陶瓷加工對於現代晶片製造至關重要，因為與其他材料相比，陶瓷具有更優異的耐熱性、耐磨性和耐化學腐蝕性。本文將闡述陶瓷零件的製造工藝，探討常用陶瓷材料、整個製造過程、檢測和表面處理。
陶瓷概述
陶瓷是由天然礦物或合成化合物經過破碎、成型和高溫燒結等製程製成的無機非金屬材料。陶瓷可分為兩大類：傳統陶瓷和特殊陶瓷。
傳統陶瓷以黏土（包括陶土、瓷土和高嶺土）、石英和長石等天然礦物為主要原料，經破碎、成型和燒結等工序製成。傳統陶瓷具有耐火、耐酸鹼、抗氧化、優異的電絕緣性和易於清潔等優點。
特殊陶瓷以合成化合物為原料製造，包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦（TiO2）、碳化矽（SiC）、碳化硼（B4C）、氮化矽（Si3N4）和氮化硼（BN）。這些材料破碎後，採用傳統或特殊方法成型，然後在高溫下燒製。
一些高級陶瓷零件在燒製完成後還需要進行額外的二次加工，例如精密加工或極化處理。這可以確保它們滿足嚴格的尺寸和形狀公差要求，或具有特定的功能特性，例如鐵電性能。
適用於工業應用的陶瓷類型
陶瓷材料因其耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和優異的電氣性能而發揮至關重要的作用。以下簡要介紹幾種常見的工程陶瓷材料及其應用：
礬土
氧化鋁的熔點高達2072℃，且具有很高的機械強度。然而，當溫度超過1000℃時，其機械強度會下降。由於熱膨脹係數的差異，氧化鋁在極端溫度波動下的抗熱衝擊性能相對較差。
氧化鋁具有高耐腐蝕性的主要原因是其優異的化學穩定性。氧化鋁微溶於強酸（例如熱硫酸；鹽酸和氫氟酸也具有一定的腐蝕性）和鹼性溶液，但不溶於水。其優異的抗化學腐蝕性能使純氧化鋁成為各種工業部件的主要材料選擇。
氧化鋯
氧化鋯具有低導熱性和高強度的特點，於1960年代首次應用於航太領域，用作太空船重返地球大氣層的熱屏障。它耐高溫性能良好，工作溫度範圍為-85°C至400°C，但其抗熱衝擊性能不如氮化矽。
氧化鋯具有極高的耐腐蝕性，因此非常適合用於處理強腐蝕性液體。其卓越的抗裂紋擴展性能使其成為焊接工藝、線材成型工具以及存在斷裂風險的機械應用的理想材料。此外，氧化鋯的熱膨脹係數與鋼相近，使其成為陶瓷與鋼製部件連接的理想材料。基於其優異的摩擦學性能，氧化鋯非常適合滾動運動，例如直線軸承或滾珠軸承（例如，TK Linear 等製造商的產品）。此外，氧化鋯和氮化矽陶瓷都具有許多優勢，例如高真空相容性、非磁性、電絕緣性和長使用壽命。
碳化矽
碳化矽是應用最廣泛的非氧化物陶瓷材料。它主要由碳化矽（SiC）組成，是一種高強度、高硬度的陶瓷，專為高溫環境設計。即使在1200℃至1400℃的溫度下，它也能保持很高的彎曲強度。
碳化矽陶瓷還具有良好的導熱性、抗氧化性、導電性和高衝擊韌性。作為一種堅固耐用、密度低、熱膨脹係數低、抗熱震性能優異的材料，它適用於多種應用領域。
氮化矽 (Si3N4)
氮化矽是一種快速發展的非氧化物工程陶瓷。它的抗熱衝擊溫度高達 600°C，遠高於碳化矽的 400°C，這意味著溫度驟變而斷裂的風險極低。當抗熱衝擊性能是首要考慮因素時，氮化矽是最佳選擇。
氮化矽(Si3N4)對大多數酸（氫氟酸除外）、鹼和各種熔融金屬具有優異的耐腐蝕性。它還具有卓越的電絕緣性和抗輻射性。
氮化鋁
氮化鋁是一種陶瓷材料，兼具高導熱性和優異的電絕緣性。它具有高強度、高硬度和耐高溫等特性。因此，它作為高功率積體電路和電子裝置的散熱基板具有獨特的優勢。
氮化硼
