氧化铝陶瓷在半导体领域的应用以及制作工艺

氧化铝陶瓷在半导体领域的应用

在半导体设备制造中，精密陶瓷作为关键部件材料，扮演了重要角色。

在众多陶瓷材料中，氧化铝陶瓷（以Al2O3为主体的陶瓷材料）具有材料结构稳定，机械强度高，硬度高，熔点高，抗腐蚀，化学稳定性优良，电阻率大，电绝缘性能好等优点，在半导体设备中应用广泛。

目前的等离子晶圆刻蚀机腔室，主要采用高纯氧化铝（Al2O3）涂层或氧化铝陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。等离子刻蚀腔体材料决定了晶圆的良率、质量、刻蚀工艺的稳定性等。

除了腔体以外，等离子体设备的气体喷嘴，气体分配盘和固定晶圆的固定环等也需用到氧化铝陶瓷。

再例如在晶圆抛光工艺中，氧化铝陶瓷可被广泛应用于抛光板、抛光磨垫校正平台、真空吸盘等。

氧化铝陶瓷机械手臂在半导体设备中起到搬运作用，它相当于半导体设备这个机器人的手，负责搬运晶圆硅晶片到指定位置。因为晶圆硅晶片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。

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、高温环境仍具有良好的绝缘性、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。

氧化铝陶瓷的制作工艺

一、粉体制备

将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在1m（微米）以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99．99%外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。

若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1～2%的润滑剂，如硬脂酸，及粘结剂PVA。

二、成型

干压成型：主要优点是成型效率高，成型制品尺寸偏差小，特别适用于各种截面厚度较小的陶瓷制品制作，如陶瓷密封环，阀门用陶瓷阀芯，陶瓷衬板，陶瓷内衬等。

氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过1mm，长度与直径之比不大于41的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液压式、机械式两种，可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为200Mpa。由于液压式压机冲程压力均匀，故在粉料充填有差异时压制件高度不同。

而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变化，易导致烧结后尺寸收缩产生差异，影响产品质量。因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要。充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精度控制影响很大。粉体颗粒以大于60m、介于60～200目之间可获最大自由流动效果，取得最好压力成型效果。

等静压成型方式，又细分为以下2种：

1、干式等静压：将弹性模具半固定，不浸泡在液体介质中，而是通过上下活塞密封。压力泵将液体介质注入到高压缸和加压橡皮之间，通过液体和加压橡皮将压力传递使坯体受压成型。

2、湿袋式等静压：将造粒陶瓷粉或预先成型的坯体放入可变形的橡胶包套内，然后通过液体施加各向均匀的压力，当压制过程结束，再将装有坯体的橡胶包套从容器内取出，这是一种间断式成型方法。

三、烧结

陶瓷素坯在烧结前是由许许多多单个的固体颗粒所组成的，坯体中存在大量气孔，气孔率一般为35%~60%（即素坯相对密度为40%~65%），具体数值取决于粉料自身特性和所使用的成型方法和技术。当对固态素坯进行高温加热时，素坯中的颗粒发送物质转移，达到某一温度后坯体发生收缩，出现晶粒长大，伴随气孔排除，最终在低于熔点的温度下素坯变成致密的多晶陶瓷材料。