Binnen het ecosysteem van de halfgeleiderindustrie vormt apparatuur voor de productie van halfgeleiders de kernpijler en neemt zij een centrale positie in. Volgens het Mid-Year Total Semiconductor Equipment Forecast Report van SEMI is er een signaal van hoge industriële groei afgegeven. Uit gegevens blijkt dat de totale wereldwijde verkoop van apparatuur voor de productie van halfgeleiders (OEM's) in 2026 naar verwachting 165,9 miljard dollar zal bereiken, een stijging van 23,2% jaar{5}}op- jaar, waarmee een nieuw historisch record wordt gevestigd. Verwacht wordt dat dit groeimomentum in de sector zich zal voortzetten, waarbij de wereldwijde verkoop van apparatuur tegen 2028 naar verwachting de $229,5 miljard zal overschrijden, waarmee vijf opeenvolgende jaren van gestage groei zullen worden bereikt.
Deze snelle uitbreiding van de industrie zorgt ervoor dat halfgeleiderproductieapparatuur steeds-meer complexiteit en precisie in ontwerp en productie krijgt. In dit proces speelt hoogwaardig keramiek, als essentieel componentmateriaal, een sleutelrol bij de productie van halfgeleiders. De R&D en productie van hoogwaardige keramische componenten houden rechtstreeks verband met de robuuste ontwikkeling en technologische vooruitgang van de toeleveringsketen van halfgeleiders.
Keramische materialen met hoge-prestaties bezitten uitstekende uitgebreide eigenschappen, zoals hoge sterkte, hoge hardheid, hoge slijtvastheid, hoge elektrische isolatie, lage thermische uitzetting, hoge corrosieweerstand en hoge chemische stabiliteit. Bij de productie van halfgeleiders kunnen ze worden gebruikt als componenten voor apparatuur zoals polijstplaten, polijstpad-conditioneringsplatforms, vacuümklauwplaten, verwarmingselementen en elektrostatische klauwplaten.
Hoogwaardige keramische componenten voor de productie van halfgeleiders
Hoogwaardige keramische materialen- omvatten voornamelijk aluminiumoxide, aluminiumnitride, siliciumnitride, siliciumcarbide, enz. Verschillende keramische materialen hebben verschillende kenmerken, wat leidt tot gevarieerde toepassingsscenario's op het gebied van halfgeleiders. Hiervan heeft keramiek uit aluminiumoxide een bijzonder breed scala aan toepassingen in de halfgeleiderindustrie.
Toepassingen van verschillende gangbare halfgeleiderkeramiek-kwaliteit
Eigenschappen en classificatie van aluminiumoxide-keramiek
Aluminiumoxide-keramiek is een van de onmisbare sleutelisolatiematerialen voor kernapparatuur bij de productie van geïntegreerde schakelingen. Naarmate de productieprocessen van chips vorderen, blijven de zuiverheids- en prestatie-eisen voor aluminiumoxide-keramiek escaleren. Over het algemeen worden aluminiumoxide-keramiek geclassificeerd op basis van hun aluminiumoxidegehalte, meestal onderverdeeld in gewone-type en hoge-zuiverheid-type aluminiumoxide-keramiek. Het gewone-type kan verder worden onderverdeeld op basis van het aluminiumoxidegehalte, zoals 75% aluminiumoxide, 96% aluminiumoxide en 99% aluminiumoxide-keramiek; hoge-zuiverheid-aluminiumoxide-keramiek verwijst naar materialen met een aluminiumoxidegehalte van meer dan 99,9%.
Momenteel ligt de zuiverheid van aluminiumoxide-keramiek dat in halfgeleiderapparatuur wordt gebruikt in principe boven de 99,5%. Aluminiumoxide-keramiek dat bij etstoepassingen wordt gebruikt, bereikt een zuiverheid van meer dan 99,8% en bereikt zelfs 4N-kwaliteit (99,99%). Deze zien er transparant of doorschijnend uit, met prestatie-indicatoren die het niveau van enkele saffierkristallen bereiken. Bovendien zijn sommige eigenschappen, zoals buigsterkte en druksterkte, vanwege hun fijnkorrelige structuur zelfs superieur aan die van enkele saffierkristallen.
Belangrijkste eigenschappen van aluminiumoxide-keramiek met verschillende aluminiumoxide-inhoud
Toepassing van doorschijnend aluminiumoxide-keramiek in halfgeleiders
Doorschijnend aluminiumoxide-keramiek is een soort hoog-zuiver aluminiumoxide-keramiek. Vanwege hun bepaalde optische transmissie kunnen ze worden gebruikt als keramische materialen die zowel functionele als structurele rollen integreren. De structurele kenmerken van hoge verdichting en minimale poriën en onzuiverheidsdefecten betekenen dat doorschijnende aluminiumoxide-keramiek vaak uitstekende uitgebreide eigenschappen bezit dan gewone hoogzuivere aluminiumoxide-keramiek. Vergeleken met enkele kristallen van saffier, heeft doorschijnend aluminiumoxide-keramiek voordelen op het gebied van mechanische eigenschappen en wordt het beschouwd als een van de keramische materialen die de voorkeur hebben voor het integreren van structuur en functie.
