半导体陶瓷品种众多，广泛用于包括但不限于涉及等离子体、腐蚀性工艺气体、真空、高温、高温差、精密运动以及严苛污染限制的制程，很难用一篇文章概括总结。而从全球领先特种陶瓷企业的具体产品去了解它们，就更容易把半导体陶瓷的概念具象化。以下就从最常见的氧化铝、氮化铝、碳化硅和碳化硅材料及其产品组合了解并拓展学习吧。
半导体陶瓷示例（From CeramTec）
一、材料分类概述
首先，仅用金属或聚合物难以满足半导体行业设备部件性能；其次，没有哪种单一材料的陶瓷兼具电、热、化学、清洁度（颗粒控制）和机械强度等综合性能。比如CeramTec围绕晶圆处理、工艺腔室、加热与冷却、计量、电气绝缘和真空接口等功能，按材料分为氧化铝Al₂O₃、碳化硅（主要指SiSiC）、氮化铝AlN、氮化硅Si₃N₄四个主要类别，共同组成行业解决方案，其品牌系列具体分为：具有高纯度、刚度的氧化铝Rubalit®，具有高导热和电绝性的氮化铝Alunit®，具有低热膨胀和高耐磨的碳化硅ROCAR®，以及具有高断裂韧性和抗热震性的氮化硅Sinalit®。京瓷（KYOCERA）、CoorsTek、Ferrotec、Morgan及Niterra（原NGK）等业内头部企业和细分赛道领先企业也各自按照材料体系或应用
二、产品及应用
1、氧化铝陶瓷
广泛包括且不止于抛光板、搬运臂（Arm）、工艺腔体（PVD、CVD等）衬底、末端执行器（End Effectors）、金属化组件（馈通等）、溅射靶材、基板等。不同产品对性能有不同侧重，比如抛光板和搬运臂作为直接接触或间接支撑晶圆组件，要求高尺寸精度、高平整、低粗糙度（典型参数如CeramTec标注的，平面度低于2μm，表面粗糙度Ra在0.06–0.35μm）；还比如电子基板按通用、厚膜薄膜、功率模组、高频高压设备、精密传感器等不同应用，要求电气性能、表面质量和机械强度不同，平衡成本和性能分为不同等级（通常按纯度分96%、98%、99.6%）。
一体成型具有内部气路孔道的搬运臂（From asuzac）
当然，该材料体系下也包括透明陶瓷、黑色陶瓷、蓝宝石基板等，可作为晶舟、光刻支撑体、晶圆外延载体等高附加值产品。
HICERAM Carrier（From Niterra）
黑色氧化铝静电吸盘（From Niterra）
从纯度分级到透光、黑色的光学分级，从复杂形貌到大尺寸薄壁，从表面质量、内部孔道再到金属化等功能复合，全球领先材料企业共同开发构成完整的氧化铝陶瓷体系，成为最成熟也最多样化的半导体工程陶瓷，并且作为性价比首选，氧化铝陶瓷随着性能优化和加工技术的进步，仍在不断攻城拔寨，进入新领域。
2、氮化铝陶瓷
氮化铝陶瓷主要服务于同时需要绝缘性能和高导热性能的散热和热管理应用，而对于半导体应用，它较低的热膨胀系数尤其稳固并且聚焦了它的使用方向。加热器无疑是半导体陶瓷中的明星产品，是CVD、PVD、ALD等沉积工艺不可或缺的基石组件，氮化铝陶瓷面板以优异的导热和绝缘性能用于均温，CeramTec公开的性能指标为200℃乃至更高工艺温度下的温区温差为±0.5℃以内，而代表业内顶级水平的产品真实温差可能更小，响应时间也极短。除了陶瓷性能保障热量高效传导外，这当然也依赖于加热布局设计，传感器安装，控制算法等能力。
（From CeramTec）
氮化铝基板对于高功率半导体而言同样无可替代，CeramTec标明的典型参数包括常温热导率≥170 W/(m·K)，弯曲强度≥450 MPa，断裂韧性≥3.0 MPa·√m等，CoorsTek的高端牌号热导率标称值甚至可达180 W/m·K，服务于IGBT功率模块和800G/1.6T光模块等高散热场景。
（From CeramTec）
氮化铝静电卡盘与常温下使用的氧化铝经典卡盘形成清晰的场景分工，服务于更高温度的工艺环境，具体如高温刻蚀、离子注入
