中国粉体网讯 静电吸盘是半导体部件制造中广泛应用的硅片夹持和转移工具，作为关键组件之一，其在提高产率、无边缘排除、晶片温度控制以及减少颗粒和缺陷方面具有独特优势，因此广泛用于基于等离子体和真空的半导体工艺，如蚀刻、化学气相沉积和离子注入等。
01.静电吸盘对材料要求很高
静电吸盘需要面对等离子体环境及高温腐蚀的恶劣环境，其材料必须具备耐热冲击、抗等离子冲击及抗化学腐蚀的特性。
此外，还要考虑关键的一点：散热。
在半导体加工中，对硅片的散热工作相当重要，如果无法保证硅片表面的均温，则在对硅片的加工过程中将无法确保加工的均匀性，加工精度将受到极大的影响，因此如何提高硅片在加工过程中的表面的均温性一直是半导体工业中的一大研究方向。
图片来源：NTK
现代的硅片工艺中普遍用来提高硅片均温性的方法主要是通过提高硅片背面的散热性，使局部的高温可以立刻散失以此来保证硅片加工过程中的硅片表面的均温。其次是通过增加硅片表面的气体对流，使用气体对流散热的方法来均匀硅片表面的温度。
第一种散热方法主要就是依靠静电吸盘对硅片散热，静电吸盘材料的散热性将对硅片表面的均温性产生极大的影响，因此静电吸盘一般选用机械性能、导热性能良好的材料。
02.氮化铝PK氧化铝，氮化铝完胜！
为应对恶劣的应用环境及实现良好的散热效果，目前的静电吸盘主要采用陶瓷材料作为主体制造材料，其中氧化铝陶瓷的优点在于加工工艺简单（烧结温度低）及成本低，目前最为常用。
常见陶瓷材料的导热系数表
但是，氧化铝陶瓷热导率及相关机械性能并不是十分理想。
相比之下，氮化铝陶瓷不仅具有着优良的综合机械性能，同时有着极高的导热性能。氮化铝陶瓷的主要优点如下：
（1）导热性能好，氮化铝材料的理论热导率可达到320W·m-1·K-1；
（2）相较于其他常用陶瓷材料（尤其是氧化铝）其热膨胀系数（293～773K，4.18×10-6K-1）与半导体硅材料相匹配；
（3）机械性能好，具有优良的耐磨耗性能，综合机械性能优于氧化铍，与氧化铝相当；
（4）综合电性能优异，电绝缘性优良（体电阻率可达1013Ω·cm）同时介质损耗低（介电常数1MHz下约为8.0）；
（5）无毒害，有利于环保。
于是，氮化铝材料凭借其优秀的综合性能被国内外专家一致看好，采用氮化铝陶瓷替代氧化铝陶瓷作为静电吸盘的制造材料已经成为业内公认的一大趋势。
03.这些难题必须解决
但是，在目前比较成熟的静电吸盘技术中氮化铝陶瓷并未得到广泛的应用，绝大部分的静电吸盘均采用制造工艺相对简单的氧化铝陶瓷作为主体材料，这是由于由于氮化铝陶瓷加工工艺相比氧化铝陶瓷困难许多。
由于氮化铝的特殊性（其属于共价化合物，自扩散系数小），纯净的氮化铝粉末在通常的烧结温度下很难烧结得到致密的组织。然而致密度会对氮化铝陶瓷的导热性能产生影响，致密度不好的材料很难获得优良的导热性。
氮化铝粉体，图片来源：福建臻璟
除此之外，氮化铝陶瓷材料的导热性还与其中的杂质含量有关，尤其是氧的含量。这是因为氮化铝对氧的亲和度较高，会使氧固溶入氮化铝晶格而形成铝空位，铝空位会使声子散热降低自由程，从而导致导热性下降。因此要保证获得高导热性能的氮化铝陶瓷，需要保证烧结的致密度，同时尽量避免氧原子固溶入氮化铝晶格。
所以，需要在氮化铝陶瓷烧结时加入某些碱土金属的氧化物或稀土金属的氧化物（如CaO、Y2O3等）以促进氮化铝的烧结作用。
通过查阅文献，可选择Y2O3作为氮化铝陶瓷的烧结助剂。Y2O3不仅具有较好的稳定性并且具有排氧能力，在氮化铝的烧结过程中，与氮化铝颗粒表面的氧化铝结合生成一种或多种钇铝酸盐(Y3Al5O12、YAlO3和Y4Al2O9)。根据Valmikanathan的研究，当使用Y2O3作为烧结助剂时，如果保证烧结时温度达到1750℃，烧结体就可达到完全致密化。
小结
尽管目前氮化铝陶瓷在静电吸盘中的应用仍不是很成熟，但从性能上看，氮化铝陶瓷无疑更适合静电吸盘，随着工艺的不断成熟，氮化铝取代氧化铝在静电吸盘中应用是迟早的事。
参考来源：
[1]牛晨旭.J-R型氮化铝陶瓷静电吸盘的设计与制造
[2]罗钱.氮化铝陶瓷电性能调控及J-R型静电吸盘的制备研究
