Aluminiumoxidkeramik – Der unsichtbare Eckpfeiler der Halbleiterfertigung
In einer Ära, in der sich die Halbleitertechnologie in Richtung Prozesse unter 3 nm bewegt,Aluminiumoxidkeramik(Al₂O₃-Keramik) hat sich dank ihrer hohen Reinheit, hervorragenden Isolierung, Hochtemperaturbeständigkeit und chemischen Stabilität als Schlüsselmaterial für die präzise Funktion von Halbleitergeräten etabliert. Von der Chipherstellung über die Verpackung bis hin zur Prüfung treiben Aluminiumoxidkeramiken als unsichtbarer Eckpfeiler die kontinuierliche Innovation der Halbleiterindustrie voran.
1.Die Kernanwendungen von Aluminiumoxidkeramik in der Halbleiterherstellung
⑴ Schlüsselkomponenten der Chip-Herstellungsausrüstung
Ätz- und Abscheidungsgeräte:Bei Plasmaätz- und Dünnschichtabscheidungsprozessen (CVD/PVD)Aluminiumoxidkeramikwerden zur Herstellung von elektrostatischen Chucks (ESC), Gasverteilerplatten und Kammerauskleidungen verwendet. Ihre Beständigkeit gegen Plasmakorrosion (z. B. gegenüber Cl₂, CF₄) und ihre ultrahohe Ebenheit (Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,01 μm) gewährleisten die Präzision und Stabilität der Waferverarbeitung.
Lithografie-Technologie:Aluminiumoxidkeramikwerden in der Maskenträgerstruktur von Extrem-Ultraviolett-Lithografiemaschinen (EUV) verwendet. Ihr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (8,2 × 10⁻⁶/℃) reduziert die thermische Drift und gewährleistet so lithografische Präzision im Nanometerbereich.
⑵ Verpackungs- und Testprozesse
Substrate für die Verpackung integrierter Schaltkreise:MehrschichtigAluminiumoxidkeramikSubstrate werden in Leistungsmodulen wie IGBTs und MOSFETs eingesetzt und vereinen Isolations- (Volumenwiderstand 10¹⁴ Ω·cm) und Wärmeableitungsfunktionen (Wärmeleitfähigkeit 25 W/(m·K)). Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient entspricht dem von Siliziumchips, wodurch die thermische Belastung reduziert wird.
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP):Die Oberflächenrauheit vonAluminiumoxidkeramikPolierplatten können innerhalb von 0,5 nm gesteuert werden, wodurch die Gleichmäßigkeit der Planarisierung von Wafern deutlich verbessert und "dishing"-Defekte reduziert werden.
2. Technische Durchbrüche: Von der Materialmodifikation zur Prozessinnovation
⑴ Hohe Reinheit und Nanostrukturierung
Das Team des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat kürzlich einkristalline Aluminiumoxid-Gate-Dielektrika entwickelt. Diese Materialien verhindern Stromlecks bereits bei einer Dicke von nur einem Nanometer und bieten damit eine neue Lösung für Chips mit geringem Stromverbrauch. Darüber hinaus können Nano-Aluminiumoxidkeramik(Korngröße <200 nm), hergestellt mit der Sol-Gel-Methode, weisen eine Biegefestigkeit von 350 MPa auf – 50 % höher als bei herkömmlichen Materialien.
⑵ Verbund- und Funktionsdesign
Plasmakorrosionsbeständigkeit:Mit hochentropischen Seltenerdelementen dotierte Yttrium-Aluminiumoxid-Verbundkeramiken verlängern die Lebensdauer von Ätzgerätekomponenten um mehr als das Zehnfache.
Intelligente Integration:Beispielsweise hat Jifeng Technology Graphen eingeführt inAluminiumoxidkeramik, wodurch die Wärmeleitfähigkeit auf 200 W/(m·K) erhöht wird und es sich für Wärmeableitungsmodule in 5G-Basisstationen eignet.
3. Marktaussichten und Lokalisierungsprozess
⑴ Globales Marktwachstum
Im Jahr 2023 wird der globale MarktAluminiumoxidkeramikKomponenten für Halbleiter erreichten 7,2 Milliarden US-Dollar und machten 45 % der Präzisionskeramikkomponenten aus. Angetrieben durch die Nachfrage aus den Bereichen KI, 5G und anderen Bereichen wird das Marktvolumen bis 2025 voraussichtlich 10 Milliarden RMB übersteigen, wobei Chinas Marktanteil voraussichtlich von 30 % auf 35 % steigen wird.
⑵ Durchbrüche bei der Lokalisierung
Chinas Selbstversorgungsrate mit hochreinenAluminiumoxidkeramik(Reinheit ≥ 99,9 %) hat 80 % überschritten. Unternehmen wie Yunxing Industrial Ceramic erweitern ihre Produktionskapazität und planen eine Jahresproduktion von 300 Tonnen hochreinem Pulver. Auf politischer Ebene hat der New Materials Industry Development Guide Hochleistungs-Aluminiumoxidkeramik als zentrale Forschungsrichtung aufgeführt, mit dem Ziel, bis 2026 eine Lokalisierungsrate von über 85 % für Schlüsselgeräte zu erreichen.
4. Zukunftstrends: Grüne Fertigung und neue Szenarien
Kohlenstoffarme Prozesse:Die Low-Temperature-Co-Firing-Technologie (LTCC) reduziert den Energieverbrauch um 25 %, während das Mikrowellensintern den Kohlenstoffausstoß um 30 % senkt.
Neue Anwendungen:Großes Potenzial besteht in Szenarien wie Dichtungen für Wasserstoffbrennstoffzellen, 3D-gedruckten Keramikteilen (mit einer Präzision von 0,1 mm) und Trägerplatten für Heteroübergangs-Photovoltaikzellen.