Inden for halvlederindustriens økosystem udgør halvlederfremstillingsudstyr dens kerne og har en central position. Ifølge SEMI's Mid-Year Total Semiconductor Equipment Forecast Report er et signal om høj industrivækst blevet frigivet. Data viser, at det samlede globale salg af semiconductor manufacturing equipment (OEM'er) forventes at nå 165,9 milliarder USD i 2026, en år-til-stigning på 23,2 %, hvilket sætter en ny historisk rekord. Dette industrivækstmomentum forventes at fortsætte, med det globale udstyrssalg, der forventes at overstige 229,5 milliarder dollars i 2028, og opnå fem på hinanden følgende år med stabil vækst.
Denne hurtige industriekspansion driver halvlederfremstillingsudstyr mod stadig -større kompleksitet og præcision i design og fremstilling. I denne proces spiller højtydende keramik, som et kritisk komponentmateriale, en nøglerolle i halvlederfremstilling. R&D og produktion af højtydende keramiske komponenter er direkte relateret til den robuste udvikling og teknologiske fremskridt i halvlederforsyningskæden.
Højtydende keramiske materialer har fremragende omfattende egenskaber, såsom høj styrke, høj hårdhed, høj slidstyrke, høj elektrisk isolering, lav termisk udvidelse, høj korrosionsbestandighed og høj kemisk stabilitet. Ved fremstilling af halvledere kan de bruges som komponenter til udstyr såsom poleringsplader, poleringspudekonditioneringsplatforme, vakuumpatroner, varmeapparater og elektrostatiske borepatroner.
Højtydende-keramiske komponenter til halvlederfremstilling
Højtydende keramiske materialer omfatter hovedsageligt aluminiumoxid, aluminiumnitrid, siliciumnitrid, siliciumcarbid osv. Forskellige keramiske materialer har forskellige egenskaber, hvilket fører til forskellige anvendelsesscenarier inden for halvlederområdet. Blandt disse har aluminiumoxidkeramik en særlig bred vifte af anvendelser i halvlederindustrien.
Anvendelser af flere almindelige halvledere-keramik
Egenskaber og klassificering af aluminiumoxidkeramik
Alumina keramik er et af de uundværlige nøgleisoleringsmaterialer til kerneudstyr i fremstilling af integrerede kredsløb. Efterhånden som spånfremstillingsprocesserne skrider frem, fortsætter renheds- og ydeevnekravene til aluminiumoxidkeramik med at eskalere. Generelt klassificeres aluminiumoxidkeramik baseret på deres aluminiumoxidindhold, typisk opdelt i almindelige-type og høj-renhed-type aluminiumoxidkeramik. Almindelig -type kan yderligere underinddeles efter aluminiumoxidindhold, såsom 75 % aluminiumoxid, 96 % aluminiumoxid og 99 % aluminiumoxidkeramik; aluminiumoxidkeramik med høj-renhed-type henviser til materialer med et indhold af aluminiumoxid på mere end 99,9 %.
I øjeblikket er renheden af aluminiumoxidkeramik brugt i halvlederudstyr stort set over 99,5%. Aluminiumoxidkeramik, der bruges til ætsning, når en renhed på over 99,8 %, og når endda 4N-kvalitet (99,99 %). Disse virker gennemsigtige eller gennemsigtige, med præstationsindikatorer, der når niveauet af safir-enkeltkrystaller. På grund af deres finkornede-struktur er nogle egenskaber som bøjningsstyrke og trykstyrke endda overlegne i forhold til safirenkeltkrystaller.
Nøgleegenskaber af aluminiumoxidkeramik med forskelligt aluminiumoxidindhold
Anvendelse af gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik i halvledere
Gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik er en type aluminiumoxidkeramik med høj-renhed. På grund af deres visse optiske transmittans kan de bruges som keramiske materialer, der integrerer både funktionelle og strukturelle roller. De strukturelle egenskaber ved høj fortætning og minimale porer og urenhedsfejl betyder, at gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik ofte har mere fremragende omfattende egenskaber end almindelige aluminiumoxidkeramik med høj-renhed. Sammenlignet med safir-enkeltkrystaller har gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik fordele i mekaniske egenskaber og betragtes som et af de foretrukne keramiske materialer til at integrere struktur og funktion.
Anvendelser i halvlederudstyr
I halvlederfremstilling er ætseprocessen et kritisk trin. Specifikt kræver valget af materialer til ætsekammerudsigtsporte ikke kun høj transmittans, men også fremragende korrosionsbestandighed. Oprindeligt var kvarts almindeligt anvendt. Kvartsens svage korrosionsbestandighed gør den imidlertid tilbøjelig til at blive beskadiget og uklar, hvilket væsentligt reducerer dens levetid som visningsport. Gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik har fået opmærksomhed på grund af deres fremragende optiske transmittans, fremragende kemiske resistens og dielektriske egenskaber.
