吳禹函／工研院材化所
近年來隨著汽車、5G、半導體的產業需求，陶瓷材料的全球市場正在擴大中。除了占大半需求量的氧化鈦、氧化矽、氧化鋁等氧化物類陶瓷材料之外，氮化物類則在車載電子設備高輸出功率化的背景之下，散熱材料方面的需求提升，今後相關採用也將逐漸增加。高階結構陶瓷採用高純度、超細人工合成或精選的無機化合物為原料，為具有精確的化學組成、精密的製造加工技術和結構設計，並具有優異的力學、聲、光、熱、電、生物等特性的陶瓷。
【內文精選】
材料需求
精密陶瓷(Advanced Ceramics)用於工業非常廣泛，從機器設備、半導體加工、汽車零件等，也用於化學與加工工業的泵中，相較於金屬零件和其他材料，其耐化學性和優異加工性能，能夠承受極端壓力和連續溫度，提供更高的性能、延長使用壽命並縮短停機時間。而要能應用於半導體製程設備零組件之精密陶瓷零組件必須具結構強度好、耐高溫、耐高壓、精度好、平行度好、組織緻密均勻、強度高。常見的陶瓷材料有氧化鋁、氧化鋯、氮化矽、碳化矽陶瓷等。除了高純度的需求以外，在燒結後要能形成微晶粒陶瓷(<1μm)，當材料晶粒逐漸縮小時，能具有比傳統粗晶粒陶瓷更加優異的應用特性，因為晶界比例的提升，可使陶瓷形成延展性增加、超塑性的產生（韌性）、強度及硬度的增加、熱穩定性的改變等行為，有助於應用層面及範圍的提升。
半導體設備陶瓷零組件
目前台灣半導體製程設備國產化已有一定的水準，大致上可從一些關鍵製程進行分類：氧化擴散系統、物理氣相沉積(PVD)、磊晶、多晶矽沉積、化學氣相沉積(CVD)、電漿強化化學氣相沉積(PECVD)、原子層級沉積(ALD)、電漿蝕刻、離子置入(Ion Implantation)、化學機械研磨(CMP)、濕式清洗、光罩製造、快速高溫處理(RTP)等。從不同製程階段都有專屬需求的陶瓷組件，茲分述如下。
1. 晶圓製程
(1) 半導體矽晶圓拋光盤/轉盤
須具備有好的剛性、耐化學腐蝕性、好的表面形貌及粗糙度、尺寸和熱穩定性、高耐磨度及高硬度。大多使用氧化鋁材料，如圖一(a)所示，元件尺寸需求直徑最大高達39吋、厚度15mm以上，且強度要求高；其次為碳化矽拋光盤（如圖一(b)所示），大尺寸基板技術性高，但熱傳導率為氧化鋁的四倍，可以大幅提升製程的速度，又具低熱膨脹的特性，耐磨性也約為氧化鋁的三倍以上，硬度為 2,400 HV，在硬度及強度上也遠高過於氧化鋁。
圖一、(a)氧化鋁拋光盤；(b)碳化矽拋光盤
工研院開發高階結構陶瓷攜手業界導入應用
目前工研院材料與化工研究所也積極開發高熔融流動性(MI)塑料增加材料流動性，抑制材料瑕疵，突破產品既有尺寸限制，並增加其近淨形能力，無須機械加工或只需微量加工，可降低加工成本；透過粉體流動填充至金屬模具內成形，使生坯密度均勻，由於高壓射出，混料中粉末含量大幅提高，減少燒結產品的收縮，使產品尺寸精確可控，公差可達±0.1%~0.2%。以及開發氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)配方，挑選適當的氧化鋯比例，能增加氧化鋁之韌性，並保有一定的…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表三、材料物理性質之檢測標準
★本文節錄自《工業材料雜誌》408期，更多資料請見下方附檔。