半导体陶瓷零部件种类及应用

陶近翁 贺婷婷 邱立功

摘 要：随着科技的进步，手机、电脑、电动汽车、机器人等智能产品融入到人们的生活中。这些产品中存在着大量的半导体芯片，制备芯片需要用到半导体设备，如刻蚀机、光刻机、离子注入机等。打开半导体设备，里面大部分部件是陶瓷零部件，陶瓷零部件具有耐高温、耐腐蚀、精度高、强度高等优异性能，其可以很好地用在半导体设备内。大部分陶瓷零部件在半导体制程中作为设备的关键零部件直接与晶圆接触，可以实现晶圆表面温度高精度控制和快速升降温。本文中对半导体陶瓷零部件的制备原料，氧化铝、碳化硅、氮化铝、氮化硅、氧化钇等、半导体陶瓷零部件种类（半导体陶瓷手臂、陶瓷基板、陶瓷喷嘴、陶瓷窗、陶瓷腔体罩、多孔陶瓷真空吸盘等）、半导体陶瓷零部件的制备工艺，（粉料制备、粉料成型、高温烧结、精密加工、表面处理）做了介绍。

关键词：半导体；陶瓷；零部件

1 半导体陶瓷零部件制备原料

半导体陶瓷零部件属于先进陶瓷，通常采用高纯、超细的无机材料来制备。陶瓷制品的品种繁多，它们之间的成分、组成、性质等较为复杂，陶瓷零部件的制备原料通常包括氧化铝、碳化硅、氮化铝、氮化硅、氧化钇等。

1.1氧化铝

氧化铝是使用较多的原材料，根据其含量不同，制备出的产品性能也有差异。纯度95%的氧化铝陶瓷零部件呈淡黄色，纯度99%的氧化铝陶瓷制品呈雪白色。它具有优异的刚度、强度、耐磨性，且其耐高温、耐腐蚀、耐等离子侵蚀等[1]。氧化铝可以用来制备绝大多数的半导体陶瓷零部件，如陶瓷喷嘴、陶瓷环、陶瓷手臂、陶瓷Dome等。

1.2碳化硅

碳化硅陶瓷呈黑色，其具有较高的热导性，且强度高、硬度高、不易变形、抗震性好，同样耐高温耐腐蚀[2]。它与氧化铝陶瓷相比，重量轻。常用于制备真空手臂、真空吸盘等产品。

1.3氮化铝

氮化铝陶瓷具有热导率高，与硅相匹配的热膨胀系数，介电常数低，介质损耗低[3]。它还具有熔点高、硬度高、导热系数高、良好的绝缘特性等。常用于制作散热基板、陶瓷喷嘴、静电卡盘等。

1.4氮化硅

氮化硅陶瓷是一种具有高熔点、超高的硬度、化学惰性高[4]、较低的热膨胀系数、较高的热传导率和较好的抗热冲击性能的陶瓷材料。在1200℃以下，具有很高的抗冲击性能和强度。当温度超过1200℃时，则其强度降低。常用于制作陶瓷基板、陶瓷承重挂钩、定位销、陶瓷管等。

1.5氧化釔

氧化钇具有高的熔点、良好的化学和光化学稳定性、低的声子能、高的热导率、良好的透光度等[5]。而且其具有良好的光学透过性能，氧化钇陶瓷在军工、半导体等方面具有广泛的应用。在半导体行业中，主要与氧化铝陶瓷一起结合使用，如在氧化铝陶瓷上喷涂一层氧化钇，用来制作陶瓷窗等相关产品。

1.6氧化锆

氧化锆陶瓷的机械强度高、耐高温、耐酸碱、绝缘性良好[6]。含量超过99.9%的氧化锆，称之为精密型陶瓷。它可用于制造集成电路基板及高频绝缘材料。含量小于99.9%的氧化锆称为普通陶瓷，人们根据氧化锆含量不同，可以用来制作不同用途的陶瓷类产品。

