盘点氧化铝陶瓷作为半导体设备零部件的应用

  近几年，随国家政策的调整，半导体行业快速地发展，产业规模急速增大，半导体制造设备持续向精密化、复杂化演变。由于陶瓷具有高硬度、高弹性模量、高耐磨、高绝缘、耐腐蚀、低膨胀等优点，可用作硅片抛光机、外延/氧化/扩散等热处理设备、光刻机、沉积设备，半导体刻蚀设备，离子注入机等设备的零部件，因此精密陶瓷部件的研发生产直接影响半导体产业高质量发展，其制备技术方面的要求也慢慢变得高。

  通常半导体设备用陶瓷有氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅等，作为最受欢迎的精密陶瓷材料，氧化铝在半导体领域的应用可谓是“遍地开花”，下面小编就盘点一些常见的氧化铝半导体设备用陶瓷部件。

  刻蚀是半导体制造工艺、微电子IC制造工艺以及微纳制造工艺中的一个重要的步骤，对于晶圆制作的完整过程中的刻蚀机和PECVD设备，等离子体通过物理作用和化学反应会对设备器件表面造成严重腐蚀，一方面缩短部件的常规使用的寿命，降低设备的使用性能，另一方面腐蚀过程中产生的反应产物会出现挥发和脱落的现象，在工艺腔内产生杂质颗粒，影响腔室的洁净度。

  一般可采用高纯Al2O3涂层作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。早期刻蚀机腔室材料选择铝合金，因易造成金属颗粒污染，转而选择在铝合金上镀一层致密的阳极氧化铝层，通过阳极氧化，来提升腔室材料的耐刻蚀性。而由于合金中的杂质发生偏析，表面的阳极氧化铝层易产生微裂纹，使得阳极氧化铝的常规使用的寿命较低。随着涂层技术的发展，高纯Al2O3涂层逐渐用于刻蚀机工艺腔和腔体内部件的防护，但是由于热线胀系数的不同，Al2O3涂层与衬底之间容易开裂，影响涂层的耐刻蚀性能。与Al2O3涂层相比，致密的高纯Al2O3块体陶瓷具有更加好的耐等离子体刻蚀性能。通常纯度要求在99%以上，金属氧化物杂质（如MgO、CaO、SiO2等）必须控制在0.05~0.8%之内，在不影响烧结性能的情况下能大大的提升其耐等离子体刻蚀性能。

  半导体器件对晶圆有很严格的要求，只有近乎完美的晶片才能避免对器件非常有害的电学和机械缺陷，因此就需要对晶片进行整型、切片、研磨、清洗等多个步骤。在这些工序里，晶片都需要一个可以安置并固定的工作台，采用陶瓷真空吸盘，也即一种通过高温烧结在材料内部生成大量彼此连体或闭合的均匀实心或者真空体陶瓷，来通过真空吸力将半导体片、玻璃基板材料等工作物固定住。

  真空吸盘的常见的材质有氧化铝和碳化硅，陶瓷内部形成中空结构，通过向多孔基体施加负压力来吸附、固定被吸附物，这种一体化中空结构陶瓷的制备工艺具备极高的技术门槛，主要用作晶圆薄化程序的加工用固定夹具（磨床、抛光机、CMP）、很多类型的测量装置、检查装置的固定夹具、薄膜片材和金属基板等的加工用固定夹具等。

  随着半导体器件集成度慢慢的升高，晶片尺寸慢慢的变大，单元器件尺寸越来越小，因此对颗粒的污染控制更加严格，以往的卡盘固定晶片的方法已不能够满足要求，因此在新一代半导体制造设备中，开始采用静电吸盘。静电吸盘通过在工件（加工对象物件）与施加电压后的电极间产生的库伦力来吸附工件，优点是吸附作用均匀分布于晶圆表面，晶圆不会发生翘曲变形，吸附作用力持续稳定，能够保证晶圆的加工精度；而且对晶圆污染小，对晶圆无伤，能应用于高真空环境中。

