黑色多孔氧化铝陶瓷：半导体真空陶瓷吸盘的吸光材料

近年来，随着集成电路的产品性能和产量不断提高，对提供更高精度和性能的元件装夹用真空吸盘的需求越来越大。真空吸盘与真空设备通过连接管接通，当真空吸盘与待加工物如片式/薄膜材料等接触时，真空设备开始工作，使得真空吸盘内产生负压，待加工物在大气压力作用下牢牢贴附在真空吸盘上，即可对待加工物进行相应加工作业。当待加工物完成加工后，真空设备停止工作，缓慢向真空吸盘内充气，加工物自动与真空吸盘分离，完成对待加工物的装夹、加工和搬运等工序。传统真空吸盘为通孔式金属吸盘，如铝合金、不锈钢等吸盘，由于吸附孔的尺寸较大，在对片式/薄膜元件进行吸附固定时，气体压力会导致薄片或薄膜材料在吸附孔附近产生局部弹性变形，给电路印刷等后续加工操作等带来不利影响。目前通常采用气孔尺寸微米级的多孔陶瓷作为真空吸盘，同时，为避免电子元件光刻加工时吸盘反射杂光造成干扰，真空吸盘的颜色要求为黑色。我国电子元器件生产厂家目前所用黑色多孔陶瓷真空吸盘均为国外进口，价格昂贵，因此深圳方泰新材研究并制备新型黑色多孔陶瓷真空吸盘对于消除进口依赖、降低国内企业的生产成本具有重要的意义和广阔的应用前景。黑色氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要成分，过渡金属氧化物作为着色剂，同时添加烧结助剂，在一定的温度下烧结而成。其中着色剂是此类陶瓷的重要组成，决定了最终呈色。用作真空吸盘的此类陶瓷，在选用着色剂时，要保证真空吸盘的呈色程度、机械强度、孔隙率以及孔径大小

　　目前，国内外常用做着色剂的过渡金属氧化物有Fe2O3、CoO、NiO、Cr2O3、MnO2等，其中以Fe2O3、CoO、NiO、MnO2最为常用。因为氧化铝在高温下发挥较弱，而过渡金属氧化物则相反，温度越高，挥发越快。这类氧化物在高温烧结时形成尖晶石型化合物，其挥发性会有所降低。因此，为抑制过渡金属氧化物的挥发，应选择合适的工艺条件使其在较低温度下结合成尖晶石型化合物

　　黑色氧化铝陶瓷的制备

　　目前，业内常采用两步烧结法和一步烧结法制备此类陶瓷。

　　一次合成法是将氧化铝、着色氧化物、助溶剂直接按一定的配比和工艺来制备黑色氧化铝。此法过程简单，但陶瓷着色比二次合成法稍差，其原因是Fe2O3、Cr2O3、CoO、V2O5、NiO和Mn2O3等着色氧化物在高温下挥发性都较强。

　　二次合成法是先利用一些金属氧化物合成黑色色料，再把黑色色料、助溶剂、氧化铝按一定配比和工艺来制备黑色氧化铝。此法过程比较复杂，能耗高。

　　凝胶注模法制备黑色多孔氧化铝陶瓷

　　多孔氧化铝陶瓷是一种基体为氧化铝，经过高温烧结，内部含有大量相互贯通并且与表面也相通的微孔或孔洞结构的陶瓷材料。多孔陶瓷内部的孔隙结构、特定化学成分直接影响其形态和性质，而影响孔隙结构最为重要的因素是制备工艺与方法。

　　凝胶注模法是在陶瓷料浆中添加高分子有机物，利用其产生的聚合反应，使得陶瓷料浆原位固结得到坯体，坯体中的水分蒸发留下孔隙，最后在高温下进行烧结，使坯体中的高分子有机物发生分解，从而得到具有一定孔隙率的多孔陶瓷材料用作真空吸盘的黑色多孔氧化铝陶瓷其气孔率需达到40%左右。

在制备黑色多孔氧化铝陶瓷过程中添加适量的烧结助剂，由于氧化铝基体的晶格常数与某些烧结助剂相差不大，在烧结过程中易形成固溶体或者新相，使晶格发生畸变，从而降低烧结温度;氧化物(MnO2)在烧结过程中生成了液相，由于液相具有流动性与受到表面作用力的作用，加快了原子的扩散速度，促进混合尖晶石化合物的生成，使陶瓷试样呈现不同程度的颜色。据相关实验研究，在烧结助剂的含量相同时，减少氧化铝的含量、增加着色剂含量，颜色加深。

