陶近翁 賀婷婷 邱立功

摘 要：隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車、機(jī)器人等智能產(chǎn)品融入到人們的生活中。這些產(chǎn)品中存在著大量的半導(dǎo)體芯片，制備芯片需要用到半導(dǎo)體設(shè)備，如刻蝕機(jī)、光刻機(jī)、離子注入機(jī)等。打開半導(dǎo)體設(shè)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(qiáng)度高等優(yōu)異性能，其可以很好地用在半導(dǎo)體設(shè)備內(nèi)。大部分陶瓷零部件在半導(dǎo)體制程中作為設(shè)備的關(guān)鍵零部件直接與晶圓接觸，可以實(shí)現(xiàn)晶圓表面溫度高精度控制和快速升降溫。本文中對(duì)半導(dǎo)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(dǎo)體陶瓷零部件種類（半導(dǎo)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(dǎo)體陶瓷零部件的制備工藝，（粉料制備、粉料成型、高溫?zé)Y(jié)、精密加工、表面處理）做了介紹。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；陶瓷；零部件

1 半導(dǎo)體陶瓷零部件制備原料

半導(dǎo)體陶瓷零部件屬于先進(jìn)陶瓷，通常采用高純、超細(xì)的無機(jī)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(zhì)等較為復(fù)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(jù)其含量不同，制備出的產(chǎn)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(yōu)異的剛度、強(qiáng)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(shù)的半導(dǎo)體陶瓷零部件，如陶瓷噴嘴、陶瓷環(huán)、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(dǎo)性，且強(qiáng)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(chǎn)品。

1.3氮化鋁

氮化鋁陶瓷具有熱導(dǎo)率高，與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，介電常數(shù)低，介質(zhì)損耗低[3]。它還具有熔點(diǎn)高、硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)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(diǎn)、超高的硬度、化學(xué)惰性高[4]、較低的熱膨脹系數(shù)、較高的熱傳導(dǎo)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(qiáng)度。當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)，則其強(qiáng)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(diǎn)、良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性、低的聲子能、高的熱導(dǎo)率、良好的透光度等[5]。而且其具有良好的光學(xué)透過性能，氧化釔陶瓷在軍工、半導(dǎo)體等方面具有廣泛的應(yīng)用。在半導(dǎo)體行業(yè)中，主要與氧化鋁陶瓷一起結(jié)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(guān)產(chǎn)品。

1.6氧化鋯

氧化鋯陶瓷的機(jī)械強(qiáng)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(jù)氧化鋯含量不同，可以用來制作不同用途的陶瓷類產(chǎn)品。

2 半導(dǎo)體陶瓷零部件種類

由于陶瓷零部件耐高溫抗腐蝕等優(yōu)異性能，常被用于各類半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備中。半導(dǎo)體陶瓷零部件種類包括半導(dǎo)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(dǎo)體陶瓷手臂

在半導(dǎo)體設(shè)備工作過程中，搬運(yùn)晶圓時(shí)需要用到陶瓷手臂，因?yàn)榫A硅晶片不能受污染，所以一般是在真空潔凈的環(huán)境下進(jìn)行。在真空環(huán)境下，絕大多數(shù)其他材料制備的機(jī)械手臂達(dá)不到要求，這時(shí)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(yōu)于氧化鋁陶瓷手臂。但是從材料價(jià)格和加工難度等方面進(jìn)行比較，氧化鋁制作的陶瓷手臂性價(jià)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(yīng)用在不同的電子封裝領(lǐng)域，如用于電力電子器件封裝、激光器封裝、發(fā)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(dǎo)熱耐熱、強(qiáng)度高、可靠性高的陶瓷產(chǎn)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(yīng)氣體是通過連接腔體內(nèi)外的陶瓷噴嘴進(jìn)入到反應(yīng)腔內(nèi)的，因此噴嘴的品質(zhì)會(huì)直接決定反應(yīng)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(dǎo)率和抗熱震性比氧化鋁更好，噴嘴不會(huì)因?yàn)榈入x子體腐蝕產(chǎn)生雜質(zhì)污染，也不會(huì)因?yàn)闊嵝巫冊斐裳b配部件的磨損帶來雜質(zhì)污染，從而確保噴嘴不會(huì)對(duì)反應(yīng)氣體和反應(yīng)腔體造成任何的雜質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)，可以更好地滿足先進(jìn)制程 HDP-CVD 設(shè)備中的應(yīng)用要求。

