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新瓷|盘点精密陶瓷在半导体领域的应用

发布日期: 2025-10-13 15:31:04 浏览量: 0
精密陶瓷,特别是先进结构陶瓷,因其卓越的物理和化学性能,成为半导体制造中不可或缺的关键材料。它们贯穿了芯片制造、测试和封装的整个产业链。其核心价值在于能够满足半导体工艺对高纯度、高耐热、高耐磨、耐腐蚀和优异电绝缘性的极端要求。
半导体设备需要大量的精密陶瓷部件。由于陶瓷具有高硬度、高弹性模量、高耐磨、高绝缘、耐腐蚀、低膨胀等优点,可用作硅片抛光机、外延/氧化/扩散等热处理设备、光刻机、沉积设备,半导体刻蚀设备,离子注入机等设备的零部件。半导体陶瓷有氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅等,在半导体设备中,精密陶瓷的价值约占16%左右。
应用制程
陶瓷部件
CMP
抛光台、抛光板、搬运臂
光刻
真空吸盘、晶圆卡盘、工作台、搬运臂
高温处理(RTP/外延/氧化/扩散)
绝缘子、基座、晶舟、炉管、悬臂桨
沉积
室盖、腔内衬、沉积环、静电夹盘、加热器、电镀绝缘子、真空破坏过滤器
刻蚀
圆顶、腔体、聚焦环、喷嘴、静电夹盘、搬运臂
离子注入
轴承、真空吸盘、静电夹盘
表  半导体设备用主要精密陶瓷部件

一、 芯片制造环节:核心耗材与部件

这是精密陶瓷应用最广泛、要求最高的领域。

1. 晶圆制造与加工

  • 静电吸盘:这是最关键的应用之一

    • 材料:主要使用高纯度氧化铝 和氮化铝 陶瓷。

    • 功能:在刻蚀、化学气相沉积、物理气相沉积等工艺中,用于吸附并固定硅片。它需要具备优异的绝缘性、平坦度、耐等离子体侵蚀能力,并能通过内部加热/冷却系统精确控温。氮化铝因其出色的导热性,在高功率工艺中应用越来越多。

图 新瓷半导体设备用高纯氧化铝盘
高纯氧化铝应用:半导体制造设备的腔体部件、绝缘法兰盘、抛光板、抛光平台、晶圆夹盘、搬运臂等。
图 新瓷机械手臂
此外,透明的单晶氧化铝材料——蓝宝石具有卓越的化学稳定性、机械性能、耐热、耐等离子等特性。
应用:晶圆运输的搬运臂、晶圆舟、砷化镓抛光晶片用承载板等。
  • 刻蚀工艺部件

    • 材料氧化钇氮化铝氧化铝

    • 功能:用于制造刻蚀反应腔室的内衬、焦点环、气体分配盘等。这些部件直接暴露在高温、高腐蚀性的等离子体中,需要极强的耐蚀性以防止自身污染晶圆。氧化钇在卤素等离子体(如Cl₂, CF₄)中表现出极佳的耐腐蚀性,是目前高端刻蚀机的首选。

高纯氮化铝陶瓷具有卓越的热传导性,耐热性、绝缘性,热膨胀系数接近硅,且具有优异的等离子体抗性,产品热量分布均匀。
图 新瓷氮化铝加热盘
应用:晶片加热加热器、静电夹盘
  • 化学机械抛光

    • 材料氧化锆

    • 功能:用作CMP设备的抛光承载头。氧化锆陶瓷具有极高的硬度、耐磨性和化学稳定性,能长期在研磨浆料环境中稳定工作,保持晶圆表面的平整压力。

  • 离子注入

    • 材料氧化铝氮化硅

    • 功能:用作束流线中的绝缘件、夹具和挡板,要求高绝缘性以防止电荷积累,并能承受高能离子束的轰击。

氮化硅(Si3N4)是断裂韧性高、耐热冲击性强、高耐磨耗性、高机械强度、耐腐蚀的材料。可应用于半导体设备平台、轴承等部件。
图 新瓷氮化硅陶瓷零件

2. 薄膜沉积

  • 材料氮化铝氧化铝

  • 功能:在CVD(化学气相沉积)设备中用作加热盘、基座和腔室内衬。需要在高温度(可达数百度)和反应气体环境下保持稳定,不释放杂质。

3. 热处理(扩散、氧化)

  • 材料高纯度石英玻璃(虽非典型陶瓷,但属硅酸盐陶瓷范畴)、碳化硅

  • 功能:用于制造扩散炉的炉管、承载晶圆的舟皿。碳化硅舟皿具有高温强度高、抗蠕变性能好、使用寿命长的优点。

碳化硅具有高导热性、高温机械强度、高刚度、低热膨胀系数、良好的热均匀性、耐腐蚀性、耐磨耗性等特性。碳化硅在高达1400℃的极端温度下,其仍能保持良好的强度。
图 新瓷微孔陶瓷盘
应用:XY平台、基座、聚焦环、抛光板、晶圆夹盘、真空吸盘、搬运臂、炉管、晶舟、悬臂桨等。

二、 芯片测试与封装环节

1. 测试探针卡

  • 材料氧化铝氮化铝

  • 功能:用作探针卡的基板。陶瓷基板提供优异的绝缘性、平整度和尺寸稳定性,确保成千上万的微探针能够精确地对准芯片上的微小焊盘,进行电性能测试。

2. 封装基板与外壳

  • 材料氮化铝氧化铍

  • 功能

    • 陶瓷封装:用于高可靠性、高功率的芯片(如CPU、GPU、功率器件)。陶瓷封装(如CERDIP、CQFP)提供优良的气密性、高导热性和与硅匹配的热膨胀系数,能有效保护芯片并导出热量。

    • 绝缘散热基板:在功率模块中,氮化铝基板作为绝缘层,将芯片产生的热量高效传导至金属散热器,同时保证电路间的电气隔离。

精密陶瓷是半导体工业的“幕后英雄”,它们虽然不直接构成芯片的电路,但却是制造尖端芯片所依赖的基石和守护者。从固定晶圆的静电吸盘,到抵御等离子体侵蚀的氧化钇部件,再到为芯片散热的氮化铝基板精密陶瓷以其独特的性能,支撑着半导体技术不断向更小、更快、更强的方向迈进。其技术水平和发展状况,直接反映了一个国家在高端制造业领域的核心竞争力。

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