半导体设备用精密陶瓷制备工艺与技术分析

半导体设备作为半导体产业链的关键支撑，其技术的实施依赖于各种精密零件。精密零部件的材料与加工技术是集成电路核心技术的载体，是半导体产业的基石。自20世纪50年代集成电路问世以来，集成电路产业一直遵循"一代装备、一代工艺、一代产品"的模式快速发展。芯片集成度的不断提高，对生产工艺赖以实现的设备技术提出了新的需求，对制造设备精密零部件的性能要求越来越高。

半导体设备用精密陶瓷通常采用高纯、超细的无机材料来制备，材质（原料）不同，性能不同，应用也不同。半导体设备用精密陶瓷的制备原料通常包括氧化铝、碳化硅、氮化铝、化硅、氧化钇等。

精密陶瓷零部件因其在半导体设备中所处的位置和重要性，其半导体领域产业化必须在以下三方面满足严苛要求：

• 精密陶瓷材料性能

必须满足半导体设备对材料在机械力学、热、介电、耐酸碱和等离子体腐蚀等方面的综合性能要求。

• 硬脆难加工材料精密加工

精密陶瓷材料属于硬脆难加工材料，半导体设备对零部件的精度要求高，加工始终是陶瓷零部件在半导体设备应用的瓶颈之一。

• 加工后的新品表面处理

由于半导体设备中陶瓷零部件通常紧密围绕着晶圆，一些甚至直接接触晶圆，因此对其表面金属离子和颗粒的控制极为严格，加工后的表面处理是陶瓷零部件在半导体设备中应用的关键技术之一。

精密陶瓷制备关键流程

精密陶瓷工艺过程可分为粉体合成、成型、烧结和后加工等四大步骤。

而在实际生产中，制备精密陶瓷的细分工艺极为繁琐，例如在粉体合成之后，成型之前，需要进行粉体改性、混料、造粒、浆料制备等；在成型之后、烧结之前，还要历经干燥、排胶等关键工艺。

这些工艺对最终精密陶瓷制品的性能有着决定性影响。例如，超细陶瓷粉料团聚会导致成型坯体的不均匀性。这又会在烧结过程中因各部位收缩速率不同而导致"差异烧结"，从而在烧结体中形成大的不规则孔洞或类似裂纹的孔洞。这些孔洞成为潜在的裂纹源，从而大大降低材料的力学性能和可靠性。可见，粉末的团聚会严重影响到烧结后陶瓷的致密度和显微结构的均匀性。因此，必要时需要对超细陶瓷粉料作表面改性处理。

因此，精密陶瓷属于典型的技术密集型行业，尤其对性能要求极为苛刻的半导体设备用精密陶瓷来说，整个流程必须百密而无一疏。

粉体制备

粉体的特性对后续的成型和烧结具有显著的影响，特别是对陶瓷最终纤维结构和力学性能具有重要的作用。通常纯度高、粒径细小均匀且烧结活性好的粉体有利于制备出结构均匀致密和力学性能优异的陶瓷材料。

陶瓷粉体的制备主要包含固相反应法、液相反应法和气相反应法3大类。其中固相反应法特点是成本较低、便于批量化生产，但杂质较多，主要包括碳热还原法（如SiC粉体、AION粉体）、高温固相合成法（镁铝尖晶石粉体、钛酸钡粉体等）、自蔓延合成氮化物（Si₃N₄粉体等300余种）和盐类分解法（Al₂O₃粉体）等。

液相反应法生产的粉料粒径小、活性高、化学组成便于控制，化学掺杂方便，能够合成复合粉体，主要包括化学沉淀法、溶胶——凝胶法、醇盐水解法、水热法、溶剂蒸发法。

气相反应法包括物理气相沉积和化学气相沉积2种。与液相反应法相比，气相反应制备的粉体纯度高、粉料分散性好、粒度均匀，但是投资较大、成本高。

成型技术

精密陶瓷成型方法通常包括干压成型、流延成型、注射成型、热等静压成型、冷等静压成型、注浆成型、挤压成型、热压铸成型、凝胶注模成型、直接凝固注模成型等多种方法。这些成型方法，成型原理及过程不同，因此其优缺点也不尽相同。

干压成型

干压成型是制造半导体元件的一种常见工艺。该工艺主要通过把造粒后颗粒级配适合的粉末，倒入到金属模腔中，用压头对其施加压力，压头在模腔中进行移位，并将压力传递给模具中的粉体颗粒，使其被压实，最终形成具有一定形状和强度的陶瓷素坯产品。

流延成型

流延成形技术是一种能够一次成形制造出厚度从数十微米至毫米量级的陶瓷毛坯的湿式成型技术。将具有一定黏性且分散性较好的陶瓷浆料，从流延机浆料槽刀口流到基带上，将浆料展开，在表面张力的作用下，生成光滑表面的坯模，将坯模连同基带一起送到烘干室内，在溶剂挥发后，有机黏结剂在陶瓷颗粒之间生成网络，从而生成具有一定强度和柔性的坯片，将干燥的坯片从基带上剥离后，卷轴备用。再根据需要对产品进行切削、冲压、穿孔等工序，再进行烧制，即可完成产品的加工。