氮化硼有兩種典型的晶體結構：六方氮化硼（h-BN）和立方氮化硼（c-BN）。
- 六方氮化硼：外觀呈白色，結構類似石墨，硬度低，潤滑性極佳。它是陶瓷材料中導熱係數最高的材料之一；熱壓氮化硼產品的導熱係數可達33 W/m·K，是石英的十倍。
- 立方氮化硼：其結構與鑽石相似，是目前已知第二硬的材料，僅次於鑽石本身。
陶瓷零件的加工工藝
一般來說，陶瓷零件的製造過程遵循以下步驟：原料 -> 粉末加工/混合 -> 成型 -> 燒結 -> 最終陶瓷零件。
#1 粉末加工
陶瓷粉末的加工過程與金屬粉末類似。它包括通過研磨生產粉末，形成“生坯”，然後將其壓實成最終產品。粉末是由細小顆粒組成的集合體。陶瓷粉末的製備方法是將原料經過破碎、研磨、分離雜質、混合和乾燥等工序。
#2 混合
陶瓷元件的混合需要採用各種製程和設備。透過添加水或其他液體，它們會被製成漿料。
#3 形成
成型通常在基體製備完成後開始。常見的成型製程包括壓制、擠壓、注塑和注漿成型，取決於所需零件的類型。例如，注塑成型常用於製造管材等簡單產品。這些工藝將加工後的粉末轉化為所需的形狀，稱為預成型體（或生坯）。然後，預成型體透過燒結或燒製進一步緻密化，最終成為陶瓷零件。在成型過程中，添加黏結劑可以提高粉末的流動性，從而提高最終零件的密度。
#4 燒結
陶瓷坯體被放入極熱的爐窯中，透過氧化物的結合和乾燥來增強其強度。這個化學過程會形成離子鍵、共價鍵以及陶瓷的晶體結構。燒結過程中也涉及陽離子，其離子結構可以透過計算陽離子和陰離子之間的電負性差來確定。在預熱過程中（最高可達250°C），有機添加劑（黏結劑）和可分解成分會揮發。不同的添加劑可以降低溫度、縮短燒結時間或提高密度。當溫度達到燒結溫度時，陶瓷預成型體開始緻密化，通常伴隨著收縮。在設計生坯時必須考慮這種收縮。
為了完成陶瓷零件的加工，製造商可能會進行二次加工，包括機械加工、切割、研磨或拋光。
陶瓷CNC加工
CNC陶瓷加工方法包括車削、鑽孔、銑削和研磨。
數控 談到： 通常使用鑽石或立方氮化硼（CBN）刀具。由於陶瓷的硬度極高且脆性較大，難以滿足精度要求並保持效率；因此，車削加工很少使用，主要仍處於研究階段。
數控 鑽孔： 小直徑鑽石砂輪可用作專用鑽頭。材料是透過鑽頭尖端磨粒的微切削作用去除的。
數控 銑削： 超硬刀具，例如鑽石刀具，用於在高頻間歇切削力作用下去除材料。然而，高頻衝擊力會導致加工表面出現脆性斷裂，振動則會導致去除深度不一致，從而降低表面質量。
數控 磨： 這是應用最廣泛的加工方法。鑽石砂輪或鑽石銷與工件摩擦，透過塑性變形或脆性斷裂去除材料。切屑排出是加工過程中的一大挑戰，通常會使用冷卻液來解決。冷卻液可以沖走磨粉，降低磨削區域的溫度，提高加工質量，並防止磨料黏結劑的熱分解。鑽石晶粒尺寸對錶面品質有顯著影響：較大的晶粒尺寸可以提高加工效率，但會導致更高的表面粗糙度。磨削過程中受力不均容易導致裂紋產生。
放電加工
非導電陶瓷需要在其表面放置輔助電極。輔助電極與工具電極之間保持一定間隙，以形成火花放電。輔助電極被刺穿後，工作液分解產生的碎屑和碳會在陶瓷表面形成新的導電層，進而持續放電。 放電加工 它可以加工複雜形狀，但由於其對導電性的要求，只能藉助輔助電極加工絕緣陶瓷。此外，它還存在效率低、精度有限以及發熱量高（可能導致微裂紋）等缺點。
激光束加工
對於陶瓷的切割和劃線，傳統方法往往難以滿足高效低成本的要求。雷射光束加工作為一種非接觸式光束精密加工技術，具有高效、可控、熱影響區小、無切削力、無刀具磨損等優點，並且可以加工高硬度、高脆性和高熔點材料。