烧结助剂与着色剂对黑色多孔氧化铝陶瓷的影响

　　用该方法制备的陶瓷孔隙率可以达到 95%，孔径一般为纳米级，并且气孔分布相对均匀

　　在制备黑色多孔氧化铝陶瓷过程中添加适量的烧结助剂，由于氧化铝基体的晶格常数与某些烧结助剂相差不大，在烧结过程中易形成固溶体或者新相，使晶格发生畸变，从而降低烧结温度;氧化物(MnO2)在烧结过程中生成了液相，由于液相具有流动性与受到表面作用力的作用，加快了原子的扩散速度，促进混合尖晶石化合物的生成，使陶瓷试样呈现不同程度的颜色。据相关实验研究，在烧结助剂的含量相同时，减少氧化铝的含量、增加着色剂含量，颜色加深。

　　由于凝胶注模法制备试样的烧结温度为1250℃，温度较低，由于氧化物Fe2O3、MnO2同时具有着色和助熔作用，因此随着着色剂含量的逐渐增多，气孔率会有所下降，之后随着着色剂含量的进一步增多，MnO2在温度较高时会有一定量的气化，起到类似发泡的作用，从而使得气孔率增大。

采用多孔陶瓷制作的真空吸盘使用超细微米级孔和孔间距能够可靠地处理更薄、更精细的工件。同时，该真空吸盘可以吸附不同尺寸的工件，不需要为不同的工件保持一系列的形状和尺寸，从而节省成本和提高工作效率。目前，国内对黑色多孔陶瓷真空吸盘仍依赖进口，研究其工艺原理及制备方向对企业降低成本具有重大的意义。

　　深圳方泰新材料技术有限公司，从2012年引进日本技术，研发和生产各类多孔陶瓷真空卡盘，特别是黑色消光多孔陶瓷，目前早已量产，方泰新材依托13年的技术经验，成为半导体行业首选的陶瓷吸盘供应厂商。

窗视镜刻蚀机上的窗视镜材料要求透光率高，开始采用的是石英玻璃材料，但容易被腐蚀得模糊不清，之后被Al2O3材料替代。但是随着含氟等离子体的应用，Al2O3的耐腐蚀性能也逐渐满足不了批量生产的需求，因为Al2O3中的Al与氟离子反应会生成Al–F化合物，然后沉积结晶形成颗粒杂质，容易污染晶圆。Y2O3透明陶瓷在含氟等离子体中表现出非常好的耐腐蚀性能，但其烧结性能差，生产成本高，且机械性能较差，难加工，实用性受到限制。YAG透明陶瓷透光率高，对含氟等离子体的耐腐蚀性能与氧化钇相似，而且机械性能更加优异，是比较理想的替代材料。

　　蚀刻环SiC刻蚀环作为半导体材料在等离子刻蚀环节中的关键耗材，其纯度要求极高。一般只能采用CVD工艺进行生长SiC厚层块体，随后经精密加工而制得，主要用于半导体刻蚀工艺的制备环节。长期以来，围绕半导体及其配套材料的发展一直是我国生产制造中的薄弱环节，但因其技术壁垒高，长期被美、日、德等国所垄断，一直是被“卡脖子”的关键材料之一。

　　绝缘环陶瓷材料在多数情况下是优良的绝缘体，尤其是氮化硅陶瓷具有绝缘性、耐高温、抗腐蚀性、寿命长的特点。因此可制备成在严苛的工作条件下对绝缘性要求较高的绝缘环。与氧化铝陶瓷绝缘环相比，氮化硅陶瓷绝缘环耐温更高、强度更大，具有强的热稳定性，使用寿命可延长大约10倍以上，在很大的程度上可降低生产成本、节约操作时间。

　　气体喷嘴等离子清洗工序中，会使用含有反应性较高的氟系、氯系等卤族元素的腐蚀性气体。气体喷嘴通常由氧化铝陶瓷制备，要求具有高等离子电阻、介电强度以及对工艺气体和副产品的强耐腐蚀性高等性能，同时内部具有精密孔结构用以精确控制气体流量。

　　深圳方泰新材料有限公司, 拥有Fountyl商标，五项发明证书，凭借科研院校雄厚的研发力量支持，以及成熟的国际化市场运作经验，已经成为了真空陶瓷吸盘，陶瓷末端执行器，陶瓷方梁，陶瓷导轨以及各种精密陶瓷部件等加工方面的国内领军企业。