近幾年，隨著國家政策的調(diào)整，半導(dǎo)體行業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模急速增大，半導(dǎo)體制造設(shè)備持續(xù)向精密化、復(fù)雜化演變。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(yōu)點(diǎn)，可用作硅片拋光機(jī)、外延/氧化/擴(kuò)散等熱處理設(shè)備、光刻機(jī)、沉積設(shè)備，半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備，離子注入機(jī)等設(shè)備的零部件，因此精密陶瓷部件的研發(fā)生產(chǎn)直接影響半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，其制備技術(shù)要求也越來越高。

通常半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷有氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等，作為最受歡迎的精密陶瓷材料，氧化鋁在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是“遍地開花”，下面小編就盤點(diǎn)一些常見的氧化鋁半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷部件。

1. 等離子刻蝕腔體氧化鋁涂層/腔體

刻蝕是半導(dǎo)體制造工藝、微電子IC制造工藝以及微納制造工藝中的一個重要的步驟，對于晶圓制造過程中的刻蝕機(jī)和PECVD設(shè)備，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)備器件表面造成嚴(yán)重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設(shè)備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒，影響腔室的潔凈度。

一般可采用高純Al₂O₃涂層作為刻蝕腔體和腔體內(nèi)部件的防護(hù)材料。早期刻蝕機(jī)腔室材料選擇鋁合金，因易造成金屬顆粒污染，轉(zhuǎn)而選擇在鋁合金上鍍一層致密的陽極氧化鋁層，通過陽極氧化，從而提高腔室材料的耐刻蝕性。而由于合金中的雜質(zhì)發(fā)生偏析，表面的陽極氧化鋁層易產(chǎn)生微裂紋，使得陽極氧化鋁的使用壽命較低。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，高純Al₂O₃涂層逐漸用于刻蝕機(jī)工藝腔和腔體內(nèi)部件的防護(hù)，但是由于熱膨脹系數(shù)的不同，Al₂O₃涂層與襯底之間容易開裂，影響涂層的耐刻蝕性能。與Al₂O₃涂層相比，致密的高純Al₂O₃塊體陶瓷具有更好的耐等離子體刻蝕性能。通常純度要求在99%以上，金屬氧化物雜質(zhì)（如MgO、CaO、SiO₂等）必須控制在0.05~0.8%之內(nèi)，在不影響燒結(jié)性能的情況下可以提高其耐等離子體刻蝕性能。

刻蝕機(jī)拆解

2.氧化鋁真空吸盤

半導(dǎo)體器件對晶圓有非常嚴(yán)格的要求，只有近乎完美的晶片才能避免對器件非常有害的電學(xué)和機(jī)械缺陷，因此需要對晶片進(jìn)行整型、切片、研磨、清洗等多個步驟。在這些工序里，晶片都需要一個可以安置并固定的工作臺，采用陶瓷真空吸盤，也即一種通過高溫?zé)Y(jié)在材料內(nèi)部生成大量彼此連體或閉合的均勻?qū)嵭幕蛘哒婵阵w陶瓷，來通過真空吸力將半導(dǎo)體片、玻璃基板材料等工作物固定住。

真空吸盤的常見的材質(zhì)有氧化鋁和碳化硅，陶瓷內(nèi)部形成中空結(jié)構(gòu)，通過向多孔基體施加負(fù)壓力來吸附、固定被吸附物，這種一體化中空結(jié)構(gòu)陶瓷的制備工藝具有很高的技術(shù)門檻，主要用作晶圓薄化程序的加工用固定夾具（磨床、拋光機(jī)、CMP）、各種類型的測量裝置、檢查裝置的固定夾具、薄膜片材和金屬基板等的加工用固定夾具等。

氧化鋁真空吸盤（來源NTK）

3.氧化鋁靜電吸盤

隨著半導(dǎo)體器件集成度越來越高，晶片尺寸越來越大，單元器件尺寸越來越小，因此對顆粒的污染控制更加嚴(yán)格，以往的卡盤固定晶片的方法已不能滿足要求，因此在新一代半導(dǎo)體制造設(shè)備中，開始采用靜電吸盤。靜電吸盤通過在工件（加工對象物件）與施加電壓后的電極間產(chǎn)生的庫倫力來吸附工件，優(yōu)點(diǎn)在于吸附作用均勻分布于晶圓表面，晶圓不會發(fā)生翹曲變形，吸附作用力持續(xù)穩(wěn)定，可以保證晶圓的加工精度；而且對晶圓污染小，對晶圓無傷，可以應(yīng)用于高真空環(huán)境中。

目前普遍的靜電吸盤技術(shù)主要是以氧化鋁陶瓷、藍(lán)寶石及氮化鋁陶瓷作為主體材料，需要在其中加入其他導(dǎo)電物質(zhì)使得其總體電阻率滿足功能性要求。而對于溫度控制直接影響晶圓良品率的靜電卡盤來看具備更加熱導(dǎo)率和相關(guān)機(jī)械性能的氮化鋁材料有著很大的發(fā)展空間，不過由于氮化鋁成本太高，目前仍有一部分需求傾向于采用氧化鋁材質(zhì)。

