半導體陶瓷零部件種類及應用

陶近翁 賀婷婷 邱立功

摘 要：隨著科技的進步，手機、電腦、電動汽車、機器人等智能產品融入到人們的生活中。這些產品中存在著大量的半導體芯片，制備芯片需要用到半導體設備，如刻蝕機、光刻機、離子注入機等。打開半導體設備，里面大部分部件是陶瓷零部件，陶瓷零部件具有耐高溫、耐腐蝕、精度高、強度高等優異性能，其可以很好地用在半導體設備內。大部分陶瓷零部件在半導體制程中作為設備的關鍵零部件直接與晶圓接觸，可以實現晶圓表面溫度高精度控制和快速升降溫。本文中對半導體陶瓷零部件的制備原料，氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、氮化硅、氧化釔等、半導體陶瓷零部件種類（半導體陶瓷手臂、陶瓷基板、陶瓷噴嘴、陶瓷窗、陶瓷腔體罩、多孔陶瓷真空吸盤等）、半導體陶瓷零部件的制備工藝，（粉料制備、粉料成型、高溫燒結、精密加工、表面處理）做了介紹。

關鍵詞：半導體；陶瓷；零部件

1 半導體陶瓷零部件制備原料

半導體陶瓷零部件屬于先進陶瓷，通常采用高純、超細的無機材料來制備。陶瓷制品的品種繁多，它們之間的成分、組成、性質等較為復雜，陶瓷零部件的制備原料通常包括氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、氮化硅、氧化釔等。

1.1氧化鋁

氧化鋁是使用較多的原材料，根據其含量不同，制備出的產品性能也有差異。純度95%的氧化鋁陶瓷零部件呈淡黃色，純度99%的氧化鋁陶瓷制品呈雪白色。它具有優異的剛度、強度、耐磨性，且其耐高溫、耐腐蝕、耐等離子侵蝕等[1]。氧化鋁可以用來制備絕大多數的半導體陶瓷零部件，如陶瓷噴嘴、陶瓷環、陶瓷手臂、陶瓷Dome等。

1.2碳化硅

碳化硅陶瓷呈黑色，其具有較高的熱導性，且強度高、硬度高、不易變形、抗震性好，同樣耐高溫耐腐蝕[2]。它與氧化鋁陶瓷相比，重量輕。常用于制備真空手臂、真空吸盤等產品。

1.3氮化鋁

氮化鋁陶瓷具有熱導率高，與硅相匹配的熱膨脹系數，介電常數低，介質損耗低[3]。它還具有熔點高、硬度高、導熱系數高、良好的絕緣特性等。常用于制作散熱基板、陶瓷噴嘴、靜電卡盤等。

1.4氮化硅

氮化硅陶瓷是一種具有高熔點、超高的硬度、化學惰性高[4]、較低的熱膨脹系數、較高的熱傳導率和較好的抗熱沖擊性能的陶瓷材料。在1200℃以下，具有很高的抗沖擊性能和強度。當溫度超過1200℃時，則其強度降低。常用于制作陶瓷基板、陶瓷承重掛鉤、定位銷、陶瓷管等。

1.5氧化釔

氧化釔具有高的熔點、良好的化學和光化學穩定性、低的聲子能、高的熱導率、良好的透光度等[5]。而且其具有良好的光學透過性能，氧化釔陶瓷在軍工、半導體等方面具有廣泛的應用。在半導體行業中，主要與氧化鋁陶瓷一起結合使用，如在氧化鋁陶瓷上噴涂一層氧化釔，用來制作陶瓷窗等相關產品。

1.6氧化鋯

氧化鋯陶瓷的機械強度高、耐高溫、耐酸堿、絕緣性良好[6]。含量超過99.9%的氧化鋯，稱之為精密型陶瓷。它可用于制造集成電路基板及高頻絕緣材料。含量小于99.9%的氧化鋯稱為普通陶瓷，人們根據氧化鋯含量不同，可以用來制作不同用途的陶瓷類產品。

2 半導體陶瓷零部件種類

由于陶瓷零部件耐高溫抗腐蝕等優異性能，常被用于各類半導體關鍵設備中。半導體陶瓷零部件種類包括半導體陶瓷手臂、陶瓷基板、陶瓷噴嘴、陶瓷窗、陶瓷腔體罩、多孔陶瓷真空吸盤等。

