Innenfor halvlederindustriens økosystem utgjør halvlederproduksjonsutstyr dens kjernepilar og har en sentral posisjon. I følge SEMIs Mid-Year Total Semiconductor Equipment Forecast Report, har et signal om høy industrivekst blitt gitt ut. Data viser at det totale globale salget av halvlederproduksjonsutstyr (OEM) anslås å nå $165,9 milliarder i 2026, en år-til-økning på 23,2 %, og setter en ny historisk rekord. Dette vekstmomentumet i industrien forventes å fortsette, med det globale utstyrssalgsprognosen til å overstige 229,5 milliarder dollar innen 2028, og oppnå fem år på rad med jevn vekst.
Denne raske bransjeekspansjonen driver produksjonsutstyr for halvledere mot stadig-større kompleksitet og presisjon i design og produksjon. I denne prosessen spiller høy-keramikk, som et kritisk komponentmateriale, en nøkkelrolle i halvlederproduksjon. FoU og produksjon av høyytelses keramiske komponenter er direkte relatert til den robuste utviklingen og teknologiske fremskritt i halvlederforsyningskjeden.
Høy-keramiske materialer har utmerkede omfattende egenskaper, som høy styrke, høy hardhet, høy slitestyrke, høy elektrisk isolasjon, lav termisk ekspansjon, høy korrosjonsbestandighet og høy kjemisk stabilitet. Ved produksjon av halvledere kan de brukes som komponenter for utstyr som poleringsplater, poleringspute-kondisjoneringsplattformer, vakuumchucker, varmeovner og elektrostatiske chucker.
Høyytelses-keramiske komponenter for halvlederproduksjon
Høyytelses keramiske materialer inkluderer hovedsakelig alumina, aluminiumnitrid, silisiumnitrid, silisiumkarbid osv. Ulike keramiske materialer har forskjellige egenskaper, noe som fører til varierte bruksscenarier innen halvlederfeltet. Blant disse har alumina-keramikk et spesielt bredt spekter av bruksområder i halvlederindustrien.
Anvendelser av flere vanlige halvledere-keramikk
Egenskaper og klassifisering av alumina keramikk
Alumina keramikk er et av de uunnværlige nøkkelisolasjonsmaterialene for kjerneutstyr i integrert kretsproduksjon. Etter hvert som chipproduksjonsprosessene går videre, fortsetter renhets- og ytelseskravene for alumina-keramikk å eskalere. Generelt klassifiseres alumina-keramikk basert på deres aluminiumoksydinnhold, vanligvis delt inn i alumina-keramikk av vanlig-type og høy-renhet-type. Vanlig-type kan deles videre etter aluminainnhold, for eksempel 75 % alumina, 96 % alumina og 99 % alumina keramikk; aluminiumoksydkeramikk med høy-renhet-type refererer til materialer med et aluminainnhold på over 99,9 %.
For tiden er renheten til alumina-keramikk brukt i halvlederutstyr i utgangspunktet over 99,5%. Alumina keramikk brukt i etseapplikasjoner når en renhet på over 99,8 %, og når til og med 4N karakter (99,99 %). Disse virker gjennomsiktige eller gjennomsiktige, med ytelsesindikatorer som når nivået av safir-enkeltkrystaller. På grunn av deres finkornede-struktur er dessuten noen egenskaper som bøyestyrke og trykkstyrke til og med overlegne i forhold til safirenkelkrystaller.
Nøkkelegenskapene til alumina-keramikk med forskjellig aluminiumoksydinnhold
Anvendelse av gjennomskinnelig alumina-keramikk i halvledere
Gjennomskinnelig alumina-keramikk er en type aluminiumoksyd-keramikk med høy- renhet. På grunn av deres visse optiske transmittans, kan de brukes som keramiske materialer som integrerer både funksjonelle og strukturelle roller. De strukturelle egenskapene til høy fortetting og minimale porer og urenhetsdefekter betyr at gjennomskinnelig alumina-keramikk ofte har mer utmerkede omfattende egenskaper enn vanlig høy-alumina-keramikk. Sammenlignet med enkeltkrystaller av safir, har gjennomskinnelig alumina-keramikk fordeler i mekaniske egenskaper og regnes som et av de foretrukne keramiske materialene for å integrere struktur og funksjon.
Applikasjoner i halvlederutstyr
I halvlederproduksjon er etseprosessen et kritisk trinn. Spesifikt krever valg av materialer for etsekammervisningsporter ikke bare høy transmittans, men også utmerket korrosjonsmotstand. Opprinnelig ble kvarts ofte brukt. Kvartsens svake korrosjonsmotstand gjør den imidlertid utsatt for skade og uklarhet, noe som reduserer levetiden som visningsport betydelig. Gjennomsiktig alumina-keramikk har fått oppmerksomhet på grunn av deres utmerkede optiske transmittans, enestående kjemisk motstand og dielektriske egenskaper.
