氧化铝陶瓷在半导体领域的应用以及制作工艺

发布时间：

2026-08-27

半导体用氧化铝陶瓷以99.5%~99.99% 高纯 α‑Al₂O₃为基体，具备高绝缘、耐等离子腐蚀、耐高温、低金属离子析出、高尺寸精度等特性，广泛用于晶圆制造设备、芯片封装、功率电子等环节，是半导体前道设备的关键精密陶瓷零部件。

一、半导体领域主要应用

1. 刻蚀、薄膜沉积设备零部件（前道工艺）

刻蚀机、CVD、ALD 设备：腔体衬里、气体喷淋板、绝缘法兰、陶瓷喷嘴、内衬防护件。

2. 晶圆承载与传输部件

静电卡盘 ESC、晶舟、晶圆载台、陶瓷机械手指尖、真空吸盘、定位垫片。

3. 半导体封装与功率电子基板

1）HTCC 高温共烧陶瓷基板、氧化铝绝缘基板；用于 IC 外壳、射频器件、功率半导体封装；2）DBC 直接覆铜基板，依托氧化铝高绝缘与导热能力，用于 IGBT、功率模块散热绝缘载体。

4. CMP 化学机械抛光设备

陶瓷压盘、陶瓷限位环，耐磨耐腐蚀，保证晶圆抛光平面度。

半导体级氧化铝陶瓷关键指标：纯度≥99.8%，致密度≥99.5%；Na₂O、Fe₂O₃杂质严格控制；体积电阻率＞10¹⁴ Ω・cm；弯曲强度 450‑550 MPa；表面粗糙度 Ra 可达 0.1μm 级别。

二、完整制备工艺流程

高纯氧化铝原粉→浆料制备→喷雾干燥造粒→成型→排胶脱脂→高温烧结→后处理精密加工→清洗检测

1. 粉体制备与喷雾造粒

半导体部件优先选用 4N 及以上高纯 α‑Al₂O₃原粉。超细原粉流动性差，必须制备高纯氧化铝造粒粉：

（1）高纯介质球磨，超纯水配浆，加入低杂质分散剂、粘结剂、少量烧结助剂（MgO 等抑制晶粒异常长大）；全程严控研磨介质、助剂带来的二次污染；

（2）喷雾干燥造粒，得到球形造粒粉，保证良好流动性、合适颗粒破碎强度，减少空心颗粒、卫星球缺陷；

（3）筛分分级备用。

造粒粉质量直接决定后续坯体均匀性，空心颗粒、内部缺陷会造成烧结气孔，在等离子环境下发生剥落，污染晶圆。

2. 成型工艺

（1）冷等静压成型（半导体大件 / 异形件主流）：压力 100‑200 MPa，坯体密度均匀，内部缺陷少，适合腔体、喷淋板等大尺寸零部件；（2）干压成型：适合简单片状小件，效率高，坯体密度均匀性有限；

（3）流延成型：专门制备陶瓷基板薄片，用于 HTCC、DBC 基板；

（4）注射成型：复杂细小异形零件，有机助剂多，脱脂难度大。

3. 排胶脱脂

低温缓慢升温，完全去除坯体内 PVA、分散剂等有机助剂。脱脂不充分会造成烧结气泡、碳残留，在半导体工况下释放污染物。

4. 烧结工艺

高纯氧化铝烧结温度1600‑1800℃

（1）无压烧结：量产主流，添加微量 MgO 抑制晶粒长大；成本适中；

（2）热等静压 HIP：烧结后进行 HIP 后处理，进一步消除内部闭气孔，致密度接近理论密度，大幅提升耐等离子腐蚀性能，用于高端刻蚀零部件；成本高；

（3)热压烧结：适合小尺寸样品，难以做大件量产。

控制晶粒尺寸很关键：晶粒过大，等离子腐蚀速率加快；晶粒过小，陶瓷力学强度下降。

5. 精密加工与后处理

烧结完成后采用陶瓷专用 CNC、研磨、钻孔、超声波加工，完成微孔、平面、螺纹加工；半导体零件平面度可达微米级，微孔孔径公差 ±0.01 mm；最后超净清洗，去除加工粉尘杂质，完成检测出货。

现存技术难点

1.全流程杂质控制：球磨介质、粘结剂、设备磨损都可能引入 Na、Fe、Si 杂质，微量杂质就会造成晶圆污染；

2.造粒粉缺陷控制：空心颗粒、内部裂纹，烧结转化为气孔缺陷；

3.大尺寸构件烧结均匀性：大尺寸喷淋板、腔体件容易烧结变形、开裂；

4.耐等离子腐蚀：晶界相优先被等离子刻蚀，产生颗粒掉落，是零部件失效主要原因。

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