2.4 陶瓷窗

陶瓷窗是一種廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體刻蝕機(jī)中的關(guān)鍵零部件，作為刻蝕機(jī)中的腔室蓋，用于等離子刻蝕機(jī)中，位于刻蝕機(jī)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(jìn)入腔體[10]。其設(shè)計(jì)旨在將RF（射頻）和微波能量傳輸?shù)降入x子刻蝕腔室中，同時(shí)抵抗惡劣的等離子刻蝕環(huán)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(huì)被吸收并轉(zhuǎn)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(shí)退化。人們在制備該款產(chǎn)品時(shí)，常用高純氧化鋁、氧化釔兩種先進(jìn)陶瓷材料，并且需要通過嚴(yán)格的成型、燒結(jié)和精密加工以及表面噴涂過程才能完成滿足應(yīng)用要求的產(chǎn)品。

2.5 陶瓷腔體罩

陶瓷腔體罩是包括陶瓷dome、冷卻系統(tǒng)、電極控制系統(tǒng)的一體化獨(dú)立功能部件，是40nm及以下所有制程的薄膜沉積設(shè)備中關(guān)鍵部件之一，其性能對(duì)保證晶圓品質(zhì)至關(guān)重要。

陶瓷腔體罩覆蓋在晶圓上部，將CVD設(shè)備腔體進(jìn)行密封，形成封閉的腔室環(huán)境，在鐘形罩周圍有線圈的天線構(gòu)件，可以施加高頻功率形成感應(yīng)電場來產(chǎn)生ICP（等離子體），并通過陶瓷腔體罩引入腔室內(nèi)部，進(jìn)行等離子處理并保護(hù)淀膜進(jìn)程的順利進(jìn)行。陶瓷腔體罩對(duì)保證反應(yīng)腔室的密封性、內(nèi)外壓差、反應(yīng)腔內(nèi)潔凈度等起到關(guān)鍵作用，是CVD設(shè)備最為關(guān)鍵的核心部件之一。

2.6 陶瓷真空吸盤

半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體材料硅片是一種又薄又硬又脆的材料，它的兩面都要進(jìn)行磨削和拋光等，人們常用真空吸盤來對(duì)這種工件進(jìn)行定位和夾緊[11] 。傳統(tǒng)材料制備的真空吸盤往往性能達(dá)不到使用要求，經(jīng)過工藝及技術(shù)的改進(jìn)，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(jié)構(gòu)，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(zhì)不同，但是其耐磨性和機(jī)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(dǎo)體陶瓷零部件制備工藝主要包括粉料制備、粉料成型、高溫?zé)Y(jié)、精密加工、品檢、表面處理等。

3.1粉料制備

原料通常需要經(jīng)過重新加工，加入各種配料，進(jìn)行機(jī)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?？梢圆捎霉滔喾?、液相法、氣相法等來制備。

3.1.2機(jī)械球磨

球磨機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的制備原料的設(shè)備，其內(nèi)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(jī)中，并加入各種陶瓷球作為研磨球。在研磨球和機(jī)械球磨后，粉料粒度可以達(dá)到微米級(jí)別。

3.1.3噴霧干燥

制備的陶瓷細(xì)粉或粉料沉淀物、膠體等經(jīng)常需要水洗、過濾、干燥和煅燒，這些工藝過程一般會(huì)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(fēng)，并使得溶劑迅速蒸發(fā)，從而可以得到均勻尺寸和形狀的粉料。經(jīng)過噴霧干燥后的粉料，制備燒結(jié)體后具有較細(xì)的晶粒。

3.2粉料成型

用相應(yīng)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(yīng)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(jí)配適合的粉末，倒入到金屬模腔中，用壓頭對(duì)其施加壓力，壓頭在模腔中進(jìn)行移位，并將壓力傳遞給模具中的粉體顆粒，使其被壓實(shí)，最終形成具有一定形狀和強(qiáng)度的陶瓷素坯產(chǎn)品。