Alumina keramiske visningsporter viser en eksepsjonelt lang levetid. Høy optisk transmittans er deres kjernefordel for denne applikasjonen, høy renhet sikrer motstand mot plasmaetsing, og høy tetthet reduserer dielektrisk tap, og minimerer varmeutvikling under drift av utstyret. Selv om gjennomskinnelig alumina-keramikk fungerer godt i plasmaetsingsmotstand, henger deres optiske transmittans fortsatt etter materialer som kvarts. Spesielt i fluorholdige-plasmaetsingsmiljøer, reagerer Al med F for å danne AlxFy-forbindelser, som ikke bare forkorter levetiden til den gjennomskinnelige alumina-keramikken, men også utgjør en risiko for waferforurensning.
Applikasjoner i halvlederemballasje
I halvlederemballasjeprosesser, for å optimalisere den fotoelektriske konverteringseffektiviteten til LED-brikker, pålegges strengere standarder for de optiske og termiske egenskapene til emballasjematerialer. Gjennomskinnelig alumina-keramikk, som emballasjematerialer, tjener ikke bare to roller som støttende substrater og varmespredningsveier, men også, ved å utnytte deres unike optiske egenskaper, effektivt overvinne problemet med begrenset lyseffektivitet forårsaket av ensrettede lysbaner. Spesifikt, ved å bruke sin høye transmittans, brukes de som transparente substrater og gjennomsiktige rør, slik at lys generert av LED-brikker forplanter seg jevnt og uhindret i alle retninger, og forbedrer dermed den generelle lysutvinningseffektiviteten til LED-belysning betydelig. Videre har gjennomskinnelig alumina-keramikk utmerket termisk ledningsevne ved rom-temperatur, noe som effektivt reduserer den termiske kraften som genereres under drift med LED-brikke, og forbedrer den generelle ytelsen og stabiliteten ytterligere.
Anvendelse av gjennomskinnelig alumina-keramikk i LED-belysning
I april 2026 kunngjorde Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC) at de hadde produsert en prototype gjennomskinnelig alumina-substrat (omtrent 300 mm²), et produkt som forventes å se en kontinuerlig økende etterspørsel etter avansert emballasje innen halvlederproduksjonsprosesser.
Dette gjennomskinnelige aluminasubstratet er laget av aluminiumoksyd med høy-renhet (over 99,99 %) og har blitt bekreftet å ha tre egenskaper:
Høy optisk transmittans over det ultrafiolette (UV) til infrarøde (IR) bølgelengdeområdet.
Høy stivhet tilsvarende den for safir.
Utmerket kjemisk motstand.
JFC indikerte at det gjennomskinnelige aluminiumoksidsubstratet sannsynligvis vil bli brukt i IGBT-moduler for høy-halvlederemballasje, LED-belysning, høy-kommunikasjon med høy-frekvens (5G/mmWave), og tilbyr spesielt nye muligheter for optiske kommunikasjonsfelter som Co-Pakket optikk (CPO), som gir høy kjemisk/mekanisk applikasjonsstøtte. stabilitet.
Med den raske spredningen av generativ AI, øker etterspørselen etter høyytelses halvledere stadig. Transparente aluminaskiver er en type støtteplate som brukes for midlertidig å fikse halvlederbrikker under brikkeintegrasjonsprosessen.
NGK Insulators, Ltd. planlegger å tredoble sin produksjonskapasitet for gjennomsiktige alumina-wafere innen regnskapsåret 2027 for å møte den økende etterspørselen etter chiplet-integrasjon-en nøkkelteknologi innen avanserte felt som kunstig intelligens (AI) og autonom kjøring. Gjennom denne utvidelsen har NGK-gruppen som mål å etablere et stabilt forsyningssystem og streber etter å oppnå salg på 20 milliarder yen i det høyytende halvledermarkedet innen regnskapsåret 2030.
Den gjennomsiktige aluminaplaten bruker "HICERAM", et gjennomskinnelig presisjons keramisk materiale utviklet og foredlet av NGK over mange år. "HICERAM" er et gjennomskinnelig presisjons keramisk materiale basert på høy-renhet aluminiumoksyd (Al₂O₃). Gjennom presis kontroll av råmaterialets renhet, kornstørrelse og sintringsprosesser, oppnår dette materialet god gjennomskinnelighet i polykrystallinsk alumina samtidig som det opprettholder høy tetthet. Sammenlignet med tradisjonell keramikk viser den enestående ytelse når det gjelder å redusere porer og lysspredning, og muliggjør dermed en viss grad av lystransmisjon samtidig som den opprettholder strukturell styrke.
For å tilberede høy-gjennomskinnelig alumina-keramikk, kreves det høy-renhetspulver med en renhet på ikke mindre enn 99,99 %. Urenhetselementer (som silisium og jern) kan danne spredningssentre ved korngrenser, noe som reduserer transmittansen sterkt og påvirker materialets mikrostruktur; derfor er det avgjørende å kontrollere innholdet av urenheter i pulveret (jo lavere, jo bedre). Et annet nøkkelspørsmål er dispergerbarheten til pulverpartikler. Hvis partikkelagglomerasjonen er alvorlig, vil selv bruk av råmaterialer med 99,99 % renhet ikke gi kvalifisert gjennomskinnelig keramikk. I tillegg stilles det strenge krav til sintringsaktiviteten til aluminapulveret.