In einer Ära, in der sich die Halbleitertechnologie in Richtung Prozesse unter 3 nm entwickelt,AluminiumoxidkeramikAluminiumoxid-Keramiken (Al₂O₃) haben sich dank ihrer hohen Reinheit, hervorragenden Isolationsfähigkeit, hohen Temperaturbeständigkeit und chemischen Stabilität als Schlüsselmaterial für den präzisen Betrieb von Halbleiteranlagen etabliert. Von der Chipherstellung über die Verpackung bis hin zu Tests treiben Aluminiumoxid-Keramiken als unsichtbarer Eckpfeiler die kontinuierliche Innovation der Halbleiterindustrie voran.
1. Die wichtigsten Anwendungen von Aluminiumoxidkeramik in der Halbleiterfertigung
⑴ Wichtige Komponenten von Chip-Fertigungsanlagen
Ätz- und Beschichtungsanlagen:Bei Plasmaätz- und Dünnschichtabscheidungsprozessen (CVD/PVD),AluminiumoxidkeramikSie werden zur Herstellung von elektrostatischen Spannfuttern (ESC), Gasverteilerplatten und Kammerauskleidungen verwendet. Ihre Beständigkeit gegenüber Plasmakorrosion (z. B. gegenüber Cl₂, CF₄) und ihre extrem hohe Planheit (Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,01 μm) gewährleisten die Präzision und Stabilität der Waferbearbeitung.
Lithographietechnologie:AluminiumoxidkeramikSie werden in der Maskenstützstruktur von EUV-Lithographieanlagen eingesetzt. Ihr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (8,2 × 10⁻⁶/℃) reduziert die thermische Drift und gewährleistet so eine Lithographiepräzision im Nanometerbereich.
⑵ Verpackungs- und Testprozesse
Substrate für die Gehäuse integrierter Schaltungen:Mehrlagige Aluminiumoxid-Keramiksubstrate werden in Leistungsmodulen wie IGBTs und MOSFETs eingesetzt und vereinen Isolations- (spezifischer Volumenwiderstand 10¹⁴ Ω·cm) und Wärmeableitungsfunktionen (Wärmeleitfähigkeit 25 W/(m·K)). Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient entspricht dem von Siliziumchips, wodurch die thermische Spannung reduziert wird.
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP):Die Oberflächenrauheit von Aluminiumoxid-Keramikpolierplatten kann innerhalb von 0,5 nm kontrolliert werden, wodurch die Planarisierungsgleichmäßigkeit von Wafern deutlich verbessert und "dishing"-Defekte reduziert werden.
2. Technische Durchbrüche: Von der Materialmodifizierung zur Prozessinnovation
⑴ Hohe Reinheit und Nanostrukturierung
Ein Team des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat kürzlich einkristalline Aluminiumoxid-Gate-Dielektrika entwickelt. Diese Materialien verhindern effektiv Stromleckagen selbst bei einer Dicke von nur 1 Nanometer und bieten damit eine neue Lösung für stromsparende Chips. Darüber hinaus weisen Nano-Aluminiumoxid-Keramiken (Korngröße < 200 nm), hergestellt mittels Sol-Gel-Verfahren, eine Biegefestigkeit von 350 MPa auf – 50 % höher als herkömmliche Materialien.
⑵ Verbund- und Funktionsdesign
Beständigkeit gegen Plasmakorrosion:Mit Seltenerdelementen hoher Entropie dotierte Yttrium-Aluminiumoxid-Verbundkeramiken verlängern die Lebensdauer von Komponenten von Ätzanlagen um mehr als das Zehnfache.
Intelligente Integration:Jifeng Technology hat beispielsweise Graphen in Aluminiumoxidkeramik eingebracht und so die Wärmeleitfähigkeit auf 200 W/(m·K) erhöht, wodurch sie sich für Wärmeableitungsmodule in 5G-Basisstationen eignet.
3. Marktperspektiven und Lokalisierungsprozess
⑴ Globales Marktwachstum
Im Jahr 2023 erreichte der weltweite Markt für Aluminiumoxid-Keramikkomponenten für Halbleiter ein Volumen von 7,2 Milliarden US-Dollar und machte damit 45 % des Marktes für Präzisionskeramikkomponenten aus. Angetrieben durch die Nachfrage aus den Bereichen KI, 5G und anderen Anwendungsgebieten wird ein Marktvolumen von über 10 Milliarden RMB bis 2025 erwartet, wobei der Marktanteil Chinas voraussichtlich von 30 % auf 35 % steigen wird.
⑵ Lokalisierungsdurchbrüche
Chinas Selbstversorgungsgrad bei hochreiner Aluminiumoxidkeramik (Reinheit ≥ 99,9 %) hat 80 % überschritten. Unternehmen wie Yunxing Industrial Ceramic erweitern ihre Produktionskapazitäten und planen eine Jahresproduktion von 300 Tonnen hochreinem Pulver. Auf politischer Ebene hat der Leitfaden zur Entwicklung der neuen Werkstoffindustrie Hochleistungs-Aluminiumoxidkeramik als wichtigen Forschungsschwerpunkt definiert, mit dem Ziel, bis 2026 einen Lokalisierungsgrad von über 85 % für Schlüsselanlagen zu erreichen.
4. Zukunftstrends: Grüne Fertigung und neue Szenarien
Kohlenstoffarme Verfahren:Die Niedertemperatur-Kofirisierungstechnologie (LTCC) reduziert den Energieverbrauch um 25 %, während das Mikrowellensintern die Kohlenstoffemissionen um 30 % senkt.
Neue Anwendungsgebiete:Ein enormes Potenzial besteht in Anwendungsbereichen wie Dichtungen für Wasserstoffbrennstoffzellen, 3D-gedruckten Keramikteilen (mit einer Präzision von 0,1 mm) und Trägerplatten für Heteroübergangs-Photovoltaikzellen.
