半导体设备入门专题|零部件表面处理

一、表面处理概述

表面处理业务系基于表面工程学，涉及表面改性、薄膜与涂层分析、表面检测等多种工艺，是材料清洁、材料改性和新材料制备的重要手段，也是目前材料科学产业化最活跃的领域之一。

在半导体领域，表面处理既可应用于泛半导体设备零部件新品制造中，是陶瓷、硅、石英和金属等多种材质零部件新品生产的工序之一；也可用于清洁零部件使用中形成的污染，是保障工艺制程稳定和制造良率的重要配套服务；还可用于对消耗性部件再生改造，增加表面涂层，改善或克服基材弱点，如陶瓷材料质脆、抗腐蚀性不足、抗热震性能差、高温机械性能下滑。其中，针对新品制造的表面处理服务需求规模相对较小（仅考虑由设备制造原厂委托专业第三方表面处理服务厂商的部分，不包括设备制造原厂自行实施的部分），仅约占整体市场规模的5%；对使用后零部件的表面处理约占整体市场规模的95%，是行业主要需求来源。

常见的表处业务可分为精密清洗和精密涂层业务两大类，精密涂层包括阳极氧化、熔射再生、气溶胶蒸镀及物理气相沉积等，其中后两种属于高致密涂层技术范畴。下游应用领域主要包括半导体、显示面板、光伏等。

高致密涂层技术是通过在基材表面形成低孔隙率、高结合强度的防护层，显著提升材料的耐磨、耐蚀、抗高温等性能，其孔隙率基本接近零或为零。

随着半导体制造工艺向先进制程节点演进，刻蚀真空反应腔体内的设备零部件需要承受更高能量的等离子体轰击，因此刻蚀工艺对污染颗粒物的管控要求显著提升。高致密涂层技术可以提高先进制程反应环境中零部件的耐等离子腐蚀能力，从而减少污染颗粒物的产生，延长零部件使用寿命和提升设备使用效率。目前，高致密涂层技术主要被日韩企业垄断，国内尚未实现稳定量产。

（一）精密清洗

在半导体设备制造和使用过程中，污染物会附着在设备零部件表面，尤其是腔室内零部件由于直接暴露在工艺反应中，表面会吸附多种副产物。为保证泛半导体制造良率以及工艺稳定性，需要阶段性洗净零部件以有效控制污染物，因此精密清洗是半导体制造过程中必不可少的配套服务。

上述污染物主要包括颗粒、自然氧化层、金属污染、有机物、牺牲层、抛光残留物等，具体来源和主要影响如下：

目前，精密清洗主要采用物理清洗、化学清洗等方式去除设备零部件的表面污染物。通过设计药液配方，并合理安排处理工序、处理时间和处理温度等，满足高效、批量和低成本的洗净需求。

（二）阳极氧化

阳极氧化是铝和铝合金材质零部件常用的表面处理方法，将金属置于特定环境下电解液中作为阳极，使其表面形成几十至几百微米的氧化膜，通过精确管控涂层粗糙度、膜厚等，可有效提高腔室部件对工艺反应环境的耐电压性能和耐腐蚀性能。目前该技术路线技术壁垒相对较低，国产化程度高。

（三）熔射再生

熔射是设备零部件表面改性（性能改良）的重要技术手段，使用少量材料制备特殊功能的涂层，可起到大量、昂贵的整体块材难以起到的作用，同时极大地降低成本。具体包括等离子熔射、电弧熔射、火焰熔射和爆炸熔射等。

1）TWAS双电弧铝熔射

利用大电流产生的电弧熔化两股线状铝材，使用高速气流将熔化的铝雾化，并加速喷向陶瓷基材，从而在氧化铝陶瓷零部件表面涂覆铝层，达到增加部件表面粗糙度的效果，提高陶瓷零部件在泛半导体工艺中的吸附能力。适用于低熔点金属涂层。

2）等离子熔射

产业化较为成熟的熔射工艺之一，如大气等离子喷涂(APS)。等离子喷枪将电能转化为热能，氧化钇、氧化铝、氟化钇或氟氧化钇等粉料经高温熔化后，形成中心温度达到10,000~50,000℃高温的高速等离子焰流，熔化并沉积到各类材质的零部件基体表面，以提高其耐腐蚀性。

