随着半导体行业的快速发展，人们对速度更快、效率更高、可靠性更高的电子设备的需求也日益增长。随着这些陶瓷半导体材料日益复杂，销售这些材料的制造商不得不选择能够承受这种环境条件并保持卓越性能的材料。因此，先进陶瓷凭借其卓越的热稳定性、电绝缘性、机械耐久性和耐化学性，已成为该领域不可或缺的材料。
本文分析了先进陶瓷在半导体应用中的关键功能，并介绍了它们相对于其他材料的相对优点，同时确定了几种关键的陶瓷类型和选择最有效的陶瓷以优化整体性能的潜在辅助材料。
什么是先进陶瓷？
先进陶瓷，又称工程陶瓷或技术陶瓷，是一种高性能材料，可用于具有特殊性能的工业用途。与通常用于陶器和建筑的传统陶瓷不同， 先进陶瓷 具有优异的热特性、机械特性和电气特性，非常适合半导体制造。
这些陶瓷主要可分为两类：
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结构陶瓷： 它们非常坚固和坚韧，可以用来制造机械零件和承重物品。
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生物陶瓷： 特别用于医疗领域，但由于其化学稳定性和定制功能，也用于半导体生产。
比较不同的材料
半导体制造依赖于材料的选择，这决定了其性能、效率和寿命。将先进陶瓷与金属、聚合物和传统陶瓷等常用材料进行比较，可以就其各自的优缺点做出明智的决策。
金属
过去，铝或铜等金属因其优异的导电性和导热性而被广泛应用于半导体制造。但它们面临着氧化、腐蚀和热膨胀等问题，这可能会影响其在高温条件下的性能。而先进的陶瓷则具有极强的耐热、耐磨损和耐化学降解性能，因此对于必须保持稳定性和长寿命的关键半导体元件而言，它们可能是更佳的选择。
聚合物
由于重量轻且相对便宜，聚合物常用于电子封装。然而，由于其热性能和机械性能较差，它们无法用于高性能半导体应用。为了满足这一需求，先进陶瓷具有出色的耐热性、耐用性和结构稳定性，使其成为半导体元件的迫切替代品，以确保更长的使用寿命和更高的可靠性。
传统陶瓷
传统陶瓷已广泛应用于众多行业，但仍不具备半导体应用所需的优良性能。传统陶瓷通常较脆，微观结构控制较差。而先进陶瓷经过精心设计，可提供更佳的电气、热学或机械性能，因此对于关键的半导体环境至关重要。
常用先进陶瓷材料
这里列出了一些最广泛使用的先进陶瓷，并描述了它们适用于特定半导体应用的主要特性。
氧化铝（Al₂O₃）
氧化铝是半导体应用中最广泛使用的先进陶瓷之一。它被认为具有优异的电绝缘性、高导热性和强大的机械性能。因此，它适用于制造陶瓷装甲、陶瓷装甲板以及需要优异耐磨性的陶瓷装甲组件。此外，它还可用于制造基板、绝缘体和晶圆载体，从而确保半导体工艺的稳定性和效率。
碳化硅（SiC）
另一种关键的陶瓷半导体材料是碳化硅，因为它具有高导热性、高机械强度和低热膨胀性。它广泛应用于半导体晶圆加工设备、热交换器以及需要高效散热和材料稳定性的高频电子应用。除了半导体之外，碳化硅还非常耐用，因此被用于陶瓷防弹衣和陶瓷防弹背心。
氧化锆（ZrO₂）
氧化锆以其优异的断裂韧性和抗热震性而闻名。其高耐用性和表面坚固性使其能够承受不可避免的温度骤变，非常适合用于需要长时间运行的半导体加工工具和晶圆处理系统。除了半导体应用外，氧化锆还广泛应用于陶瓷防弹背心和陶瓷防弹板，以抵御极端冲击。
二硼化钛（TiB₂）
二硼化钛质地坚硬，导电性好。它常用于薄膜沉积工艺的溅射靶材，并在半导体制造中提供精密的材料应用。由于其卓越的强度，它还被用于制造防弹陶瓷板和弹道防护系统，这表明它在电子和国防领域有着广泛的用途。
如何选择合适的先进陶瓷
选择最适合半导体应用的先进陶瓷是一个复杂的过程，如果不考虑材料在各种工作条件下的性能，就无法做出最佳选择。为了做出最佳选择，工程师需要考虑每种陶瓷材料与半导体环境的反应方式。下文将讨论主要因素及其对性能的影响。
热稳定性
由于半导体元件通常会受到剧烈的温度变化的影响，因此所用材料必须能够承受极高的热量而不会降低其性能。如果材料选择不当，会导致元件翘曲、开裂，并随着时间的推移降低效率。
例如，碳化硅 (SiC) 就是一个很好的选择，它具有高导热性和低热膨胀性。这两种特性可以结合起来，使材料能够高效地为电力电子和晶圆加工设备散热，同时在温度快速变化时保持结构完整性。同样，氧化铝 (Al₂O₃) 具有中等导热性，但却是非常好的电绝缘体，因此它既能控制热量，又能保持绝缘性能。
机械强度
在半导体制造中，精密操作至关重要，因为它们必须承受机械应力、冲击和反复操作。如果陶瓷不够坚韧，就会开裂、磨损、过早失效，从而增加维护成本和停机时间。
氧化锆 (ZrO₂) 因其极强的抗冲击和抗热震性，在需要出色断裂韧性的应用中脱颖而出。因此，它适用于需要连续使用的晶圆加工工具和半导体制造设备。此外，碳化硅 (SiC) 硬度高、耐磨，因此非常适合注重耐用性的高应力应用。
电气性能
半导体的应用需要高电绝缘性或可控的导电性。材料选择不当可能会导致功率损耗、过热或干扰非常敏感的电子电路。
由于在基板和绝缘体等应用中需要高介电强度，因此氧化铝 (Al₂O₃) 是首选。它具有出色的耐介电击穿性能，能够在高压环境下保持稳定运行。相比之下，在需要导电性的情况下，例如用于薄膜沉积的溅射靶材，二硼化钛 (TiB₂) 尽管具有机械稳定性，却也能有效导电。
耐化学性
在半导体制造行业中，组件经常浸入腐蚀性化学品、活性气体以及高纯度环境中。由于化学不稳定性，结构不稳定的陶瓷可能会发生降解，导致结构弱化或易碎半导体材料受到污染。
如果您需要一种耐氧化、耐酸碱的材料，碳化硅 (SiC) 是最可靠的材料之一。正因如此，它对于半导体工艺腔体和化学腐蚀环境而言不可或缺。Al₂O₃ 作为一种氧化物，也具有很强的化学惰性，适用于对材料完整性有严格要求的高纯度制造工艺。
结论
在传统材料性能欠佳的情况下，先进陶瓷已成为实现最佳稳定性、耐用性和可靠性的完美解决方案。例如，碳化硅在晶圆加工中具有出色的耐热性，而氧化锆则能够抵抗精密刀具的冲击损伤。选择合适的材料不仅关乎工程要求，还关乎其效率、如何避免代价高昂的故障，以及在任何操作环境下如何保持长期高性能。随着半导体应用日益复杂，战略性地使用最佳先进陶瓷将成为突破性能、创新和成形极限，并占据下一代电子技术巅峰的关键因素。