3.2.2等靜壓成型

該工藝是把需要壓制成型的半導(dǎo)體陶瓷零部件放入等靜壓機(jī)中，利用液體不可壓縮和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓，當(dāng)液體介質(zhì)通過壓力泵注入壓力容器中時(shí)，其壓強(qiáng)大小不變且均勻傳遞到各個(gè)方向，這樣，陶瓷零部件在各個(gè)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(fù)雜的一個(gè)工藝，它是能夠一次成形制造出厚度從數(shù)十微米至毫米量級(jí)的陶瓷毛坯的濕式成形技術(shù)，將具有一定粘性且分散性較好的陶瓷漿料，從流延機(jī)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(nèi)，在溶劑揮發(fā)后，有機(jī)粘結(jié)劑在陶瓷顆粒之間生成網(wǎng)絡(luò)，從而生成具有一定強(qiáng)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(jù)需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行切削、沖壓、穿孔等工序，再進(jìn)行燒制，即可完成產(chǎn)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(duì)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(dòng)地進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且其工藝過程可以進(jìn)行精確控制，該工藝可以成型復(fù)雜形狀的陶瓷產(chǎn)品，應(yīng)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(jī)單體，再加入引發(fā)劑并澆注，然后使?jié){料中的有機(jī)單體在一定條件下發(fā)生原位聚合反應(yīng)，形成堅(jiān)固的交聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，漿料凝固后經(jīng)過脫模、干燥、排膠、燒結(jié)后得到所需的陶瓷零部件。

3.3高溫?zé)Y(jié)

陶瓷零部件制品有的是先排膠再燒結(jié)，有的是排膠和燒結(jié)一起完成。通常排膠溫度低于燒結(jié)溫度，不超過1000℃。高溫?zé)Y(jié)方式主要包括常壓燒結(jié)、真空燒結(jié)、氣氛燒結(jié)。通過燒結(jié)可以使得陶瓷由生坯轉(zhuǎn)化為熟坯，變成致密結(jié)構(gòu)。

3.3.1常壓燒結(jié)

常壓燒結(jié)就是對(duì)材料不進(jìn)行加壓而使其在大氣壓力下燒結(jié)，是較常用的燒結(jié)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(jié)。在常壓燒結(jié)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(zhuǎn)變成晶粒結(jié)合體。

3.3.2真空燒結(jié)

真空燒結(jié)是指在真空環(huán)境下，將特定形態(tài)的陶瓷坯體通過物理、化學(xué)作用，在真空狀態(tài)下，轉(zhuǎn)化為致密、硬的燒結(jié)體[12]。氧化物陶瓷坯體中的孔隙主要是由水、氫和氧等物質(zhì)組成，在燒結(jié)時(shí)它們會(huì)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(dǎo)致產(chǎn)品的致密性降低。通過真空燒結(jié)，可以使所有的氣體都排出，因此，產(chǎn)品的致密度得到改善。

3.3.3氣氛燒結(jié)

對(duì)于在常壓燒結(jié)中較難燒結(jié)的陶瓷件，常用氣氛燒結(jié)。這種方法是在爐內(nèi)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(jié)。根據(jù)材料的不同，一般可以采用氧氣、氫氣、氮?dú)?、氬氣等不同氣氛?/p>

3.4 精密加工

生坯燒結(jié)后的陶瓷零部件尺寸尚未達(dá)到所需尺寸，需要將燒結(jié)過的陶瓷熟坯及陶瓷制品進(jìn)行進(jìn)一步精加工，通常用CNC車床、磨床等對(duì)陶瓷熟坯進(jìn)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(jì)算機(jī)控制來操作和操縱機(jī)器和切削工具對(duì)陶瓷零部件進(jìn)行成型的減材制造過程。陶瓷材料由于硬度高、強(qiáng)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(gè)零件的一致性。

3.5 品檢

經(jīng)過上述步驟處理過的陶瓷零部件制品需要經(jīng)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(zhì)量要求高的制品需要檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，以確保半導(dǎo)體陶瓷零部件的質(zhì)量。經(jīng)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品再進(jìn)行下一步操作，不合格的重新返工或報(bào)廢。

3.6表面處理

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

有的特殊需求的陶瓷零部件，還需要進(jìn)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(fù)合等進(jìn)一步的表面處理，使其達(dá)到使用要求。

4結(jié)論

本文綜述了半導(dǎo)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(dǎo)體陶瓷零部件種類，包括半導(dǎo)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(dǎo)體陶瓷零部件的制備工藝，包括粉料制備、粉料成型、高溫?zé)Y(jié)、精密加工、品檢、表面處理等，從半導(dǎo)體陶瓷零部件的原料到制備工藝進(jìn)行了全方位的介紹，對(duì)研究人員具有一定的參考價(jià)值。

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