  目前普遍的静电吸盘技术主要是以氧化铝陶瓷、蓝宝石及氮化铝陶瓷作为主体材料，需要在其中加入其他导电物质使得其总体电阻率满足功能性要求。而对于温度控制直接影响晶圆良品率的静电卡盘来看具备更加热导率和相关机械性能的氮化铝材料有着非常大的发展空间，不过由于氮化铝成本过高，目前仍有一部分需求倾向于采用氧化铝材质。

  在晶圆片的搬运中，会应用到氧化铝陶瓷制成的陶瓷机械手臂，将其安装在晶圆搬运机器人上，相当于机器人的手，负责搬运晶圆片到指定位置，其表面直接与晶圆接触。因为晶圆片在极其容易受到其他颗粒的污染，所以一般在真空环境下进行。在此环境下，大部分材料的机械手臂一般难以完成工作，制作机械手臂的材料需要耐高温、耐磨、并且硬度也需要很高。

  氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷都具备致密质、高硬度、高耐磨性的物理性质，以及良好的耐热性能、优良的机械强度，高温环境仍拥有非常良好的绝缘性、良好的抗腐蚀性等物理性能，是用于制作半导体设备机械手臂的绝佳材料。从材料性质来看，碳化硅陶瓷用于制作陶瓷机械手臂较为合适，但是从材料价格、加工难度等经济方面来说，氧化铝陶瓷机械手臂的性价比更高。

  由于工作条件的要求一般都采用纯度极高的氧化铝陶瓷材料制作，同时需要保证陶瓷件的精度和表面粗糙度，通常有夹持式、承载式、真空吸附式、伯努利西式。

  在半导体产业链中，等离子清洗是一个重要环节，它适用于对原料和半成品每一步有几率存在的杂质进行清理洗涤，以避免杂质影响产品的质量和下游产品的性能，等离子清洗对于单晶硅的生产、光刻、刻蚀、沉积等关键工艺以及封装工艺中的使用都是必不可少的。由于等离子清洗技术是一种干法清理方法，它可以不毁坏芯片表层的材料特性，可以除去污染物，并且等离子清理效果非常明显，具备真实的操作简单、精确可控、全过程无污染及其安全性可靠等特性，在半导体封装行业得到了大范围的推广应用。

  在此工序中，会使用含有反应性高的氟系、氯系等卤族元素的腐蚀性气体。因此，用于半导体、液晶制造装置的与腐蚀性气体和其等离子体接触的构件，要求有高耐腐蚀性。气体喷嘴通常由氧化铝陶瓷制备，要求具有高等离子电阻、介电强度以及对工艺气体和副产品的强耐腐蚀性高等性能，同时内部具有精密孔结构用以精确控制气体流量。

  目前，采用陶瓷研磨盘研磨半导体晶圆是最先进的研磨方法，采用双面研磨工艺对切割好的晶圆片进行研磨，并通过改善研磨工艺（磨盘材质、研磨液、研磨压力及研磨转速等）来提高研磨片的质量；尤其是使用陶瓷盘代替铸铁盘，避免研磨时对晶片的主面造成伤痕或污染，减少了金属离子的引入，可减少晶圆的后续加工量，缩短后续工序（腐蚀)时间，提高生产效率，而且减少晶圆加工的损耗，大大地提高了晶圆的利用率。

  通常采用氧化铝陶瓷来制备晶圆抛光盘，要求具有高纯度、高化学耐久性和良好的表面形状和粗糙度的控制。

  其他还有用于晶圆加工、装配等的工作台，等离子防护罩/环等部件，大多也是用氧化铝陶瓷所制备，氧化铝陶瓷在半导体设备的制造中的应用可谓是“无处不在”。目前由于较高的技术壁垒，精密陶瓷行业长期被日本、美国及一些具有独特技术的欧洲公司所垄断，但国内的陶瓷企业也纷纷瞄准了这块“蛋糕”，已有少数企业走在市场前列，成为相关零部件国产化替代的中流砥柱，相信假以时日，上述这些半导体领域用精密氧化铝陶瓷乃至其他种类的陶瓷制备技术也终将被一一攻克。

  以上就是方泰新材料关于“盘点氧化铝陶瓷作为半导体设备零部件的应用”的分享，部分内容来自互联网，旨在分享，仅供参考。返回搜狐，查看更加多