此原理是利用高功率密度雷射光束作為熱源，聚焦於材料表面，使其瞬間熔化或汽化。其缺點是產生的大量熱量會導致表面開裂和氧化。目前，二氧化碳雷射、光纖雷射、紫外線雷射和皮秒雷射主要用於陶瓷加工。
典型陶瓷組件
工程陶瓷元件因其優異的性能，例如耐高溫和耐腐蝕性，被廣泛應用於關鍵半導體設備。這些元件包括陶瓷機械手臂、陶瓷基板、陶瓷噴嘴、陶瓷窗口、陶瓷腔室蓋、陶瓷真空吸盤等等。
陶瓷機械手臂
在半導體製造中，陶瓷機械手臂用於搬運晶圓。由於矽晶圓必須保持無污染狀態，因此該過程通常在真空潔淨環境中進行。在真空條件下，大多數其他材料製成的機械手臂都無法滿足要求。這就需要使用具有耐高溫、耐磨損和高硬度的陶瓷機械手臂。通常，這些機械手臂由高純度氧化鋁 (Al₂O₃) 和碳化矽 (SiC) 製成。雖然碳化矽機械手臂性能更優，但由於氧化鋁機械手臂具有更高的成本效益和相對更容易加工的特點，因此應用更為廣泛。
陶瓷基板
陶瓷基板主要應用於各種電子封裝領域，例如功率電子元件封裝、雷射封裝、LED封裝、熱電冷卻器封裝以及高溫電子元件封裝。由於標準材料無法承受極端高溫，因此具有高導熱性、耐熱性、強度和可靠性的陶瓷產品成為首選。氧化鋁和氮化矽是這些基板最常使用的材料。
陶瓷噴嘴
在HDP-CVD製程中，反應氣體經由連接反應腔內外壁的陶瓷噴嘴進入反應腔。因此，噴嘴的質量直接決定了反應氣體的純度和流量。氧化鋁和氮化鋁是常用的噴嘴材料。然而，氮化鋁更適用於先進的HDP-CVD工藝，因為其優異的導熱性和抗熱衝擊性可以防止等離子體侵蝕或熱變形造成的雜質污染。
陶瓷窗
陶瓷窗口是半導體蝕刻設備中用作腔室蓋的關鍵部件。它位於蝕刻腔室和等離子體感應線圈之間，可在不阻礙等離子體進入腔室的情況下形成真空密封。其設計有利於射頻和微波能量傳輸到腔室，同時能夠承受嚴苛的蝕刻環境。高效率的陶瓷視窗必須在射頻和微波頻率下具有低損耗角正切，以防止能量吸收轉化為過熱，從而避免零件性能下降。這些陶瓷窗口透過先進的成型、燒結、精密加工和塗層製程製造而成。
陶瓷室穹
陶瓷腔蓋是一個整合的功能組件，由陶瓷圓頂、冷卻系統和電極控制系統組成。它是40nm及以下所有製程薄膜沉積設備的關鍵零件。此腔蓋密封CVD腔，形成一個封閉的環境。穹頂周圍的天線線圈施加高頻功率以產生感應電場，從而產生等離子體，並透過陶瓷腔蓋將其引入腔內。它在維持腔體密封、壓力差和潔淨度方面起著至關重要的作用。
陶瓷真空吸盤
雖然大多數半導體陶瓷零件都是緻密的，但真空吸盤卻是由多孔陶瓷製成的。矽晶片薄、硬且脆，需要雙面研磨拋光。真空吸盤用於定位和夾緊這些工件。現代陶瓷真空吸盤通常採用由兩種陶瓷粘合而成的多孔結構。一塊多孔陶瓷板嵌入並密封在由氣密緻密陶瓷製成的底座的沉孔中。儘管這兩個部件使用不同類型的陶瓷，但它們的耐磨性和機械性能相匹配，以確保吸盤符合嚴格的操作要求。
質量檢驗
加工完成後，陶瓷零件將接受人工檢查，以驗證其外觀、尺寸、孔隙率和性能是否符合要求。 表面粗糙度 符合規定的要求。對於高精度、高品質要求的元件，採用專用測試設備來確保半導體級元件的完整性。通過檢驗的產品進入下一階段，不合格的產品則進行返工或報廢。
表面處理
半導體設備對潔淨度有著極高的要求。陶瓷元件通過品質檢驗後，必須經過嚴格的清洗，通常採用酸洗、鹼洗或有機溶劑清洗等方法。清洗和乾燥完成後，產品還要接受複檢。合格的元件隨後會被送往無塵室進行最終封裝。對於用於特殊應用場景的元件，可能需要進行額外的表面處理，例如等離子噴塗、靜電噴塗、氣相沉積或金屬化，以滿足所需的性能指標。
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