。SEMI(國際半導體產業協會)指出，2022年全球前端晶圓廠設備(不含封裝測試的前道工藝設備，一般為晶圓制造設備)支出預計將超過980億美元，達到歷史新高，連續第三年實現增長。
當前全球競爭格局
目前國外在集成電路核心裝備用精密陶瓷結構件的研發和應用方面走在前列的公司有日本京瓷、美國CoorsTek、德國BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占據了集成電路核心裝備用高端精密陶瓷結構件市場份額的70%。
京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料體系齊全、性能優異、結構復雜、加工精度高等特點，所制造的精密陶瓷結構件幾乎涵蓋了現有結構陶瓷材料體系，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等；結構件的應用領域也幾乎覆蓋了全部集成電路核心裝備，形成了一系列型號齊全、品種多樣的精密陶瓷結構件產品，如美國CoorsTek公司能夠提供光刻機專用組件、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；京瓷能夠提供光刻機、晶圓制造設備、刻蝕機、沉積設備（CVD、濺射）、LCD等裝備用精密陶瓷結構件。
我國在集成電路核心裝備用精密陶瓷結構件的研發和應用方面起步較晚，在大尺寸、高精度、中空、閉孔、輕量化結構的結構陶瓷零部件的制備領域有諸多關鍵技術問題有待突破。
我國面臨的問題
研發體系不健全，具備研發實力的核心企業長期缺位
在科研層面，我國清華大學、中科院上海硅酸鹽研究所等科研院單位在精密陶瓷研發方面雖然有很好的積累，但上世紀九十年代末之后研發投入幾乎停止，精密陶瓷應用收窄，高端產品止步于實驗室而難以量產。在企業層面，陶瓷產業鏈長期存在大而不強的問題，尤其原料環節陶瓷粉體制備水平較日本、德國等仍然差距很大，目前國內結構陶瓷基本限于大量低端陶瓷制品，而且規模都不突出，難以具備足夠的研發實力。
國產部件與材料進入采購體系的難度大
目前，國內半導體系統、制造及封測廠商慣性采購國外設備與部件，國內部件產品正處于關鍵的摸索提升期，短期難以通過設備龍頭企業的OEM品質認證，更需要國內半導體產業鏈骨干企業的耐心參與及聯合培育。
關鍵材料的產業投入有待加強
由于研發周期長、開發難度大等因素，目前，對精密陶瓷部件等關鍵材料的產業投入不足。以國家集成電路產業基金為例，對裝備及材料產業的投入僅占其投資總額的3%，這與其地位作用不匹配。
對我國半導體精密陶瓷產業的發展建議
培育潛力企業，發揮行業帶動作用
建議國家有關部門在落實《國家集成電路產業發展推進綱要》中，進一步加大對精密陶瓷部件研發和產業的支持。通過整合科研系統與行業協會、聯盟，在全國范圍內集中資源優先甄選扶植一批具有國際競爭力的潛力企業，從而帶動全行業企業發展。
加強產業協同，整合國內產業資源
建議國家有關部門鼓勵國有裝備、材料、化工等大型企業參與精密陶瓷行業發展。制定裝備及配件國產化的指導性目標，建立財政引導與科技保險相結合的關鍵部件材料國產化引導機制，通過政府財政與市場化保險產品的保障支持，鼓勵國內半導體裝備企業采購國產精密陶瓷部件。鼓勵企業及院校聯合建立技術研發與檢測認證機構，加快建立精密陶瓷等關鍵部件及材料國產化的科技服務體系。
強化涉企保障，優化產業發展環境
建議國家有關部門在精密陶瓷產業聚集地設立知識產權協助中心，通過縮短知識產權審核授權周期、加大侵權懲戒力度等方式，指導并協助企業處理知識產權糾紛，保護研發創新動力。吸引精密陶瓷重點企業落戶保稅區，通過有限區域的稅收政策差異化，緩解半導體產業當前的研發攻關成本壓力。同時，圍繞精密陶瓷企業專業技術人才培育，加強政策統籌協調，支持地方做好核心團隊成員的落戶、子女就學、醫療等配套保障，尤其是從國外領先企業的引進人才團隊的服務支持。
發揮市場作用，加大產業投入力度
建議進一步完善上交所、深交所交易功能，借助北京證券交易所的建立新契機，在三家國家級交易所創新設立精密陶瓷等新材料板塊，精準支持具有核心競爭力的新材料中小企業。鼓勵保險、信托等長期資金加大對優秀未上市中小企業的股權投資，打通資本融入、退出的合理通道，為進一步支持新材料類“硬核科技”企業成長清障提速。
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