中國(guó)粉體網(wǎng)訊  靜電吸盤是半導(dǎo)體部件制造中廣泛應(yīng)用的硅片夾持和轉(zhuǎn)移工具，作為關(guān)鍵組件之一，其在提高產(chǎn)率、無邊緣排除、晶片溫度控制以及減少顆粒和缺陷方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此廣泛用于基于等離子體和真空的半導(dǎo)體工藝，如蝕刻、化學(xué)氣相沉積和離子注入等。

01.靜電吸盤對(duì)材料要求很高

靜電吸盤需要面對(duì)等離子體環(huán)境及高溫腐蝕的惡劣環(huán)境，其材料必須具備耐熱沖擊、抗等離子沖擊及抗化學(xué)腐蝕的特性。

此外，還要考慮關(guān)鍵的一點(diǎn)：散熱。

在半導(dǎo)體加工中，對(duì)硅片的散熱工作相當(dāng)重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在對(duì)硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性，加工精度將受到極大的影響，因此如何提高硅片在加工過程中的表面的均溫性一直是半導(dǎo)體工業(yè)中的一大研究方向。

圖片來源：NTK

現(xiàn)代的硅片工藝中普遍用來提高硅片均溫性的方法主要是通過提高硅片背面的散熱性，使局部的高溫可以立刻散失以此來保證硅片加工過程中的硅片表面的均溫。其次是通過增加硅片表面的氣體對(duì)流，使用氣體對(duì)流散熱的方法來均勻硅片表面的溫度。

第一種散熱方法主要就是依靠靜電吸盤對(duì)硅片散熱，靜電吸盤材料的散熱性將對(duì)硅片表面的均溫性產(chǎn)生極大的影響，因此靜電吸盤一般選用機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能良好的材料。

02.氮化鋁PK氧化鋁，氮化鋁完勝！

為應(yīng)對(duì)惡劣的應(yīng)用環(huán)境及實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果，目前的靜電吸盤主要采用陶瓷材料作為主體制造材料，其中氧化鋁陶瓷的優(yōu)點(diǎn)在于加工工藝簡(jiǎn)單（燒結(jié)溫度低）及成本低，目前最為常用。

常見陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)表

但是，氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率及相關(guān)機(jī)械性能并不是十分理想。

相比之下，氮化鋁陶瓷不僅具有著優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，同時(shí)有著極高的導(dǎo)熱性能。氮化鋁陶瓷的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）導(dǎo)熱性能好，氮化鋁材料的理論熱導(dǎo)率可達(dá)到320W·m^-1·K^-1；

（2）相較于其他常用陶瓷材料（尤其是氧化鋁）其熱膨脹系數(shù)（293～773K，4.18×10^-6K^-1）與半導(dǎo)體硅材料相匹配；

（3）機(jī)械性能好，具有優(yōu)良的耐磨耗性能，綜合機(jī)械性能優(yōu)于氧化鈹，與氧化鋁相當(dāng)；

（4）綜合電性能優(yōu)異，電絕緣性優(yōu)良（體電阻率可達(dá)10¹³Ω·cm）同時(shí)介質(zhì)損耗低（介電常數(shù)1MHz下約為8.0）；

（5）無毒害，有利于環(huán)保。

于是，氮化鋁材料憑借其優(yōu)秀的綜合性能被國(guó)內(nèi)外專家一致看好，采用氮化鋁陶瓷替代氧化鋁陶瓷作為靜電吸盤的制造材料已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一大趨勢(shì)。

03.這些難題必須解決

但是，在目前比較成熟的靜電吸盤技術(shù)中氮化鋁陶瓷并未得到廣泛的應(yīng)用，絕大部分的靜電吸盤均采用制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的氧化鋁陶瓷作為主體材料，這是由于由于氮化鋁陶瓷加工工藝相比氧化鋁陶瓷困難許多。

由于氮化鋁的特殊性（其屬于共價(jià)化合物，自擴(kuò)散系數(shù)�。�，純凈的氮化鋁粉末在通常的燒結(jié)溫度下很難燒結(jié)得到致密的組織。然而致密度會(huì)對(duì)氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響，致密度不好的材料很難獲得優(yōu)良的導(dǎo)熱性。

氮化鋁粉體，圖片來源：福建臻璟

除此之外，氮化鋁陶瓷材料的導(dǎo)熱性還與其中的雜質(zhì)含量有關(guān)，尤其是氧的含量。這是因?yàn)榈�化鋁對(duì)氧的親和度較高，會(huì)使氧固溶入氮化鋁晶格而形成鋁空位，鋁空位會(huì)使聲子散熱降低自由程，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱性下降。因此要保證獲得高導(dǎo)熱性能的氮化鋁陶瓷，需要保證燒結(jié)的致密度，同時(shí)盡量避免氧原子固溶入氮化鋁晶格。

所以，需要在氮化鋁陶瓷燒結(jié)時(shí)加入某些堿土金屬的氧化物或稀土金屬的氧化物（如CaO、Y₂O₃等）以促進(jìn)氮化鋁的燒結(jié)作用。

通過查閱文獻(xiàn)，可選擇Y₂O₃作為氮化鋁陶瓷的燒結(jié)助劑。Y₂O₃不僅具有較好的穩(wěn)定性并且具有排氧能力，在氮化鋁的燒結(jié)過程中，與氮化鋁顆粒表面的氧化鋁結(jié)合生成一種或多種釔鋁酸鹽(Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃和Y₄Al₂O₉)。根據(jù)Valmikanathan的研究，當(dāng)使用Y₂O₃作為燒結(jié)助劑時(shí)，如果保證燒結(jié)時(shí)溫度達(dá)到1750℃，燒結(jié)體就可達(dá)到完全致密化。

小結(jié)

盡管目前氮化鋁陶瓷在靜電吸盤中的應(yīng)用仍不是很成熟，但從性能上看，氮化鋁陶瓷無疑更適合靜電吸盤，隨著工藝的不斷成熟，氮化鋁取代氧化鋁在靜電吸盤中應(yīng)用是遲早的事。

參考來源：

[1]牛晨旭.J-R型氮化鋁陶瓷靜電吸盤的設(shè)計(jì)與制造

[2]羅錢.氮化鋁陶瓷電性能調(diào)控及J-R型靜電吸盤的制備研究