（四）气溶胶蒸镀（AD涂层）

相较于APS，AD工艺可以生成小于10um厚度的涂层，且孔隙率几乎为0。由于APS需要对粉体加热，加热后粉体与空气接触会出现氧化、碳化现象，导致涂层出现杂质，同时在形成涂层时会有空气在其中，形成孔隙。因此，半导体行业逐渐将AD工艺运用到高端的陶瓷粉体涂层中。

图 AD涂层系统的示意图

AD涂层系统主要由气体分配单元、亚微米粉末送粉器（气溶胶发生器）、低压沉积腔室、移动平台和真空泵组成。决定涂层是否成功沉积的主要参数有粉末粒度与形态、载气种类、耗气流量、喷嘴结构与尺寸和喷涂距离等。

AD法对粉体的要求高，为了实现AD涂层高质量、大面积的涂层制备，需要均匀分散的固体颗粒。在粉体材料上，AD法采用粒径范围为数十纳米至几微米的粉末原料，从而实现减少孔隙率，获得更致密的涂层。目前常见的AD涂层使用的材料为氧化钇。

（五）物理气相沉积（PVD涂层）

物理气相沉积（PVD）是在真空或低气压气体放电条件下，涂层的物质源（靶材）经过“蒸发或溅射后”，在零件表面生产与基材性能完全不同的新涂层的过程，且孔隙率为零。PVD技术主要分为磁控溅射、电子束蒸发、激光热蒸发、热蒸发。目前常见的PVD涂层使用的材料为氧化钇、氟氧化钇。

目前半导体精密涂层主要使用电子束蒸发的技术路线。在加工过程中，电子枪产生高速电子束，对电子束进行加速和聚焦后，使其获得足够的能量，然后让电子束轰击靶材，使靶材分子蒸发溅射出来，在基片上沉积，形成涂层。

PVD涂层由于设备价值高，镀膜速度慢，导致其成本相对较高。但由于其镀膜均匀性、孔隙率、均表现优异，因此PVD涂层一般应用于部分高端部件的加工中。

二、精密涂层的关键指标

由于半导体精密涂层一般是在真空腔体中，直接暴露在加工的晶圆或面板面前，因此对于下游客户来说，验证半导体精密涂层效果的指标主要包括上机后对生产良率影响以及使用寿命。主要指标如下：

（1）粗糙度：即涂层表面的粗糙度，半导体级涂层的算术平均粗糙度Ra一般单位是微米级。目前成熟的半导体供应商APS涂层，一般可以做到10微米以下粗糙度；对于AD涂层，可以做到0.5微米以下；对于PVD涂层，可以做到0.1微米及以下。

（2）孔隙率：即内部孔隙占总体积的比例。目前成熟的半导体供应商，对于 APS涂层，一般可以小于5%；AD涂层，孔隙率几乎为0；对于PVD涂层，孔隙率为0。

（3）硬度：跟材料和工艺的关系都比较大，如果是氧化铝的涂层，通过APS涂层可以使硬度超过700Hv。对于AD、PVD，由于涂层成本高，客户使用时的硬接触较少，对硬度一般无特别高要求。

（4）体积电阻：体积电阻跟材料、孔隙率有直接关系，由于陶瓷涂层材料本身都是绝缘体，电阻率高。常见的APS氧化钇涂层，体积电阻达到10^11-12级。

三、精密涂层技术壁垒

从上述内容能了解到，阳极氧化与熔射再生技术的门槛不算高，当前国内在技术上的核心攻坚点是半导体领域的 AD、PVD 技术。该技术之所以难以突破，主要源于四个方面的壁垒：

1）材料壁垒：陶瓷涂层的制作原料有氧化钇（Y₂O₃）、YAG、SiO₂、YF₃等。因为半导体领域对涂层的孔隙率、一致性以及杂质含量等指标要求极高，所以目前用于半导体级特殊涂层的陶瓷粉体，大部分依赖从海外进口。