2 半导体陶瓷零部件种类

由于陶瓷零部件耐高温抗腐蚀等优异性能，常被用于各类半导体关键设备中。半导体陶瓷零部件种类包括半导体陶瓷手臂、陶瓷基板、陶瓷喷嘴、陶瓷窗、陶瓷腔体罩、多孔陶瓷真空吸盘等。

2.1 半导体陶瓷手臂

在半导体设备工作过程中，搬运晶圆时需要用到陶瓷手臂，因为晶圆硅晶片不能受污染，所以一般是在真空洁净的环境下进行。在真空环境下，绝大多数其他材料制备的机械手臂达不到要求，这时就需要用耐高温、耐磨、硬度高的陶瓷手臂来完成[7]。通常人们用纯度较高的氧化铝、碳化硅来制备陶瓷手臂，这两款原材料都具有硬度高、耐磨性耐高温性能好等物理性能，是制备陶瓷手臂的绝佳材料。这两款材料相比较下，碳化硅制作的陶瓷手臂性能更优于氧化铝陶瓷手臂。但是从材料价格和加工难度等方面进行比较，氧化铝制作的陶瓷手臂性价比更高，通常氧化铝陶瓷手臂使用较多。

2.2 陶瓷基板

陶瓷基板主要应用在不同的电子封装领域，如用于电力电子器件封装、激光器封装、发光二极管封装、热电制冷器封装、高温电子器件封装、其他功率器件封装等[8]。由于一般的材料不能耐高温，通常情况下，电子封装过程中采用导热耐热、强度高、可靠性高的陶瓷产品。人们常用氧化铝、氮化硅等材料来制备陶瓷基板。

2.3 陶瓷喷嘴

在 HDP-CVD 中，反应气体是通过连接腔体内外的陶瓷喷嘴进入到反应腔内的，因此喷嘴的品质会直接决定反应气体的纯度和流速[9]。常用来制备陶瓷喷嘴的材料有氧化铝和氮化铝，由于氮化铝陶瓷的热导率和抗热震性比氧化铝更好，喷嘴不会因为等离子体腐蚀产生杂质污染，也不会因为热形变造成装配部件的磨损带来杂质污染，从而确保喷嘴不会对反应气体和反应腔体造成任何的杂质污染风险，可以更好地满足先进制程 HDP-CVD 设备中的应用要求。

2.4 陶瓷窗

陶瓷窗是一种广泛应用于半导体刻蚀机中的关键零部件，作为刻蚀机中的腔室盖，用于等离子刻蚀机中，位于刻蚀机腔室和等离子体耦合线圈之间，陶瓷窗既能真空密封又不影响等离子体穿过进入腔体[10]。其设计旨在将RF（射频）和微波能量传输到等离子刻蚀腔室中，同时抵抗恶劣的等离子刻蚀环境的侵蚀。有效的陶瓷窗在RF和微波频率上的损耗角正切值低（透射率高）。否则，能量可能会被吸收并转化为过多的热量，从而使过程（失去RF能量）和组件（热量和热梯度过大）同时退化。人们在制备该款产品时，常用高纯氧化铝、氧化钇两种先进陶瓷材料，并且需要通过严格的成型、烧结和精密加工以及表面喷涂过程才能完成满足应用要求的产品。

2.5 陶瓷腔体罩

陶瓷腔体罩是包括陶瓷dome、冷却系统、电极控制系统的一体化独立功能部件，是40nm及以下所有制程的薄膜沉积设备中关键部件之一，其性能对保证晶圆品质至关重要。

陶瓷腔体罩覆盖在晶圆上部，将CVD设备腔体进行密封，形成封闭的腔室环境，在钟形罩周围有线圈的天线构件，可以施加高频功率形成感应电场来产生ICP（等离子体），并通过陶瓷腔体罩引入腔室内部，进行等离子处理并保护淀膜进程的顺利进行。陶瓷腔体罩对保证反应腔室的密封性、内外压差、反应腔内洁净度等起到关键作用，是CVD设备最为关键的核心部件之一。