AlN ESC（From KYOCERA）
总之，AlN方案集中攻克的，是氧化铝因导热不足或高温性能衰减而无法胜任的领域，是关注性能与可靠性大于成本的领域。
3、氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷综合性能优异，它的自润滑、抗热震、高强、高韧性能，可以胜任包括半导体在内，对结构组件严苛要求的行业。轴承（球）是可以体现其能力的代表，但对于半导体行业，它的成名作是高功率电子基板，不同于氮化铝突出的高导热性能，高温差和热膨胀差异都会带来不可忽视的机械应力，热导率虽不及氮化铝约为90 W/(m·K)，但它的弯曲强度≥700 MPa，断裂韧性≥6.5 MPa·√m，优异的机械性能带来的直接好处是可以使基板厚度薄至0.25毫米时可负载1mm厚度铜层。氮化硅基板在−40℃至+200℃大范围热循环而不失效的可靠性，对于电动汽车主逆变器等对功率循环寿命要求极苛的场景可谓当前唯一工程材料选项。
（From CeramTec）
2024年，京瓷（kyocera）宣布开发出用于下一代微芯片功能测试用的新型氮化硅陶瓷材料，它的热膨胀系数和抗弯强度都得到加强，这使得其能够在测试下一代微芯片时，用于生产接触探针之间距离非常窄的薄氮化硅板，核心能力是在−40℃至+200℃的剧烈温度循环中维持探针间距的微米级稳定性，材料强度可达1150 MPa，且厚度可薄至0.125 mm。摩根材料则明确给氮化硅/SSN列出LCD与光刻设备，工艺腔体组件的应用。
4、碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷在半导体应用中可以组成以SSiC（无压烧结碳化硅）、SiSiC（反应烧结碳化硅）和CVD碳化硅为主的产品组合。比如CeramTec 强调其SiSiC产品系列，性能结合了高刚度、高硬度、相对较高的导热性、低热膨胀系数和耐磨性，可胜任1350℃以下工况，一方面半导体部件形状复杂，要求高精度公差，SiSiC的低收缩和低膨胀性能有绝对吸引力；而且SiSiC的微观结构有利于设计电气性能，需要导电性能，比如防止因静电导致的设备损坏，并且无需担心导电涂层发生涂层剥落（颗粒）。因此，SiSiC的游离硅在严格受控前提下，在半导体的某些特定应用中不仅不是缺点，甚至是必要的。
SiSiC（From CeramTec）
导电陶瓷（From asuzac）
3D打印技术的快速进步让SiSiC从性能、尺寸、精度等能够更好匹配半导体需求。以京瓷为例，其最大部件尺寸可达325×270×130mm，壁厚薄至3mm，具备卓越的尺寸稳定性。
SSiC（From CoorsTek）
SSiC用于最高的机械、化学和热应力场合，具体如热工艺步骤中的部件、结构与支撑部件，以及等离子体应用中的部件。
顶级CVD-SiC涂层的纯度>99.9995%，无孔隙，用于对金属污染零容忍的腔体部件或涂层，通常以石墨基体为负载，一些特定领域也可以去除载体单独使用。
搬运臂（From asuzac）
弹性模量（约410 GPa）和较低的密度（约3.2 g/cm³），这赋予碳化硅无与伦比的比刚度，在涉及高速搬运的工艺中，这意味着微米级的定位精度和极低的动态下垂（sag）。SiC的低自重优势尤为关键，结合其优异的热稳定性（低热膨胀系数）和耐等离子体腐蚀能力，使其成为真空机械手臂、刻蚀/沉积等苛刻环境下的首选。
多孔导电吸盘（左）、测试晶圆（右）（From asuzac）
其他产品还包括多孔导电吸盘、测试晶圆（多晶）等，这些产品要么内部埋有加热元件支撑温控工艺，要么与氧化铝等其他陶瓷材料形成组件。其作用已远远不止结构骨架作用，出色的电气性能更把功能加持其上。
粉体圈 启东
粉体圈首页
