2022年的全國兩會，各民主黨派圍繞中共中央和國家重要決策部署，圍繞社會公眾關心的重要民生問題，發揮自身優勢，提出了一系列意見建議，為黨和政府科學決策提供了重要參考。人民網·中國共產黨新聞網和中國統一戰線新聞網聯合推出“2022年全國兩會各民主黨派提案選登”專欄，選登各民主黨派中央擬提交全國政協十三屆五次會議的部分提案。其中，臺盟中央擬提交“關于進一步加快半導體精密陶瓷部件產業發展的提案”。

  該提案強調，作為半導體生產設備的關鍵部件，精密陶瓷部件的研發生產直接影響著半導體裝備制造業乃至整個半導體產業鏈的發展。可以說，精密陶瓷部件是整個半導體產業基礎中的基礎。因此，無論從經濟安全角度還是產業成本角度考慮，要突破我國半導體產業面臨的“卡脖子”窘境，必須重視精密陶瓷部件等半導體生產設備關鍵部件的國產化發展。

  一、精密陶瓷在半導體中的應用

  半導體設備需要大量的精密陶瓷部件。由于陶瓷具有高硬度、高彈性模量、高耐磨、高絕緣、耐腐蝕、低膨脹等優點，可用作硅片拋光機、外延/氧化/擴散等熱處理設備、光刻機、沉積設備，半導體刻蝕設備，離子注入機等設備的零部件。半導體陶瓷有氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等，在半導體設備中，精密陶瓷的價值約占16%左右。

  1、氧化鋁(Al?O?)
  氧化鋁在半導體裝備中使用最為廣泛的精密陶瓷材料。具有材料結構穩定，機械強度高，硬度高，熔點高，抗腐蝕，化學穩定性優良，電阻率大，電絕緣性能好等優點，在半導體設備中應用廣泛。
在半導體刻蝕設備中，刻蝕機腔室材料作為晶圓污染的主要來源，等離子刻蝕對其影響程度決定了晶圓的良率、質量、刻蝕工藝的穩定性等等。因此，刻蝕機腔室材料的選用尤為重要。當前，主要采用高純Al?O?涂層或Al?O?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。
  在晶圓硅晶片的搬運中，會應用到氧化鋁陶瓷制成的陶瓷機械手臂。氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷都具備致密質、高硬度、高耐磨性的物理性質，以及良好的耐熱性能、優良的機械強度，高溫環境仍具有良好的絕緣性、良好的抗腐蝕性等物理性能，是用于制作半導體設備機械手臂的絕佳材料。從材料性質來看，碳化硅陶瓷用于制作陶瓷機械手臂較為合適，但是從材料價格、加工難度等經濟方面來說，氧化鋁陶瓷機械手臂的性價比更高。
  此外，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。

  2、碳化硅(SiC)
  碳化硅具有高導熱性、高溫機械強度、高剛度、低熱膨脹系數、良好的熱均勻性、耐腐蝕性、耐磨耗性等特性。碳化硅在高達1400℃的極端溫度下，其仍能保持良好的強度。采用碳化硅陶瓷的研磨盤由于硬度高而磨損小，且熱膨脹系數與硅晶片基本相同，因而可以高速研磨拋光。
  在硅晶片生產時，需要經過高溫熱處理，常使用碳化硅夾具運輸，其耐熱、無損，可在表面涂敷類金剛石（DLC）等涂層，可增強性能，緩解晶片損壞，同時防止污染擴散。此外，碳化硅陶瓷還可應用在XY平臺、基座、聚焦環、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運臂、爐管、晶舟、懸臂槳等。

  3、氮化鋁(AIN)
  高純氮化鋁陶瓷具有卓越的熱傳導性，耐熱性、絕緣性，熱膨脹系數接近硅，且具有優異的等離子體抗性，產品熱量分布均勻。可應用于晶片加熱的加熱器、靜電夾盤等。

  4、氮化硅(Si3N4)
  氮化硅(Si3N4）是斷裂韌性高、耐熱沖擊性強、高耐磨耗性、高機械強度、耐腐蝕的材料。可應用于半導體設備的平臺、軸承等部件。

  二、精密陶瓷在國內外的發展現狀

  1、半導體設備市場將突破千億美元，陶瓷部件占成本10%以上
  近期，美國半導體產業協會（SIA）表示，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%。

  半導體市場迅猛發展的同時帶飛了上游設備市場。
  據了解，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。

  精密陶瓷已成為半導體設備的關鍵部件，成本占10%以上。
  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精密陶瓷材料。
  在刻蝕設備中，刻蝕機腔室材料作為晶圓污染的主要來源，等離子刻蝕對其影響程度決定了晶圓的良率、質量、刻蝕工藝的穩定性等等。因此，研究和開發出一種極其耐刻蝕腔體材料成為半導體集成產業以及等離子刻蝕技術中一項極具挑戰的任務。當前，主要采用高純Al?O?涂層或Al?O?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精密陶瓷。
  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。

  2、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。

  3、我國面臨的問題
  本次臺盟中央擬提交的“關于進一步加快半導體精密陶瓷部件產業發展的提案”指出了我國精密陶瓷產業發展存在的問題并給出了重要建議。其中，目前我國精密陶瓷產業發展存在以下問題：
  一是研發體系不健全，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。
  二是國內半導體系統、制造及封測廠商慣性采購國外設備與部件，國產部件與材料進入采購體系的難度大。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。
  三是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。

  三、對我國精密陶瓷產業的發展建議
  
  1、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。

  2、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。

  3、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。

  4、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。
參考來源：人民網·中國共產黨新聞網、中國電子報、路透社


文章來源：前沿材料
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