2.1 半導體陶瓷手臂

在半導體設備工作過程中，搬運晶圓時需要用到陶瓷手臂，因為晶圓硅晶片不能受污染，所以一般是在真空潔凈的環境下進行。在真空環境下，絕大多數其他材料制備的機械手臂達不到要求，這時就需要用耐高溫、耐磨、硬度高的陶瓷手臂來完成[7]。通常人們用純度較高的氧化鋁、碳化硅來制備陶瓷手臂，這兩款原材料都具有硬度高、耐磨性耐高溫性能好等物理性能，是制備陶瓷手臂的絕佳材料。這兩款材料相比較下，碳化硅制作的陶瓷手臂性能更優于氧化鋁陶瓷手臂。但是從材料價格和加工難度等方面進行比較，氧化鋁制作的陶瓷手臂性價比更高，通常氧化鋁陶瓷手臂使用較多。

2.2 陶瓷基板

陶瓷基板主要應用在不同的電子封裝領域，如用于電力電子器件封裝、激光器封裝、發光二極管封裝、熱電制冷器封裝、高溫電子器件封裝、其他功率器件封裝等[8]。由于一般的材料不能耐高溫，通常情況下，電子封裝過程中采用導熱耐熱、強度高、可靠性高的陶瓷產品。人們常用氧化鋁、氮化硅等材料來制備陶瓷基板。

2.3 陶瓷噴嘴

在 HDP-CVD 中，反應氣體是通過連接腔體內外的陶瓷噴嘴進入到反應腔內的，因此噴嘴的品質會直接決定反應氣體的純度和流速[9]。常用來制備陶瓷噴嘴的材料有氧化鋁和氮化鋁，由于氮化鋁陶瓷的熱導率和抗熱震性比氧化鋁更好，噴嘴不會因為等離子體腐蝕產生雜質污染，也不會因為熱形變造成裝配部件的磨損帶來雜質污染，從而確保噴嘴不會對反應氣體和反應腔體造成任何的雜質污染風險，可以更好地滿足先進制程 HDP-CVD 設備中的應用要求。

2.4 陶瓷窗

陶瓷窗是一種廣泛應用于半導體刻蝕機中的關鍵零部件，作為刻蝕機中的腔室蓋，用于等離子刻蝕機中，位于刻蝕機腔室和等離子體耦合線圈之間，陶瓷窗既能真空密封又不影響等離子體穿過進入腔體[10]。其設計旨在將RF（射頻）和微波能量傳輸到等離子刻蝕腔室中，同時抵抗惡劣的等離子刻蝕環境的侵蝕。有效的陶瓷窗在RF和微波頻率上的損耗角正切值低（透射率高）。否則，能量可能會被吸收并轉化為過多的熱量，從而使過程（失去RF能量）和組件（熱量和熱梯度過大）同時退化。人們在制備該款產品時，常用高純氧化鋁、氧化釔兩種先進陶瓷材料，并且需要通過嚴格的成型、燒結和精密加工以及表面噴涂過程才能完成滿足應用要求的產品。

2.5 陶瓷腔體罩

陶瓷腔體罩是包括陶瓷dome、冷卻系統、電極控制系統的一體化獨立功能部件，是40nm及以下所有制程的薄膜沉積設備中關鍵部件之一，其性能對保證晶圓品質至關重要。

陶瓷腔體罩覆蓋在晶圓上部，將CVD設備腔體進行密封，形成封閉的腔室環境，在鐘形罩周圍有線圈的天線構件，可以施加高頻功率形成感應電場來產生ICP（等離子體），并通過陶瓷腔體罩引入腔室內部，進行等離子處理并保護淀膜進程的順利進行。陶瓷腔體罩對保證反應腔室的密封性、內外壓差、反應腔內潔凈度等起到關鍵作用，是CVD設備最為關鍵的核心部件之一。