氧化鋁靜電吸盤（來源NTK）

4.氧化鋁機(jī)械搬運(yùn)臂

在晶圓片的搬運(yùn)中，會應(yīng)用到氧化鋁陶瓷制成的陶瓷機(jī)械手臂，將其安裝在晶圓搬運(yùn)機(jī)器人上，相當(dāng)于機(jī)器人的手，負(fù)責(zé)搬運(yùn)晶圓片到指定位置，其表面直接與晶圓接觸。因?yàn)榫A片在極其容易受到其他顆粒的污染，所以一般在真空環(huán)境下進(jìn)行。在此環(huán)境下，大部分材料的機(jī)械手臂一般難以完成工作，制作機(jī)械手臂的材料需要耐高溫、耐磨、并且硬度也需要很高。

氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷都具備致密質(zhì)、高硬度、高耐磨性的物理性質(zhì)，以及良好的耐熱性能、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，高溫環(huán)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(dǎo)體設(shè)備機(jī)械手臂的絕佳材料。從材料性質(zhì)來看，碳化硅陶瓷用于制作陶瓷機(jī)械手臂較為合適，但是從材料價格、加工難度等經(jīng)濟(jì)方面來說，氧化鋁陶瓷機(jī)械手臂的性價比更高。

由于工作條件的要求一般都采用純度極高的氧化鋁陶瓷材料制作，同時需要保證陶瓷件的精度和表面粗糙度，通常有夾持式、承載式、真空吸附式、伯努利西式。

機(jī)械臂搬運(yùn)晶圓過程

氧化鋁陶瓷機(jī)械搬運(yùn)臂

5.氧化鋁等離子氣體噴嘴

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，等離子清洗是一個重要環(huán)節(jié)，它適用于對原料和半成品每一步可能存在的雜質(zhì)進(jìn)行清洗，以避免雜質(zhì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和下游產(chǎn)品的性能，等離子清洗對于單晶硅的生產(chǎn)、光刻、刻蝕、沉積等關(guān)鍵工藝以及封裝工藝中的使用都是必不可少的。由于等離子清洗技術(shù)是一種干法清理方法，它可以不毀壞芯片表層的材料特性，可以除去污染物，并且等離子清理效果顯著，具備實(shí)際操作簡單、精確可控、全過程無污染及其安全性可靠等特性，在半導(dǎo)體封裝行業(yè)得到了大范圍的推廣應(yīng)用。

半導(dǎo)體行業(yè)等離子清洗工藝的選擇及應(yīng)用

在此工序中，會使用含有反應(yīng)性高的氟系、氯系等鹵族元素的腐蝕性氣體。因此，用于半導(dǎo)體、液晶制造裝置的與腐蝕性氣體和其等離子體接觸的構(gòu)件，要求有高耐腐蝕性。氣體噴嘴通常由氧化鋁陶瓷制備，要求具有高等離子電阻、介電強(qiáng)度以及對工藝氣體和副產(chǎn)品的強(qiáng)耐腐蝕性高等性能，同時內(nèi)部具有精密孔結(jié)構(gòu)用以精確控制氣體流量。

氧化鋁等離子氣體噴嘴（來源CoorsTek）

6.氧化鋁晶圓拋光盤

目前，采用陶瓷研磨盤研磨半導(dǎo)體晶圓是最先進(jìn)的研磨方法，采用雙面研磨工藝對切割好的晶圓片進(jìn)行研磨，并通過改善研磨工藝（磨盤材質(zhì)、研磨液、研磨壓力及研磨轉(zhuǎn)速等）來提高研磨片的質(zhì)量；尤其是使用陶瓷盤代替鑄鐵盤，避免研磨時對晶片的主面造成傷痕或污染，減少了金屬離子的引入，可減少晶圓的后續(xù)加工量，縮短后續(xù)工序（腐蝕)時間，提高生產(chǎn)效率，而且減少晶圓加工的損耗，大大地提高了晶圓的利用率。

通常采用氧化鋁陶瓷來制備晶圓拋光盤，要求具有高純度、高化學(xué)耐久性以及良好的表面形狀和粗糙度的控制。

高純氧化鋁晶圓拋光盤

其他還有用于晶圓加工、裝配等的工作臺，等離子防護(hù)罩/環(huán)等部件，大多也是用氧化鋁陶瓷所制備，氧化鋁陶瓷在半導(dǎo)體設(shè)備的制造中的應(yīng)用可謂是“無處不在”。目前由于較高的技術(shù)壁壘，精密陶瓷行業(yè)長期被日本、美國及一些具有獨(dú)特技術(shù)的歐洲公司所壟斷，但國內(nèi)的陶瓷企業(yè)也紛紛瞄準(zhǔn)了這塊“蛋糕”，已有少數(shù)企業(yè)走在市場前列，成為相關(guān)零部件國產(chǎn)化替代的中流砥柱，相信假以時日，上述這些半導(dǎo)體領(lǐng)域用精密氧化鋁陶瓷乃至其他種類的陶瓷制備技術(shù)也終將被一一攻克。

粉體圈小吉

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