В экосистеме полупроводниковой промышленности оборудование для производства полупроводников составляет ее основу и занимает центральное место. Согласно отчету SEMI по общему прогнозу полупроводникового оборудования на середину-года, был опубликован сигнал о высоких темпах роста отрасли. Данные показывают, что общий объем мировых продаж оборудования для производства полупроводников (OEM) по прогнозам достигнет 165,9 млрд долларов США в 2026 году, при этом -при-годовом росте на 23,2 %, установив новый исторический рекорд. Ожидается, что эта динамика роста отрасли сохранится: прогнозируется, что к 2028 году мировые продажи оборудования превысят 229,5 миллиардов долларов, что обеспечит устойчивый рост в течение пяти лет подряд.
Такое быстрое развитие отрасли приводит к тому, что оборудование для производства полупроводников становится все-все более сложным и точным в проектировании и производстве. В этом процессе ключевую роль в производстве полупроводников играет высокоэффективная-керамика, являющаяся важнейшим компонентом материала. Исследования, разработки и производство высокоэффективных-керамических компонентов напрямую связаны с устойчивым развитием и технологическим прогрессом цепочки поставок полупроводников.
Высокоэффективные-керамические материалы обладают превосходными комплексными свойствами, такими как высокая прочность, высокая твердость, высокая износостойкость, высокая электроизоляция, низкое тепловое расширение, высокая коррозионная стойкость и высокая химическая стабильность. В производстве полупроводников их можно использовать в качестве компонентов такого оборудования, как полировальные пластины, платформы для обработки полировальных подушечек, вакуумные патроны, нагреватели и электростатические патроны.
Высокопроизводительные-керамические компоненты для производства полупроводников
Высокоэффективные керамические материалы-в основном включают оксид алюминия, нитрид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния и т. д. Различные керамические материалы имеют разные характеристики, что приводит к различным сценариям применения в области полупроводников. Среди них глиноземная керамика имеет особенно широкий спектр применения в полупроводниковой промышленности.
Применение некоторых распространенных полупроводниковых-керамик
Свойства и классификация глиноземной керамики
Керамика из глинозема является одним из незаменимых ключевых изоляционных материалов для основного оборудования в производстве интегральных схем. По мере развития процессов производства чипов требования к чистоте и производительности глиноземной керамики продолжают возрастать. Как правило, глиноземную керамику классифицируют в зависимости от содержания в ней оксида алюминия. Обычно ее делят на глиноземную керамику обычного-типа и глиноземную керамику-высокой-чистоты-типа. Обычный-тип можно дополнительно подразделить по содержанию глинозема, например, 75% глинозема, 96% глинозема и 99% глиноземной керамики; К глиноземной керамике высокой-чистоты-типа относятся материалы с содержанием глинозема более 99,9%.
В настоящее время чистота глиноземной керамики, используемой в полупроводниковом оборудовании, в основном превышает 99,5%. Керамика из глинозема, используемая для травления, достигает чистоты более 99,8%, достигая даже степени 4N (99,99%). Они кажутся прозрачными или полупрозрачными, а показатели эффективности достигают уровня монокристаллов сапфира. Более того, благодаря их мелкозернистой структуре некоторые свойства, такие как прочность на изгиб и прочность на сжатие, даже превосходят свойства монокристаллов сапфира.
Ключевые свойства глиноземной керамики с различным содержанием глинозема
Применение полупрозрачной глиноземной керамики в полупроводниках
Полупрозрачная глиноземная керамика – это разновидность глиноземной керамики высокой-чистоты. Благодаря определенному оптическому пропусканию их можно использовать в качестве керамических материалов, выполняющих как функциональные, так и структурные функции. Структурные характеристики высокой плотности и минимального количества пор и дефектов примесей означают, что полупрозрачная глиноземная керамика часто обладает более превосходными комплексными свойствами, чем обычная глиноземная керамика высокой-чистоты. По сравнению с монокристаллами сапфира полупрозрачная керамика из оксида алюминия обладает преимуществами по механическим свойствам и считается одним из предпочтительных керамических материалов для объединения структуры и функций.
Приложения в полупроводниковом оборудовании
В производстве полупроводников процесс травления является важным этапом. В частности, выбор материалов для смотровых окон камеры травления требует не только высокого коэффициента пропускания, но и превосходной коррозионной стойкости. Первоначально широко использовался кварц. Однако слабая коррозионная стойкость кварца делает его склонным к повреждениям и помутнению, что значительно сокращает срок его службы в качестве смотрового окна. Полупрозрачная керамика из оксида алюминия привлекла внимание благодаря превосходному оптическому пропусканию, выдающейся химической стойкости и диэлектрическим свойствам.