2.6 陶瓷真空吸盤

半導體設備中常用的陶瓷零部件大部分是致密陶瓷，但是真空吸盤是多孔陶瓷。半導體材料硅片是一種又薄又硬又脆的材料，它的兩面都要進行磨削和拋光等，人們常用真空吸盤來對這種工件進行定位和夾緊[11] 。傳統材料制備的真空吸盤往往性能達不到使用要求，經過工藝及技術的改進，人們常用陶瓷材料來制作真空吸盤。常用的真空吸盤是多孔結構，由兩種陶瓷材料粘接而成。多孔陶瓷板裝在底座的沉孔里，將其與底座粘接密封，底座是由不透氣的致密陶瓷材料加工而成。兩部分陶瓷雖然材質不同，但是其耐磨性和機械性相近。這樣使得真空吸盤能滿足使用要求。

3制備工藝

半導體陶瓷零部件制備工藝主要包括粉料制備、粉料成型、高溫燒結、精密加工、品檢、表面處理等。

3.1粉料制備

原料通常需要經過重新加工，加入各種配料，進行機械球磨后干燥噴霧，得到符合要求的原粉料。

3.1.1配料

原料中，加入各種需要的材料，制備成特定配方的粉料。可以采用固相法、液相法、氣相法等來制備。

3.1.2機械球磨

球磨機是工業生產中常用的制備原料的設備，其內襯大多是陶瓷材料，也有的是采用高分子材料。將需要球磨的粉料加入到球磨機中，并加入各種陶瓷球作為研磨球。在研磨球和機械球磨后，粉料粒度可以達到微米級別。

3.1.3噴霧干燥

制備的陶瓷細粉或粉料沉淀物、膠體等經常需要水洗、過濾、干燥和煅燒，這些工藝過程一般會影響粉料成分的均勻性、顆粒的大小以及形狀。采用噴霧的方式可以將溶液分散成小液滴，噴入熱風，并使得溶劑迅速蒸發，從而可以得到均勻尺寸和形狀的粉料。經過噴霧干燥后的粉料，制備燒結體后具有較細的晶粒。

3.2粉料成型

用相應配方制備的粉料來制備陶瓷生坯，陶瓷制品成型方法通常包括干壓成型、等靜壓成型、流延成型、注射成型、凝膠注模成型等多種方法。用這些方法可以得到相應的陶瓷生坯。

3.2.1干壓成型

該工藝主要通過把造粒后顆粒級配適合的粉末，倒入到金屬模腔中，用壓頭對其施加壓力，壓頭在模腔中進行移位，并將壓力傳遞給模具中的粉體顆粒，使其被壓實，最終形成具有一定形狀和強度的陶瓷素坯產品。

3.2.2等靜壓成型

該工藝是把需要壓制成型的半導體陶瓷零部件放入等靜壓機中，利用液體不可壓縮和均勻傳遞壓力的性質從各個方向對試樣進行均勻加壓，當液體介質通過壓力泵注入壓力容器中時，其壓強大小不變且均勻傳遞到各個方向，這樣，陶瓷零部件在各個方向上受到均勻的大小一致的壓力，從而使得陶瓷零部件更加致密。

3.2.3流延成型

流延成型是較復雜的一個工藝，它是能夠一次成形制造出厚度從數十微米至毫米量級的陶瓷毛坯的濕式成形技術，將具有一定粘性且分散性較好的陶瓷漿料，從流延機漿料槽刀口流到基帶上，將漿料展開，在表面張力的作用下，生成光滑上表面的坯膜，將坯膜連同基帶一起送到烘干室內，在溶劑揮發后，有機粘結劑在陶瓷顆粒之間生成網絡，從而生成具有一定強度和柔性的坯片，將干燥的坯片從基帶上剝離后，卷軸備用。根據需要對產品進行切削、沖壓、穿孔等工序，再進行燒制，即可完成產品的加工。

3.2.4注射成型

注射成型是將熱塑性材料與陶瓷粉體混合成熱溶體，然后注射到相對冷的模具中，待冷卻后，將成型好的坯體制品頂出脫模即可，該工藝可以快速自動地進行批量生產，而且其工藝過程可以進行精確控制，該工藝可以成型復雜形狀的陶瓷產品，應用較廣。