2.6 陶瓷真空吸盘

半导体设备中常用的陶瓷零部件大部分是致密陶瓷，但是真空吸盘是多孔陶瓷。半导体材料硅片是一种又薄又硬又脆的材料，它的两面都要进行磨削和抛光等，人们常用真空吸盘来对这种工件进行定位和夹紧[11] 。传统材料制备的真空吸盘往往性能达不到使用要求，经过工艺及技术的改进，人们常用陶瓷材料来制作真空吸盘。常用的真空吸盘是多孔结构，由两种陶瓷材料粘接而成。多孔陶瓷板装在底座的沉孔里，将其与底座粘接密封，底座是由不透气的致密陶瓷材料加工而成。两部分陶瓷虽然材质不同，但是其耐磨性和机械性相近。这样使得真空吸盘能满足使用要求。

3制备工艺

半导体陶瓷零部件制备工艺主要包括粉料制备、粉料成型、高温烧结、精密加工、品检、表面处理等。

3.1粉料制备

原料通常需要经过重新加工，加入各种配料，进行机械球磨后干燥喷雾，得到符合要求的原粉料。

3.1.1配料

原料中，加入各种需要的材料，制备成特定配方的粉料。可以采用固相法、液相法、气相法等来制备。

3.1.2机械球磨

球磨机是工业生产中常用的制备原料的设备，其内衬大多是陶瓷材料，也有的是采用高分子材料。将需要球磨的粉料加入到球磨机中，并加入各种陶瓷球作为研磨球。在研磨球和机械球磨后，粉料粒度可以达到微米级别。

3.1.3喷雾干燥

制备的陶瓷细粉或粉料沉淀物、胶体等经常需要水洗、过滤、干燥和煅烧，这些工艺过程一般会影响粉料成分的均匀性、颗粒的大小以及形状。采用喷雾的方式可以将溶液分散成小液滴，喷入热风，并使得溶剂迅速蒸发，从而可以得到均匀尺寸和形状的粉料。经过喷雾干燥后的粉料，制备烧结体后具有较细的晶粒。

3.2粉料成型

用相应配方制备的粉料来制备陶瓷生坯，陶瓷制品成型方法通常包括干压成型、等静压成型、流延成型、注射成型、凝胶注模成型等多种方法。用这些方法可以得到相应的陶瓷生坯。

3.2.1干压成型

该工艺主要通过把造粒后颗粒级配适合的粉末，倒入到金属模腔中，用压头对其施加压力，压头在模腔中进行移位，并将压力传递给模具中的粉体颗粒，使其被压实，最终形成具有一定形状和强度的陶瓷素坯产品。

3.2.2等静压成型

该工艺是把需要压制成型的半导体陶瓷零部件放入等静压机中，利用液体不可压缩和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器中时，其压强大小不变且均匀传递到各个方向，这样，陶瓷零部件在各个方向上受到均匀的大小一致的压力，从而使得陶瓷零部件更加致密。

3.2.3流延成型

流延成型是较复杂的一个工艺，它是能够一次成形制造出厚度从数十微米至毫米量级的陶瓷毛坯的湿式成形技术，将具有一定粘性且分散性较好的陶瓷浆料，从流延机浆料槽刀口流到基带上，将浆料展开，在表面张力的作用下，生成光滑上表面的坯膜，将坯膜连同基带一起送到烘干室内，在溶剂挥发后，有机粘结剂在陶瓷颗粒之间生成网络，从而生成具有一定强度和柔性的坯片，将干燥的坯片从基带上剥离后，卷轴备用。根据需要对产品进行切削、冲压、穿孔等工序，再进行烧制，即可完成产品的加工。

3.2.4注射成型

注射成型是将热塑性材料与陶瓷粉体混合成热溶体，然后注射到相对冷的模具中，待冷却后，将成型好的坯体制品顶出脱模即可，该工艺可以快速自动地进行批量生产，而且其工艺过程可以进行精确控制，该工艺可以成型复杂形状的陶瓷产品，应用较广。

