氧化铝陶瓷：晶圆抛光的"品质守门人"

2024-01-31
来源：中国粉体网空青

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[导读] 了解晶圆抛光中无所不在的氧化铝。

中国粉体网讯 近年来，高击穿电场和高导热性的碳化硅（SiC）被越来越多地用于电动汽车逆变器的材料。随着电动汽车电池电压从400V增加到800V，对更快的充电速度和更高功率密度的需求随之增长。然而，电动汽车的强劲市场需求并未使得采用物理气相传输（PVT）方法制造的SiC衬底的生产效率得到提升。

来源：东海证券研究所

通常，生产1.5至3厘米厚的碳化硅锭需要5至10天，此后，SiC锭需经多个工艺步骤，包括切割、平整、切片、磨边、激光打标、机械研磨、磨削、化学机械研磨（CMP）、CMP后清洗、检查和封装，最终产出10至20片SiC衬底。

CMP和CMP后清洗工艺在降低SiC晶圆表面粗糙度、表面划痕和污染方面发挥着关键作用。同时，CMP综合了化学研磨和机械研磨的优势，可以实现纳米级到原子级的表面粗糙度。如果晶圆制造过程中无法做到纳米级全局平坦化，既无法重复进行光刻、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺，也无法将制程节点缩小至纳米级的先进领域。

CMP设备主要分为两部分，即抛光部分和清洗部分，抛光部分由4部分组成，即3个抛光转盘和一个圆片装卸载模块。清洗部分负责圆片的清洗和甩干，实现圆片的“干进干出”。在整个抛光设备中，氧化铝陶瓷“无处不在”。

陶瓷精密件在半导体设备中的用途分布

来源：Wind，梧桐树半导体整理

高纯超细氧化铝——CMP抛光中的重要磨料

在CMP工艺中，抛光液和抛光垫是关键耗材。根据SEMI数据，全球CMP材料成本占比中，抛光液用量最大，其中抛光液占比49%，抛光垫占比33%，合计占比82%。

CMP材料细分占比

来源：东海证券研究所

抛光液是影响化学机械抛光质量和抛光效率的关键因素之一，高纯氧化铝作为抛光液的磨料部分，其性能便尤为重要，尤其随着碳化硅半导体产业的兴起，高纯超细氧化铝在半导体抛光中的应用显得更为重要。

实际上，目前市场上使用最为广泛的几种磨料是SiO₂、CeO₂、Al₂O₃。随着LED 行业的发展，蓝宝石衬底的需求日益增长，Al₂O₃抛光液在CMP中的应用显得更为重要。蓝宝石衬底材料抛光目前在国内多采用SiO2磨料抛光液。由于SiO₂硬度较小、抛光速率低，而α-Al₂O₃磨料对硬度较大的衬底有良好的抛光速率，所以纳米级α-Al₂O₃磨料在化学机械抛光中有很好的应用前景。氧化铝磨料在使用中存在易划伤、抛光液不稳定等问题，近年来对纳米氧化铝在抛光液中的应用是CMP技术的研究热点。制备出形状规则、粒径大小合适的氧化铝颗粒是制备氧化铝抛光液的基础。

住友化学开发的超细级α-氧化铝“NXA系列”，具有粒径150nm（0.15μm）的均匀、超细颗粒特性或更细。该产品除了用作下一代半导体的磨料外，还适用于尖端领域，例如由于其易于烧结的超细颗粒而需要高强度和耐化学性的半导体制造设备部件。

住友化学“NXA系列”（NXA-100）产品

氧化铝晶圆抛光盘

目前，采用陶瓷研磨盘研磨半导体晶圆是最先进的研磨方法，采用双面研磨工艺对切割好的晶圆片进行研磨，并通过改善研磨工艺（磨盘材质、研磨液、研磨压力及研磨转速等）来提高研磨片的质量；尤其是使用陶瓷盘代替铸铁盘，避免研磨时对晶片的主面造成伤痕或污染，减少了金属离子的引入，可减少晶圆的后续加工量，缩短后续工序（腐蚀)时间，提高生产效率，而且减少晶圆加工的损耗，大大地提高了晶圆的利用率。

通常采用氧化铝陶瓷来制备晶圆抛光盘，要求具有高纯度、高化学耐久性以及良好的表面形状和粗糙度的控制。

高纯氧化铝晶圆抛光盘

氧化铝陶瓷机械搬运臂

CMP设备中，晶圆首先从晶圆盒被机械壁拾取，被精准地定位和对准到抛光头下方的平台上，抛光头通常具有真空吸附的功能，当晶圆置于其下方时，抛光头向下运动，通过真空吸附将晶圆牢固地吸附在抛光头上。一旦晶圆被固定，抛光头将晶圆移动到抛光垫上，进行抛光工艺。

氧化铝陶瓷搬运臂，来源：圣瓷

为避免晶圆片受到污染，一般在真空环境进行搬运，搬运臂需要耐高温、耐磨、并且硬度也需要很高，氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷的都具备致密质、高硬度、高耐磨性的物理性质，以及良好的耐热性能、优良的机械强度、高温环境仍具有良好的绝缘性、良好的抗腐蚀性等物理性能，是用于制作半导体设备机械手臂的绝佳材料。

氧化铝真空吸盘

真空吸盘的常见的材质有氧化铝和碳化硅，陶瓷内部形成中空结构，通过向多孔基体施加负压力来吸附、固定被吸附物，这种一体化中空结构陶瓷的制备工艺具有很高的技术门槛，主要用作晶圆薄化程序的加工用固定夹具（磨床、抛光机、CMP）、各种类型的测量装置、检查装置的固定夹具、薄膜片材和金属基板等的加工用固定夹具等。