靜電吸盤是半導體部件制造中廣泛應用的硅片夾持和轉移工具，作為關鍵組件之一，其在提高產率、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特優勢，因此廣泛用于基于等離子體和真空的半導體工藝，如蝕刻、化學氣相沉積和離子注入等。

靜電吸盤對材料要求很高

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

此外，還要考慮關鍵的一點：散熱。

在半導體加工中，對硅片的散熱工作相當重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在對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體工業中的一大研究方向。

圖片來源：NTK

現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流，使用氣體對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硅片散熱，靜電吸盤材料的散熱性將對硅片表面的均溫性產生極大的影響，因此靜電吸盤一般選用機械性能、導熱性能良好的材料。

氮化鋁PK氧化鋁，氮化鋁完勝！

為應對惡劣的應用環境及實現良好的散熱效果，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點在于加工工藝簡單（燒結溫度低）及成本低，目前最為常用。

常見陶瓷材料的導熱系數表

但是，氧化鋁陶瓷熱導率及相關機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良的綜合機械性能，同時有著極高的導熱性能。氮化鋁陶瓷的主要優點如下：

（1）導熱性能好，氮化鋁材料的理論熱導率可達到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（293～773K，4.18×10-6K-1）與半導體硅材料相匹配；

（3）機械性能好，具有優良的耐磨耗性能，綜合機械性能優于氧化鈹，與氧化鋁相當；

（4）綜合電性能優異，電絕緣性優良（體電阻率可達1013Ω·cm）同時介質損耗低（介電常數1MHz下約為8.0）；

（5）無毒害，有利于環保。

于是，氮化鋁材料憑借其優秀的綜合性能被國內外專家一致看好，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成為業內公認的一大趨勢。

這些難題必須解決

但是，在目前比較成熟的靜電吸盤技術中氮化鋁陶瓷并未得到廣泛的應用，絕大部分的靜電吸盤均采用制造工藝相對簡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（其屬于共價化合物，自擴散系數小），純凈的氮化鋁粉末在通常的燒結溫度下很難燒結得到致密的組織。然而致密度會對氮化鋁陶瓷的導熱性能產生影響，致密度不好的材料很難獲得優良的導熱性。

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熱性還與其中的雜質含量有關，尤其是氧的含量。這是因為氮化鋁對氧的親和度較高，會使氧固溶入氮化鋁晶格而形成鋁空位，鋁空位會使聲子散熱降低自由程，從而導致導熱性下降。因此要保證獲得高導熱性能的氮化鋁陶瓷，需要保證燒結的致密度，同時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時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）以促進氮化鋁的燒結作用。

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

小結

盡管目前氮化鋁陶瓷在靜電吸盤中的應用仍不是很成熟，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計與制造

[2]羅錢.氮化鋁陶瓷電性能調控及J-R型靜電吸盤的制備研究

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