3.2.5凝胶注模成型

凝胶注模成型是在高固相含量、低粘度的陶瓷浆料中掺入低浓度的有机单体，再加入引发剂并浇注，然后使浆料中的有机单体在一定条件下发生原位聚合反应，形成坚固的交联网结构，浆料凝固后经过脱模、干燥、排胶、烧结后得到所需的陶瓷零部件。

3.3高温烧结

陶瓷零部件制品有的是先排膠再烧结，有的是排胶和烧结一起完成。通常排胶温度低于烧结温度，不超过1000℃。高温烧结方式主要包括常压烧结、真空烧结、气氛烧结。通过烧结可以使得陶瓷由生坯转化为熟坯，变成致密结构。

3.3.1常压烧结

常压烧结就是对材料不进行加压而使其在大气压力下烧结，是较常用的烧结方法，这种方法一般是在氧气气氛下或者某种特殊气体气氛条件下烧结。在常压烧结过程中，成型的坯体不受外加压力的作用，只是在常压下加热粉末颗粒的聚集体转变成晶粒结合体。

3.3.2真空烧结

真空烧结是指在真空环境下，将特定形态的陶瓷坯体通过物理、化学作用，在真空状态下，转化为致密、硬的烧结体[12]。氧化物陶瓷坯体中的孔隙主要是由水、氢和氧等物质组成，在烧结时它们会通过气孔逃逸。但是，一氧化碳，二氧化碳，尤其是氮，很难通过气孔逃逸，导致产品的致密性降低。通过真空烧结，可以使所有的气体都排出，因此，产品的致密度得到改善。

3.3.3气氛烧结

对于在常压烧结中较难烧结的陶瓷件，常用气氛烧结。这种方法是在炉内通入一定的气体形成需要的气氛，使得陶瓷零部件在特定的气氛下烧结。根据材料的不同，一般可以采用氧气、氢气、氮气、氩气等不同气氛。

3.4 精密加工

生坯烧结后的陶瓷零部件尺寸尚未达到所需尺寸，需要将烧结过的陶瓷熟坯及陶瓷制品进行进一步精加工，通常用CNC车床、磨床等对陶瓷熟坯进行切、车、磨、铣、削、钻孔等，加工成需要的陶瓷制品。陶瓷CNC加工是指利用计算机控制来操作和操纵机器和切削工具对陶瓷零部件进行成型的减材制造过程。陶瓷材料由于硬度高、强度高、易碎等特性，在其加工过程中要格外注意，而且很多陶瓷零部件要求的精度较高，加工难度较大。采用CNC加工可以很好地控制精度，确保多个零件的一致性。

3.5 品檢

经过上述步骤处理过的陶瓷零部件制品需要经过人工品检其外观、尺寸、气孔率、粗糙度等性能是否符合要求，有的质量要求高的制品需要检测设备进行检测，以确保半导体陶瓷零部件的质量。经检验合格的产品再进行下一步操作，不合格的重新返工或报废。

3.6表面处理

半导体设备对清洁度要求非常高，品检合格的半导体陶瓷零部件还需要进一步对其进行表面清洗，通常采用酸洗、碱洗、有机溶剂清洗等方法，清洗过后的产品干燥后，再次检查其品质，合格的产品到无尘室进行包装即可。

有的特殊需求的陶瓷零部件，还需要进行电弧熔射、等离子喷涂、静电喷涂、气相沉积、超洁净清洗、阳极氧化、金属化复合等进一步的表面处理，使其达到使用要求。

4结论

本文综述了半导体陶瓷零部件的制备原料，包括氧化铝、氮化铝、氧化钇、氮化硅、碳化硅、氧化锆等陶瓷。半导体陶瓷零部件种类，包括半导体陶瓷手臂、陶瓷基板、陶瓷喷嘴、陶瓷窗、陶瓷腔体罩、多孔陶瓷真空吸盘等。半导体陶瓷零部件的制备工艺，包括粉料制备、粉料成型、高温烧结、精密加工、品检、表面处理等，从半导体陶瓷零部件的原料到制备工艺进行了全方位的介绍，对研究人员具有一定的参考价值。

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