注射成型

注射成型是一种新型的制造陶瓷零部件的技术，其生产过程主要分为：注射料的制备、注射成型、脱脂、烧结4个环节。人们常用它来制备几何形状复杂及有特殊要求的小型陶瓷零部件。

等静压成型

等静压成型包括热等静压成型和冷等静压成型。等静压成型可以从各个方位传递压力，从而保证板料的致密化。

①热等静压成型

这种方法是在高温高压下，原子扩散能力增强，使得陶瓷中的气孔迁移到晶界或工件表面，达到减少和消除气孔的作用。热等静压工艺通过薄壁预应力绕线单元，可以使其均匀快速地冷却，与自然冷却过程相比，生产效率大大提高。

②冷等静压工艺

这种方法能够在常温或稍高温（<93℃）条件下对陶瓷或金属粉施加高压100~600MPa，从而得到"生坯"，并将其烧结至最终强度。

注浆成型

注浆工艺是陶瓷厂规模化生产普遍使用的一种成型方法。它是将具有较高固相含量和良好流动性的料浆注射到多孔石膏模具里面，由于多孔模板拥有毛细管吸力，模板内壁会从浆料中汲取水分，进而沿着模壁形成固化的坯体，待坯体形成一定的强度后，就可以脱模。

挤压成型

挤压成型是把陶瓷粉末、黏土或有机黏结剂、水进行混合，多次混炼，真空除气、陈腐后，使挤出的坯料具有较好的塑性和均匀性。之后在挤出螺旋或柱塞的作用下，由挤压机嘴处的模具挤出，从而得到所需形状的产品。

热压铸成型

热压铸成型过程中，主要利用石蜡受热熔化，遇冷凝固的特点，把陶瓷粉料和热石蜡液进行均匀的混合，形成一种可以流动的浆料。在一定的压力下，将浆料注入金属模板中成型，待冷却蜡浆凝结后，脱模取出已经成型好的坯体。对坏体进行修整，再通过高温脱蜡，最后烧结制成成品。

凝胶注模成型

凝胶注模成型是在含有有机物的溶液中，把陶瓷粉料分做开来，制备成高固相悬浮体。然后，再把悬浮体注入一定形状的模具中，在一走的催化、温度条件下，有机单体通过聚合﹣形成凝胶﹣悬浮体原位凝固﹣干燥，就可以得到较高强度的坏体。

直接凝固注模成型

直接凝固注模成型是一种新型的陶瓷净尺寸胶态成型方法。这种方法把传统的陶瓷工艺和化学理论结合在一起，利用催化剂或引发剂使加入悬浮液中的有机单体发生交联形成网络结构从而导致原位固化。

3D打印

3D打印技术是依据CAD三维建模、通过材料的逐层叠加堆积直接获得实体部件的技术，也被称之为"增材技术"、"堆积技术"等。3D打印技术的出现突破了传统制造技术的约束，为实现复杂结构件制造提供了一种可能。相对于传统的减材、等材制造方式，增材制造技术具有不增加成本，无需模具，就可制备出异形产品的特点。

烧结工艺

烧结是陶瓷制备过程中的一个最重要环节。所谓烧结，是指陶瓷坯体在一定的高温过程中，内部通过一系列的物理化学过程，使材料获得一定密度、微结构、强度和其他物理性能的一个过程。根据烧结过程中不同的状态，分为固态烧结和液相烧结。精密陶瓷的烧结技术按照烧结压力分主要有常压烧结、无压烧结、真空烧结以及热压烧结、热等静压烧结、气氛烧结等各种压力烧结。近些年通过特殊的加热原理出现微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延烧结等新型烧结技术。

常压烧结

常压烧结就是对材料不进行加压而使其在大气压力下烧结，是较常用的烧结方法，这种方法一般是在氧气气氛下或者某种特殊气体气氛条件下烧结。在常压烧结过程中，成型的坯体不受外加压力的作用，只是在常压下加热粉末颗粒的聚集体转变成晶粒结合体。

热压烧结

对共价键难烧材料如Si3N4、BN、二硼化锆（ZrB2）需要在加热过程中给予外加机械力，使其达到致密化，此种烧结方式为热压烧结，分为单向加压和双向加压。热压烧结的特点是可以低于常压烧结温度100~200℃的条件下接近理论密度，同时提高制品的性能如透明性、电导率及可靠性。

真空烧结

真空烧结是指在真空环境下，将特定形态的陶瓷坯体通过物理、化学作用，在真空状态下，转化为致密、硬的烧结体。氧化物陶瓷坯体中的孔隙主要是由水、氢和氧等物质组成，在烧结时它们会通过气孔逃逸。但是，一氧化碳，二氧化碳，尤其是氮，很难通过气孔逃逸，导致产品的致密性降低。通过真空烧结，可以使所有的气体都排出，因此，产品的致密度得到改善。

气氛烧结

对于在常压烧结中较难烧结的陶瓷件，常用气氛烧结。这种方法是在炉内通入一定的气体形成需要的气氛，使得陶瓷零部件在特定的气氛下烧结。根据材料的不同，一般可以采用氧气、氢气、氮气、氩气等不同气氛。