另外，国内部分企业宣称能够自主研发粉体，但实际上其原材料仍是从国外进口，在国内仅进行干燥等简单加工，并未涉及球磨、造粒等关键工序。而且，自研粉体能否与相关工艺结合，生产出可量产销售的涂层，这才是检验其是否真正实现有效自研的关键。

就目前而言，国内多数精密涂层服务企业（主要服务于面板客户），都还不具备自主生产粉体的能力。

2）工艺壁垒：陶瓷涂层的制作工艺蕴含着大量的专有技术（know - how），不同的喷涂材料配比，对应的加工工艺等要求也各不相同。由于过去半导体设备大多是从国外进口，且由日韩等国的涂层厂商提供服务，这些厂商因此积累了丰富的工艺专有技术和经验。

3）设备壁垒：由于每家企业的工艺都是自身的核心竞争力，所以各家的涂层设备都需要根据自身工艺需求进行自主改造，以满足生产要求。

4）客户壁垒：半导体客户对供应商的验证周期很长，而且涂层质量对生产良率影响很大，所以客户对价格并不十分敏感。除此之外，涂层厂商还需要配合设备厂商或晶圆厂，对涂层工艺进行改进以适应实际需求，这就要求涂层厂商具备较强的研发能力和稳定的供货能力。因此，一般晶圆厂或者设备厂商不会轻易更换供应商。

四、精密涂层的市场应用

在半导体前导制造工艺过程中，随着电子气体中含氟等离子体能量的提高，高能含氟等离子体会侵蚀腔体和腔体内部件，缩短部件的使用寿命；同时腐蚀过程中会生成难挥发的氟化物沉积在晶圆表面，同时也增加了晶圆的污染。因此，工艺设备腔体和腔体内部件材料的耐等离子体刻蚀性能变得至关重要。氧化钇等涂层主要起到耐腐蚀的作用。但是由于腔体内plasma强度高，因此涂层的PM周期短。

精密涂层主要用于刻蚀、镀膜、等离子注入等干法工艺设备的真空腔体领域。真空腔体零部件需要涂层、维护再生、更换的包括：下电极（ESC）、壁板、门、衬套等零部件。

图 精密涂层的生产工艺流程

精密涂层的使用寿命跟晶圆厂的工艺和产能利用率直接相关。以某晶圆厂为例，刻蚀是需求涂层最多的工艺设备，几乎每9个月左右就需要进行一次精密涂层，如果更先进的制程，可能6个月就需要一次精密涂层服务；PVD和CVD的工艺设备中零部件的涂层寿命相对长一些，可能2年左右需要一次涂层服务。

对于精密涂层服务供应商而言，当客户为晶圆厂时，主要做的时设备的涂层再生业务，其为客户提供零部件的精密清洗、阳极氧化、特殊涂层等一整套服务；当客户为设备厂商时，主要为设备厂商提供新机台零部件的涂层服务，还为设备厂商提供维保的涂层再生服务，但由于一般涂层的维保市场仅千余小时，所以维保部分的业务量相对较少。

对于半导体设备这类客户，涂层服务的业务量跟他们的机台销量直接相关。由于晶圆厂的维护再生需求（成本低）和设备厂卖新机台需求（收入来源）存在悖论，对精密涂层服务商来说，未来可能需要选择自身定位。

以美国应用材料公司为例，其一般会绑定固定的涂层服务商（目前主要是日本企业），该供应商不可以直接给晶圆厂服务。目前国内半导体设备厂商在快速发展，但体量相较于应材、TEL等公司来说还有差距，因此未对精密涂层服务商进行强制约束。

五、精密涂层市场情况

半导体精密涂层服务的表面处理，大陆市场规模2024年为12.13亿，预计2030年为23.14亿，全球市场规模超五十亿。由于地缘政治因素，国外的涂层供应商也在主动撤离大陆市场，在涂层技术和成本没问题的前提下，国内半导体晶圆厂、设备厂商也在逐步进行国产化切换，因此给了国内涂层服务供应商更多的市场机会。

来源 自在中心‍

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