氧化鋁陶瓷在半導體領域的應用以及製作工藝

氧化鋁陶瓷在半導體領域的應用

在半導體裝置製造中，精密陶瓷作為關鍵部件材料，扮演了重要角色。

在眾多陶瓷材料中，氧化鋁陶瓷（以Al2O3為主體的陶瓷材料）具有材料結構穩定，機械強度高，硬度高，熔點高，抗腐蝕，化學穩定性優良，電阻率大，電絕緣效能好等優點，在半導體裝置中應用廣泛。

目前的等離子晶圓刻蝕機腔室，主要採用高純氧化鋁（Al2O3）塗層或氧化鋁陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內部件的防護材料。等離子刻蝕腔體材料決定了晶圓的良率、質量、刻蝕工藝的穩定性等。

除了腔體以外，等離子體裝置的氣體噴嘴，氣體分配盤和固定晶圓的固定環等也需用到氧化鋁陶瓷。

再例如在晶圓拋光工藝中，氧化鋁陶瓷可被廣泛應用於拋光板、拋光磨墊校正平臺、真空吸盤等。

氧化鋁陶瓷機械手臂在搬運晶圓。

氧化鋁陶瓷機械手臂在半導體裝置中起到搬運作用，它相當於半導體裝置這個機器人的手，負責搬運晶圓矽晶片到指定位置。因為晶圓矽晶片極其容易受到其他顆粒的汙染，所以一般在真空環境下進行。

氧化鋁陶瓷和碳化矽陶瓷都具備緻密質、高硬度、高耐磨性的物理性質，以及良好的耐熱效能、優良的機械強度、高溫環境仍具有良好的絕緣性、良好的抗腐蝕性等物理效能，是用於製作半導體裝置機械手臂的絕佳材料。

從材料性質來看，碳化矽陶瓷用於製作陶瓷機械手臂較為合適，但是從材料價格、加工難度等經濟方面來說，氧化鋁陶瓷機械手臂的價效比更高。

氧化鋁陶瓷的製作工藝

一、粉體制備

將入廠的氧化鋁粉按照不同的產品要求與不同成型工藝製備成粉體材料。粉體粒度在1μm（微米）以下，若製造高純氧化鋁陶瓷製品除氧化鋁純度在99．99%外，還需超細粉碎且使其粒徑分佈均勻。

若採用半自動或全自動幹壓成型，對粉體有特別的工藝要求，需要採用噴霧造粒法對粉體進行處理、使其呈現圓球狀，以利於提高粉體流動性便於成型中自動充填模壁。此外，為減少粉料與模壁的摩擦，還需新增1～2%的潤滑劑，如硬脂酸，及粘結劑PVA。

二、成型

幹壓成型：主要優點是成型效率高，成型製品尺寸偏差小，特別適用於各種截面厚度較小的陶瓷製品製作，如陶瓷密封環，閥門用陶瓷閥芯，陶瓷襯板，陶瓷內襯等。

氧化鋁陶瓷幹壓成型技術僅限於形狀單純且內壁厚度超過1mm，長度與直徑之比不大於4∶1的物件。成型方法有單軸向或雙向。壓機有液壓式、機械式兩種，可呈半自動或全自動成型方式。壓機最大壓力為200Mpa。由於液壓式壓機衝程壓力均勻，故在粉料充填有差異時壓制件高度不同。

而機械式壓機施加壓力大小因粉體充填多少而變化，易導致燒結後尺寸收縮產生差異，影響產品質量。因此幹壓過程中粉體顆粒均勻分佈對模具充填非常重要。充填量準確與否對製造的氧化鋁陶瓷零件尺寸精度控制影響很大。粉體顆粒以大於60μm、介於60～200目之間可獲最大自由流動效果，取得最好壓力成型效果。

等靜壓成型方式，又細分為以下2種：

1、乾式等靜壓：將彈性模具半固定，不浸泡在液體介質中，而是透過上下活塞密封。壓力泵將液體介質注入到高壓缸和加壓橡皮之間，透過液體和 加壓橡皮將壓力傳遞使坯體受壓成型。

2、溼袋式等靜壓：將造粒陶瓷粉或預先成型的坯體放入可變形的橡膠包套內，然後透過液體施加各向均勻的壓力，當壓制過程結束，再將裝有坯體的橡膠包套從容器內取出，這是一種間斷式成型方法。

三、燒結

陶瓷素坯在燒結前是由許許多多單個的固體顆粒所組成的，坯體中存在大量氣孔，氣孔率一般為35%~60%（即素坯相對密度為40%~65%），具體數值取決於粉料自身特性和所使用的成型方法和技術。當對固態素坯進行高溫加熱時，素坯中的顆粒傳送物質轉移，達到某一溫度後坯體發生收縮，出現晶粒長大，伴隨氣孔排除，最終在低於熔點的溫度下素坯變成緻密的多晶陶瓷材料。

四、內外圓磨削

內外圓磨削（也稱為中心型磨削）是用來磨削工件的外圓表面和肩部。工件安裝在中心上，並由一個稱為中心驅動器的裝置旋轉。砂輪和工件由單獨的電機以不同的速度旋轉，對氧化鋁陶瓷進行磨削處理。

五、平面磨削

利用旋轉砂輪對陶瓷平面進行磨削處理，去除工件表面的氧化層和雜質，從而使其表面更加精緻。

六、數控加工

程式化數控機床操作，其加工出來的氧化鋁陶瓷零件具有精度高、質量穩定的優點。

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