Смотровые окна из глиноземной керамики имеют исключительно долгий срок службы. Высокий оптический коэффициент пропускания является их основным преимуществом для этого применения, высокая чистота обеспечивает устойчивость к плазменному травлению, а высокая плотность снижает диэлектрические потери, сводя к минимуму выделение тепла во время работы оборудования. Хотя полупрозрачная керамика из оксида алюминия хорошо справляется со стойкостью к плазменному травлению, ее оптическое пропускание все еще отстает от таких материалов, как кварц. Особенно во фтор-содержащих средах плазменного травления Al реагирует с F с образованием соединений AlxFy, что не только сокращает срок службы полупрозрачной глиноземной керамики, но и создает риск загрязнения пластины.
Применение в полупроводниковой упаковке
В процессах упаковки полупроводников для оптимизации эффективности фотоэлектрического преобразования светодиодных чипов к оптическим и термическим свойствам упаковочных материалов предъявляются более строгие стандарты. Полупрозрачная керамика из глинозема в качестве упаковочного материала не только выполняет двойную роль в качестве несущей подложки и путей рассеивания тепла, но также, используя свои уникальные оптические свойства, эффективно решает проблему ограниченной светоотдачи, вызванной однонаправленными путями света. В частности, благодаря высокому коэффициенту пропускания они используются в качестве прозрачных подложек и прозрачных трубок, позволяя свету, генерируемому светодиодными чипами, распространяться равномерно и беспрепятственно во всех направлениях, тем самым значительно повышая общую эффективность светоотдачи светодиодного освещения. Кроме того, полупрозрачная керамика из оксида алюминия обладает превосходной теплопроводностью при комнатной-температуре, эффективно снижая тепловую мощность, выделяемую во время работы светодиодного чипа, и дополнительно улучшая общую производительность и стабильность.
Применение полупрозрачной глиноземной керамики в светодиодном освещении
В апреле 2026 года компания Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC) объявила о выпуске прототипа полупрозрачной подложки из оксида алюминия (около 300 мм²), продукта, который, как ожидается, будет иметь постоянно растущий спрос на усовершенствованную упаковку в процессах производства полупроводников.
Эта полупрозрачная подложка из оксида алюминия изготовлена из оксида алюминия высокой-чистоты (более 99,99 %) и, как было подтверждено, обладает тремя характеристиками:
Высокий оптический коэффициент пропускания в диапазоне длин волн от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК).
Высокая жесткость, аналогичная сапфиру.
Отличная химическая стойкость.
JFC отметила, что полупрозрачная подложка из оксида алюминия, скорее всего, будет применяться в модулях IGBT для мощных полупроводниковых корпусов, светодиодного освещения, высокочастотной связи (5G/ммволны) и, в частности, открывает новые возможности для таких областей оптической связи, как Co-Packaged Optics (CPO), обеспечивая поддержку приложений, требующих высокой теплопроводности и механической/химической стабильности.
В связи с быстрым распространением генеративного искусственного интеллекта спрос на высокопроизводительные-полупроводники постоянно растет. Прозрачные пластины из оксида алюминия — это тип опорной пластины, используемой для временной фиксации полупроводниковых чипов в процессе интеграции чиплетов.
NGK Insulators, Ltd. планирует утроить свои мощности по производству прозрачных пластин из оксида алюминия к 2027 финансовому году, чтобы удовлетворить растущий спрос на интеграцию чиплетов,-ключевую технологию в таких передовых областях, как искусственный интеллект (ИИ) и автономное вождение. Благодаря этому расширению группа NGK стремится создать стабильную систему поставок и достичь объема продаж в 20 миллиардов иен на рынке высокопроизводительных полупроводников к 2030 финансовому году.
В прозрачной пластине из оксида алюминия используется HICERAM, полупрозрачный прецизионный керамический материал, разработанный и усовершенствованный NGK на протяжении многих лет. «HICERAM» — полупрозрачный прецизионный керамический материал на основе оксида алюминия высокой-чистоты (Al₂O₃). Благодаря точному контролю чистоты сырья, размера зерна и процессов спекания этот материал достигает хорошей прозрачности в поликристаллическом оксиде алюминия, сохраняя при этом высокую плотность. По сравнению с традиционной керамикой она демонстрирует выдающиеся характеристики по уменьшению пор и светорассеяния, тем самым обеспечивая определенную степень пропускания света при сохранении структурной прочности.
Для изготовления высоко-полупрозрачной глиноземной керамики требуется порошок оксида алюминия высокой-чистоты не менее 99,99 %. Примесные элементы (такие как кремний и железо) могут образовывать центры рассеяния на границах зерен, серьезно снижая коэффициент пропускания и влияя на микроструктуру материала; таким образом, контроль содержания примесей в порошке (чем ниже, тем лучше) имеет решающее значение. Еще одним ключевым вопросом является диспергируемость частиц порошка. Если агломерация частиц сильная, даже использование сырья с чистотой 99,99% не позволит получить качественную полупрозрачную керамику. Кроме того, к спекающей активности порошка оксида алюминия предъявляются строгие требования.