Alumina keramiske udsigtsåbninger udviser en usædvanlig lang levetid. Høj optisk transmittans er deres kernefordel for denne applikation, høj renhed sikrer modstand mod plasmaætsning, og høj fortætning reducerer dielektrisk tab, hvilket minimerer varmeudviklingen under udstyrets drift. Selvom gennemskinnelige aluminiumoxidkeramik klarer sig godt i plasmaætsningsmodstand, halter deres optiske transmittans stadig efter materialer som kvarts. Især i fluorholdige-plasmaætsningsmiljøer reagerer Al med F for at danne AlxFy-forbindelser, hvilket ikke kun forkorter levetiden for det gennemskinnelige aluminiumoxidkeramik, men også udgør en risiko for waferforurening.
Applikationer i Semiconductor Packaging
I halvlederemballageprocesser, for at optimere den fotoelektriske konverteringseffektivitet af LED-chips, pålægges der strengere standarder for de optiske og termiske egenskaber af emballagematerialer. Gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik tjener som emballagematerialer ikke kun dobbeltroller som understøttende substrater og varmeafledningsveje, men også, ved at udnytte deres unikke optiske egenskaber, effektivt overvinde problemet med begrænset lyseffektivitet forårsaget af ensrettede lysbaner. Specifikt, ved at bruge deres høje transmittans, bruges de som transparente substrater og transparente rør, hvilket tillader lys genereret af LED-chips at forplante sig ensartet og uhindret i alle retninger, hvorved den samlede lysudvindingseffektivitet af LED-belysning forbedres væsentligt. Ydermere har gennemskinnelig alumina-keramik fremragende termisk ledningsevne ved rum-temperatur, hvilket effektivt reducerer den termiske effekt, der genereres under LED-chipdrift, hvilket yderligere forbedrer den generelle ydeevne og stabilitet.
Anvendelse af gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik i LED-belysning
I april 2026 annoncerede Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC), at de havde produceret en prototype af gennemskinnelig aluminiumoxidsubstrat (ca. 300 mm²), et produkt, der forventes at se en konstant voksende efterspørgsel efter avanceret emballage inden for halvlederfremstillingsprocesser.
Dette gennemskinnelige aluminiumoxidsubstrat er lavet af aluminiumoxid med høj-renhed (over 99,99 %) og er blevet bekræftet at have tre egenskaber:
Høj optisk transmittans over det ultraviolette (UV) til infrarøde (IR) bølgelængdeområde.
Høj stivhed svarende til safir.
Fremragende kemisk resistens.
JFC indikerede, at det gennemskinnelige aluminiumoxidsubstrat sandsynligvis vil blive anvendt i IGBT-moduler til høj-halvlederpakning, LED-belysning, høj-kommunikation med høj-frekvens (5G/mmWave), og tilbyder især nye muligheder for optiske kommunikationsfelter som Co-Packed Optics (CPO), der yder høj-mekanisk/kemisk applikationsstøtte stabilitet.
Med den hurtige udbredelse af generativ kunstig intelligens vokser efterspørgslen efter-højtydende halvledere konstant. Transparente aluminiumoxidskiver er en type støttewafer, der bruges til midlertidigt at fiksere halvlederchips under chipletintegrationsprocessen.
NGK Insulators, Ltd. planlægger at tredoble sin produktionskapacitet for gennemsigtige aluminiumoxidwafere inden finansåret 2027 for at imødekomme den voksende efterspørgsel efter chiplet-integration-en nøgleteknologi inden for avancerede områder såsom kunstig intelligens (AI) og autonom kørsel. Gennem denne udvidelse sigter NGK-koncernen på at etablere et stabilt forsyningssystem og stræber efter at opnå et salg på 20 milliarder yen på det højtydende halvledermarked inden regnskabsåret 2030.
Den gennemsigtige alumina wafer bruger "HICERAM", et gennemskinnelig præcisions keramisk materiale udviklet og raffineret af NGK gennem mange år. "HICERAM" er et gennemsigtigt præcisionskeramisk materiale baseret på høj-renhed aluminiumoxid (Al₂O₃). Gennem præcis kontrol af råmaterialets renhed, kornstørrelse og sintringsprocesser opnår dette materiale god gennemskinnelighed i polykrystallinsk aluminiumoxid, samtidig med at høj densitet opretholdes. Sammenlignet med traditionel keramik demonstrerer den enestående ydeevne til at reducere porer og lysspredning, hvilket muliggør en vis grad af lystransmission, samtidig med at den strukturelle styrke bevares.
For at fremstille høj-gennemskinnelig aluminiumoxidkeramik kræves der høj-renhedsgrad af aluminiumoxidpulver med en renhed på ikke mindre end 99,99 %. Urenhedselementer (såsom silicium og jern) kan danne spredningscentre ved korngrænser, hvilket kraftigt reducerer transmittansen og påvirker materialets mikrostruktur; derfor er det afgørende at kontrollere indholdet af urenheder i pulveret (jo lavere, jo bedre). Et andet nøglespørgsmål er pulverpartiklernes dispergerbarhed. Hvis partikelagglomerering er alvorlig, vil selv brug af 99,99 % renhed råmaterialer ikke give kvalificeret gennemskinnelig keramik. Derudover stilles der strenge krav til sintringsaktiviteten af aluminiumoxidpulveret.