微波烧结

在微波电场作用下，利用陶瓷材料的介质损耗，加热陶瓷材料到烧结温度，从而实现烧结和致密化，这种方法叫作微波烧结。该过程中，微波会转化成内部分子的动能和势能，使材料整体加热均匀。通过该方法，可实现快速烧结，提高陶瓷材料的力学性能。而且，不需要专门的加热设备来进行微波烧结，具有效率高、能耗低等优点。其具有广阔的应用前景，为制备亚米级甚至微米级陶瓷材料奠定了基础。

自蔓延高温烧结

自蔓延高温烧结，又称燃烧合成。是20世纪80年代迅速兴起的一门材料制备技术。该技术以放热反应为基础，通过外界的能量诱导，形成化学反应燃烧波，使反应在其本身释放的热能支撑下持续地进行下去，从而使反应扩散，最终实现目标物质的制备。该方法性价比高，适用于合成非化学计量比的相关产物。可用自蔓延高温烧结方法来制作相关的半导体陶瓷零部件。

放电等离子烧结

放电等离子烧结技术是近年来国际上备受瞩目的一项新技术，它在烧结工艺中采用了一种新型的、以高压为媒介的复合式烧结工艺。在制作绝缘样品时，用导电性较好的石墨做模具，利用模具的电阻热让样品快速升温；而制作导电性样品时，采用一种绝缘模具，让电流直接流经试样，达到受热的目的。在试件的加热过程中，通过短暂的加热，就可以实现试件的烧结。

闪烧

闪烧是一种利用特定的温度及外加电场，在较低的温度下，以较快的速度进行烧结的一种新的烧结法。通常情况下将烧结陶瓷生坯制成棒状，用铂丝捆绑两端，悬挂在炉体内，对棒状生坯进行直流或交流电场淬炼。该技术不但可以缩短烧结时间，降低炉温，还可以抑制晶粒的生长，实现非平衡烧结，且该技术所需设备简单，成本低。

冷烧结

陶瓷冷烧结工艺是在高压条件下，通过向粉体中添加一种瞬时溶剂，促进颗粒重新排列、扩散，在较低的温度和较短的时间下，促使陶瓷粉体烧结致密化，该工艺为低温烧结制备高性能结构陶瓷和功能陶瓷创造了可能。该工艺包括两个阶段：

• 在机械力的作用下，粉末粒子之间产生了液体之间的运动，引发了粉体颗粒的重排；

• 在高压下，使粉体表面物质在液相中溶解析出，这样可以实现物料的扩散输送。

振荡压力烧结

振荡压力烧结过程中，施加连续振荡压力对陶瓷粒子进行重新排列，以减少粒子的聚集；在烧结中后期，通过脉冲式高压强化粉末的烧结，促进黏性流动和扩散蠕变，诱发晶粒转动、晶界滑移与塑性变形，进而提高粉末的致密程度。另外，调整振动压强的幅度与频率，增强塑性形变，加速在烧结后期在晶界上气孔的融合与排出，从而彻底清除剩余气孔，使得材料的密度向理论值靠拢。最后，该工艺能够有效抑制晶粒长大，增强晶体的界面强度。

反应烧结法

反应烧结法指通过气相或液相与基体相互反应而导致陶瓷材料烧结的方法。最典型的产品是反应烧结碳化硅和反应烧结氮化硅制品。此种烧结方法的优点是工艺简单，制品可稍加加工或不加工，也可制备形状复杂的制品。缺点是制品中最终残余未反应产物，结构不易控制，太厚的制品不易完全反应烧结。

精密加工

精密陶瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大。由于陶瓷加工性能差，加工难度大，稍有不慎就可能产生裂纹或者破坏，因此不断开发高效率、高质量、低成本的陶瓷料精密加工技术已经成为国内外陶瓷领域的热点。传统的陶瓷加工技术主要体现在机械加工，包括陶瓷磨削、研磨和抛光。近年来，电火花加工、超声波加工、激光加工和化学加工等加工技术逐步在陶瓷加工中得以应用。

技术难点

• 由于半导体设备对精密陶瓷有着严格的性能要求，所以必须使用高纯、超细、均匀的陶瓷粉体原料，而且后续的造粒、浆料等对原材料的预处理工艺对最终制品的性能有着关键的影响。

• 对于材料科学与工程学科而言，半导体设备要求精密陶瓷部件具有轻质高强、高导热系数和低热膨胀系数等特点，且致密均匀无缺陷，这意味着其成型、烧结等环节务必严谨无误。

• 对于机械加工学科而言，半导体设备则要求精密陶瓷部件具有极高的尺寸精度和尺寸稳定性，以保证设备实现超精密运动和控制，而精密陶瓷属于硬脆性材料，加工难度极高。

• 对于一些如静电卡盘、气体分配盘等一些形状复杂或复杂异形中空结构的精密陶瓷部件而言，传统加工方式（如磨削）对于复杂三维形状和内部流道几乎无能为力，且成本高昂、效率低下，必须采用近净尺寸成型技术。

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