3.2.5凝膠注模成型

凝膠注模成型是在高固相含量、低粘度的陶瓷漿料中摻入低濃度的有機單體，再加入引發劑并澆注，然后使漿料中的有機單體在一定條件下發生原位聚合反應，形成堅固的交聯網結構，漿料凝固后經過脫模、干燥、排膠、燒結后得到所需的陶瓷零部件。

3.3高溫燒結

陶瓷零部件制品有的是先排膠再燒結，有的是排膠和燒結一起完成。通常排膠溫度低于燒結溫度，不超過1000℃。高溫燒結方式主要包括常壓燒結、真空燒結、氣氛燒結。通過燒結可以使得陶瓷由生坯轉化為熟坯，變成致密結構。

3.3.1常壓燒結

常壓燒結就是對材料不進行加壓而使其在大氣壓力下燒結，是較常用的燒結方法，這種方法一般是在氧氣氣氛下或者某種特殊氣體氣氛條件下燒結。在常壓燒結過程中，成型的坯體不受外加壓力的作用，只是在常壓下加熱粉末顆粒的聚集體轉變成晶粒結合體。

3.3.2真空燒結

真空燒結是指在真空環境下，將特定形態的陶瓷坯體通過物理、化學作用，在真空狀態下，轉化為致密、硬的燒結體[12]。氧化物陶瓷坯體中的孔隙主要是由水、氫和氧等物質組成，在燒結時它們會通過氣孔逃逸。但是，一氧化碳，二氧化碳，尤其是氮，很難通過氣孔逃逸，導致產品的致密性降低。通過真空燒結，可以使所有的氣體都排出，因此，產品的致密度得到改善。

3.3.3氣氛燒結

對于在常壓燒結中較難燒結的陶瓷件，常用氣氛燒結。這種方法是在爐內通入一定的氣體形成需要的氣氛，使得陶瓷零部件在特定的氣氛下燒結。根據材料的不同，一般可以采用氧氣、氫氣、氮氣、氬氣等不同氣氛。

3.4 精密加工

生坯燒結后的陶瓷零部件尺寸尚未達到所需尺寸，需要將燒結過的陶瓷熟坯及陶瓷制品進行進一步精加工，通常用CNC車床、磨床等對陶瓷熟坯進行切、車、磨、銑、削、鉆孔等，加工成需要的陶瓷制品。陶瓷CNC加工是指利用計算機控制來操作和操縱機器和切削工具對陶瓷零部件進行成型的減材制造過程。陶瓷材料由于硬度高、強度高、易碎等特性，在其加工過程中要格外注意，而且很多陶瓷零部件要求的精度較高，加工難度較大。采用CNC加工可以很好地控制精度，確保多個零件的一致性。

3.5 品檢

經過上述步驟處理過的陶瓷零部件制品需要經過人工品檢其外觀、尺寸、氣孔率、粗糙度等性能是否符合要求，有的質量要求高的制品需要檢測設備進行檢測，以確保半導體陶瓷零部件的質量。經檢驗合格的產品再進行下一步操作，不合格的重新返工或報廢。

3.6表面處理

半導體設備對清潔度要求非常高，品檢合格的半導體陶瓷零部件還需要進一步對其進行表面清洗，通常采用酸洗、堿洗、有機溶劑清洗等方法，清洗過后的產品干燥后，再次檢查其品質，合格的產品到無塵室進行包裝即可。

有的特殊需求的陶瓷零部件，還需要進行電弧熔射、等離子噴涂、靜電噴涂、氣相沉積、超潔凈清洗、陽極氧化、金屬化復合等進一步的表面處理，使其達到使用要求。

4結論

本文綜述了半導體陶瓷零部件的制備原料，包括氧化鋁、氮化鋁、氧化釔、氮化硅、碳化硅、氧化鋯等陶瓷。半導體陶瓷零部件種類，包括半導體陶瓷手臂、陶瓷基板、陶瓷噴嘴、陶瓷窗、陶瓷腔體罩、多孔陶瓷真空吸盤等。半導體陶瓷零部件的制備工藝，包括粉料制備、粉料成型、高溫燒結、精密加工、品檢、表面處理等，從半導體陶瓷零部件的原料到制備工藝進行了全方位的介紹，對研究人員具有一定的參考價值。

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