半导体器件需要使用蚀刻机、光刻机、离子注入机等半导体设备。这些半导体器件内部使用了大量陶瓷元件。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、高精度、高强度等优异性能,非常适合用于半导体设备。许多陶瓷元件是半导体工艺中的关键部件,直接与晶圆接触。它们可以实现晶圆表面温度的精确控制以及快速加热或冷却。
半导体陶瓷元件 属于 先进陶瓷,通常由高纯度、超细无机材料制成,例如氧化铝 (Al2O3)、碳化硅 (SiC)、氮化铝 (AlN)、氮化硅 (Si3N4) 和氧化钇 (Y2O3)。半导体陶瓷元件的类型包括 半导体机械臂, 陶瓷喷嘴, 陶瓷窗, 陶瓷腔盖、多孔陶瓷真空吸盘等。
半导体陶瓷元件的制备工艺主要包括粉末制备、粉末成型、高温烧结、精密加工、质量检验、表面处理等。
关于烧结过程,一些陶瓷部件先进行脱脂,然后进行烧结,而另一些陶瓷部件则脱脂和烧结同时进行。通常,脱脂温度低于烧结温度且不超过1000℃。高温烧结方法主要有常压烧结、真空烧结、气氛烧结等。烧结将陶瓷从生坯转变为致密结构。
主要烧结工艺如下:
无压烧结
无压烧结是指材料在大气压力下烧结而不施加额外压力的过程。这是最常用的烧结方法,通常在氧气气氛或特殊气体气氛中进行。无压烧结时,形成的生坯不受外压,粉末颗粒在常压下聚集并形成晶键。
真空烧结
真空烧结是在真空环境下烧结陶瓷坯体的过程。通过物理和化学作用,将生坯转变成致密、坚硬的烧结体。在氧化物陶瓷体中,孔隙主要充满水、氢气和氧气,这些物质在烧结过程中逸出。然而,一氧化碳、二氧化碳,尤其是氮气等气体很难通过孔隙逸出,导致最终产品的密度降低。真空烧结可确保所有气体均被排出,从而提高产品的密度。
气氛烧结
对于常压烧结难以烧结的陶瓷,常用气氛烧结。在这种方法中,将特定的气体引入炉中以创造烧结陶瓷部件所需的气氛。根据材料的不同,可以使用不同的气氛,例如氧气、氢气、氮气或氩气。