王正全、顏佳瑩、呂春福 / 工研院材化所
金屬表面陽極氧化層處理可以提升金屬材料的耐用性、耐腐蝕性和美觀性，廣泛應用於半導體、汽車、航太、建築及生醫等領域。本文介紹常見金屬如鋁合金、鈦合金及不鏽鋼材料的陽極氧化處理技術與機制；同時介紹鋁合金陽極氧化處理，可以經由不同製程參數控制，應用在不同半導體製程設備中，例如在電漿製程設備的應用。
【內文精選】
金屬陽極氧化技術說明
3. 鐵基金屬材料表面陽極氧化成膜機制
鐵陽極氧化通常在氟基電解液（主要是NH4F和NaF）和有機溶劑（主要是乙二醇和甘油）中進行，在無氟電解液（例如二甲基亞碸）中進行陽極氧化，其中氧氣的析出是造成孔隙產生的主要因素，從而形成緻密且異質的氧化鐵層，其厚度和均勻性有限。無論陽極氧化處理方式（恆電位和恆電流）為何，電解液中氟離子(F-)的存在都會促進氧化物生長過程中自取向奈米管陣列的形成。現有關於鐵陽極氧化處理中氧化鐵形成機制的文獻相當稀少，且多孔陽極氧化膜的生長機制仍有爭議，目前以電場輔助溶解模型(Field-assisted Dissolution Model)是最常被引用的。根據該理論，奈米結構陽極氧化層的形成主要由三個過程組成：①金屬/氧化物界面處的電場輔助氧化導致氧化物生長；②氧化物/電解質界面處的電場輔助陽極膜溶解；③主要由F-離子引起的氧化物的化學溶解。
鋁合金陽極處理在半導體設備上之應用
為了延長腔體的使用壽命並提高晶片產量，因此在鋁製腔體被覆保護性陽極氧化鋁層、大氣電漿噴塗Y2O3、YOF和YF3等塗層。在現有的方法中，陽極氧化鋁因其優異的耐腐蝕性和低成本而被廣泛用於腔體塗層，它由多孔外層和緻密內層（阻擋層）組成，當氧化鋁層和鋁基板之間的界面處阻擋層較薄且有缺陷時，鹵素氣體和酸性溶液可以直接穿透多孔層，因此，僅靠原始陽極氧化鋁不足以保護鋁製腔體零件，需進行封孔後處理，對於填充氧化鋁層微孔，顯著提高其耐腐蝕性能至關重要。最常見的封孔方法有熱水封孔(Hot Water Sealing)、金屬鹽封孔(Metal Salt Sealing)和蒸汽封孔(Steam Sealing)（如圖九所示）。
圖九、鋁陽極氧化處理封孔示意圖，(a) Unsealed Anodized Aluminum；(b) Sealed AnodizedAluminum
工研院材化所鋁合金陽極氧化處理技術
工研院材料與化工研究所在鋁合金陽極氧化處理技術開發上，具備控制鍍層厚度與孔徑大小的能量，可應用在光學、蝕刻遮罩、感測器、散熱、金屬奈米線、電漿蝕刻設備中氣體分配板的處理，調整製程參數與配方，達到陽極處理膜層硬度>450 Hv、厚度>60 μm。技術成果如下：①使用高純度鋁基材採用二步驟程序，製作出有序且均勻之結構，並可控制孔徑，如圖十所示---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、鋁陽極氧化處理不同孔徑處理結果
★本文節錄自《工業材料雜誌》464期，更多資料請見下方附檔。