高性能氧化铝陶瓷——半导体装备中应用广泛的陶瓷材料

 继2020年同比增长17%以及2021年同比增长39%之后，晶圆厂设备支出预计在2022将继续保持增长。SEMI(国际半导体产业协会)在最新一期《世界晶圆厂预测报告》指出，2022年全球前端晶圆厂设备(不含封装测试的前道工艺设备，一般为晶圆制造设备)支出预计将超过980亿美元，达到历史新高，连续第三年实现增长。

在半导体设备制造中，先进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。

在半导体刻蚀设备中，随着大规模集成电路集成度的不断提高以及半导体特征尺寸不断缩少，等离子体刻蚀技术面临了许多新的挑战，例如等离子刻蚀晶圆带来的污染问题、刻蚀工艺的稳定性、刻蚀技术的应用范围等。刻蚀机腔室材料作为晶圆污染的主要来源，等离子刻蚀对其影响程度决定了晶圆的良率、质量、刻蚀工艺的稳定性等等。因此，研究和开发出一种极其耐刻蚀腔体材料成为半导体集成产业以及等离子刻蚀技术中一项极具挑战的任务。当前，主要采用高纯Al2O3涂层或Al2O3陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。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。

（高纯氧化铝抛光板，来源：日本京瓷）

此外，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/碳化硅机械手臂，来源：日本京瓷）

近几年，随着国家政策的调整，半导体行业迅速发展，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，高精密陶瓷关键部件的技术要求也越来越高。目前我国有几百家半导体的设计、生产厂家，但半导体设备和关键精密部件大都依赖进口，大大制约了国内半导体行业的发展。高精密陶瓷部件的价值约占半导体设备的 10％以上，全球市场约为100 亿美元，几乎完全被美国、日本、韩国等国外企业垄断。而我国半导体行业要实现高质量发展，就必须拥有自己的关键核心技术和产业资源配套，开展半导体设备用氧化铝精密陶瓷产品的开发，经济价值、战略价值非常重大。

在此背景下，中国粉体网将在山东济南举办第一届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会，届时，来自湖南大学的肖汉宁教授将带来题为《半导体装备用高性能氧化铝陶瓷制备技术》的报告。在报告中，肖汉宁教授将针对半导体装备用陶瓷零部件的应用需求，介绍制备高性能氧化铝陶瓷的原料特性、成型工艺、烧成技术、精密加工方法等，并分析一些典型氧化铝陶瓷零部件在半导体装备中应用现状，同时提出我国半导体装备用陶瓷零部件的发展趋势。