在半导体制造的光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入、CMP等关键制程设备中，精密陶瓷部件扮演着不可或缺的角色。这些高性能陶瓷部件广泛应用于设备腔体内部，承担着支撑、保护、导流等重要功能。本文将全面介绍半导体设备中各类精密陶瓷部件的应用现状。


 

半导体制造中先进陶瓷使用情况

01 晶圆制造前道工艺中的陶瓷部件


1.光刻系统
 

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，如静电吸盘、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨、工件台、掩模台等。
 

典型应用：

· 静电吸盘：静电吸盘是半导体部件制造中广泛应用的硅片夹持和转移工具，广泛用于基于等离子体和真空的半导体工艺，如蚀刻、化学气相沉积和离子注入等。

     主要陶瓷材料：氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷
     制造难点：复杂的结构设计、原材料选择与烧结、温度控制、高精度加工技术

· 移动平台：光刻机移动平台的材料体系设计是光刻机获得高精度、高速度的关键。为了有效抵抗移动平台在扫描过程中由于高速移动而产生的变形，平台材料应包括具有较高比刚度的低热膨胀材料，即此类材料具备高模量的同时还应满足低密度的需求。另外，材料还需要较高的比刚度，这能够使整个平台在承受更高加速度和速度的同时保持相同的失真水平。通过在不增加失真的情况下以更高的速度转换掩模，增加吞吐量，在保证高精度的同时提高工作效率。

     主要陶瓷材料：选用堇青石或碳化硅陶瓷，确保高速运动下的稳定性。


2. 刻蚀设备

为了将芯片电路图从掩模转移到晶圆上，以实现预定的芯片功能，刻蚀工艺是其中重要的一环。刻蚀设备上采用陶瓷材料制作的部件主要有腔体、窗视镜，气体分散盘，喷嘴，绝缘环，盖板，聚焦环和静电吸盘等。

 

主要部件特性：

2.1 反应腔体：随着半导体器件最小特征尺寸的不断缩小，对晶圆缺陷的要求变得更加严格，为了避免金属杂质和颗粒的污染，对半导体设备腔体和腔体内的部件材料提出了更加严格的要求，目前陶瓷材料已经成为刻蚀机腔体的主要材料。
 

材料要求：

（1）纯度要高，金属杂质含量少；

（2）主要组成成分化学性质稳定，特别是与卤素类腐蚀性气体的化学反应速率要低；

（3）致密度高，开口气孔少；

（4）晶粒细小，晶界相含量少；

（5）具有优良的机械性能，便于生产加工；

（6）某些部件可能还有其他性能要求，如良好的介电性能、导电性或导热性等。


 主要材料：石英、碳化硅、氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化钇等。


2.2 气体分配盘：它的表面密密麻麻地分布着几百上千个微小的通孔，如同精密编织的神经网络，能精准控制气体流量与喷射角度，确保晶圆加工的每一寸都均匀“沐浴”在工艺气体中，提高生产效率和产品质量。


技术难点：气体分配盘除对洁净度、耐腐蚀性有极高要求外，对气体分配盘上的小孔孔径一致性、小孔内壁毛刺有严苛要求，如孔径尺寸公差和一致性标准差过大或任一内壁存在毛刺，则会导致沉积膜层厚度不一，进而直接影响设备工艺良率。

主要陶瓷材料：CVD-SiC、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。


2.3 聚焦环：聚焦环的作用是提供均衡的等离子，要求与硅晶圆有相似的电导率。以往采用的材料主要是导电硅，但是含氟等离子体会与硅反应生成易挥发的氟化硅，大大缩短其使用寿命，导致部件需要频繁更换，降低生产效率。SiC与单晶Si有相似的电导率，而且耐等离子体刻蚀性能更好，可以作为聚焦环的使用材料。

主要陶瓷材料：碳化硅陶瓷

 

3. 薄膜沉积设备

 

PVD/CVD设备中的核心陶瓷部件包括：
 

陶瓷加热器

· 静电吸盘：实现晶圆精准定位与温度控制

· 陶瓷加热器：陶瓷加热器是直接应用于工艺腔体中，与晶圆直接接触，不仅承载晶圆，还确保晶圆获得稳定、均匀的工艺温度的部件，是半导体薄膜沉积设备中的关键部件。主要陶瓷材料是氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷。


02 封装测试后道工艺中的陶瓷应用


1. 化学机械抛光CMP设备
 

在CMP设备中，抛光板、搬运臂、校正平台、真空吸盘等均采用陶瓷材质。
 

2. 晶圆切割与封装设备

· 切割刀片：金刚石-陶瓷复合材料，切割速度达300mm/s，崩边＜1μm。

· 热压焊头：氮化铝陶瓷，导热率220 W/mK，确保焊点温度均匀性±2℃封装基板。

· 低温共烧陶瓷（LTCC）：布线精度达10μm，支持5G毫米波传输。

· 陶瓷劈刀：引线键合过程中的重要工具。常用氧化铝陶瓷、氧化锆增强氧化铝陶瓷等。
 

陶瓷劈刀

03 支撑系统：晶圆传输与洁净环境中的陶瓷件


1. 晶圆传输系统

· 机械臂：氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷。

· 机械臂关节轴承：氧化锆陶瓷球，摩擦系数＜0.001，寿命＞1000万次循环真空。

· 机械手手指：碳化硅陶瓷，耐150℃烘烤，颗粒释放量＜0.1个/cm2


2.超纯水与气体输送系统

· 阀门组件：氮化硅陶瓷，耐氢氟酸腐蚀

· 管路内衬：高纯氧化铝，表面粗糙度Ra＜0.1μm


04 结语
 

作为半导体设备精密陶瓷部件领域的专业供应商，上海知明科技专注于为全球半导体制造商提供高性能的陶瓷解决方案，产品涵盖光刻机静电吸盘、刻蚀设备气体分配盘、薄膜沉积陶瓷加热器等关键部件。公司拥有先进的陶瓷材料研发中心和精密加工生产线，采用高纯度氧化铝、氮化硅、碳化硅等材料，通过严格的工艺控制和品质检测，确保产品达到5N级纯度标准，尺寸精度控制在±0.005mm以内。我们不仅提供标准规格产品，更能根据客户设备需求进行定制化开发，从材料选型、结构设计到表面处理提供一站式服务，同时配备专业的技术支持团队，协助客户解决在设备升级、工艺优化过程中遇到的陶瓷部件应用难题，以卓越的产品性能和可靠的技术服务助力半导体制造设备实现更高的工艺稳定性和生产效率。
 

知明 碳化硅陶瓷叉手与托盘