Toepassingen in halfgeleiderapparatuur
Bij de productie van halfgeleiders is het etsproces een cruciale stap. In het bijzonder vereist de selectie van materialen voor zichtvensters van de etskamer niet alleen een hoge transmissie, maar ook een uitstekende corrosieweerstand. Aanvankelijk werd kwarts veel gebruikt. De zwakke corrosieweerstand van kwarts maakt het echter gevoelig voor beschadiging en vertroebeling, waardoor de levensduur als kijkvenster aanzienlijk wordt verkort. Doorschijnend aluminiumoxide-keramiek heeft de aandacht getrokken vanwege hun uitstekende optische doorlaatbaarheid, uitstekende chemische weerstand en diëlektrische eigenschappen.
Kijkvensters van aluminiumoxide-keramiek hebben een uitzonderlijk lange levensduur. Hoge optische transmissie is hun belangrijkste voordeel voor deze toepassing, hoge zuiverheid zorgt voor weerstand tegen plasma-etsen, en hoge verdichting vermindert diëlektrisch verlies, waardoor de warmteontwikkeling tijdens de werking van de apparatuur wordt geminimaliseerd. Hoewel doorschijnende aluminiumoxide-keramiek goed presteert wat betreft weerstand tegen plasma-etsen, blijft hun optische transmissie nog steeds achter bij die van materialen als kwarts. Vooral in fluor-bevattende plasma-etsomgevingen reageert Al met F om AlxFy-verbindingen te vormen, wat niet alleen de levensduur van het doorschijnende aluminiumoxide-keramiek verkort, maar ook een risico op waferverontreiniging met zich meebrengt.
Toepassingen in halfgeleiderverpakkingen
Om de foto-elektrische conversie-efficiëntie van LED-chips te optimaliseren, worden bij halfgeleiderverpakkingsprocessen strengere normen opgelegd aan de optische en thermische eigenschappen van verpakkingsmaterialen. Doorschijnend aluminiumoxide-keramiek vervult als verpakkingsmateriaal niet alleen een dubbele rol als ondersteunende substraten en warmtedissipatiepaden, maar kan door gebruik te maken van hun unieke optische eigenschappen ook effectief het probleem van de beperkte lichtefficiëntie, veroorzaakt door unidirectionele lichtpaden, overwinnen. Door hun hoge doorlaatbaarheid worden ze met name gebruikt als transparante substraten en transparante buizen, waardoor het door LED-chips gegenereerde licht zich gelijkmatig en ongehinderd in alle richtingen kan voortplanten, waardoor de algehele lichtextractie-efficiëntie van LED-verlichting aanzienlijk wordt verbeterd. Bovendien bezit doorschijnend aluminiumoxide-keramiek een uitstekende thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur, waardoor het thermische vermogen dat wordt gegenereerd tijdens de werking van de LED-chip effectief wordt verminderd, waardoor de algehele prestaties en stabiliteit verder worden verbeterd.
Toepassing van doorschijnend aluminiumoxide-keramiek in LED-verlichting
In april 2026 kondigde Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC) aan dat het een prototype van een doorschijnend aluminiumoxidesubstraat (ongeveer 300 mm²) had geproduceerd, een product dat naar verwachting een voortdurend groeiende vraag zal zien naar geavanceerde verpakkingen binnen de productieprocessen van halfgeleiders.
Dit doorschijnende substraat van aluminiumoxide is gemaakt van aluminiumoxide met een hoge- zuiverheid (meer dan 99,99%) en er is bevestigd dat het drie kenmerken bezit:
Hoge optische transmissie over het ultraviolette (UV) tot infrarode (IR) golflengtebereik.
Hoge stijfheid gelijk aan die van saffier.
Uitstekende chemische bestendigheid.
JFC gaf aan dat het doorschijnende aluminiumoxidesubstraat waarschijnlijk zal worden toegepast in IGBT-modules voor halfgeleiderverpakkingen met hoog-vermogen, LED-verlichting en hoog-communicatie met hoge- frequenties (5G/mmWave), en biedt vooral nieuwe mogelijkheden voor optische communicatievelden zoals Co-Packaged Optics (CPO), dat ondersteuning biedt voor toepassingen die een hoge thermische geleidbaarheid en mechanische/chemische stabiliteit vereisen.
Met de snelle verspreiding van generatieve AI groeit de vraag naar hoogwaardige halfgeleiders voortdurend. Transparante aluminiumoxidewafels zijn een soort steunwafel die wordt gebruikt voor het tijdelijk bevestigen van halfgeleiderchips tijdens het chiplet-integratieproces.
NGK Insulators, Ltd. is van plan zijn productiecapaciteit voor transparante aluminiumoxidewafels tegen het begrotingsjaar 2027 te verdrievoudigen om te voldoen aan de groeiende vraag naar chiplet-integratie-een sleuteltechnologie op geavanceerde gebieden zoals kunstmatige intelligentie (AI) en autonoom rijden. Door deze uitbreiding streeft de NGK Group ernaar een stabiel bevoorradingssysteem tot stand te brengen en streeft zij ernaar om tegen fiscaal 2030 een omzet van 20 miljard yen te bereiken op de markt voor hoogwaardige halfgeleiders.
De transparante aluminiumoxidewafel maakt gebruik van "HICERAM", een doorschijnend precisie-keramisch materiaal dat gedurende vele jaren door NGK is ontwikkeld en verfijnd. "HICERAM" is een doorschijnend precisie-keramisch materiaal op basis van aluminiumoxide met een hoge-zuiverheid (Al₂O₃). Door nauwkeurige controle van de zuiverheid van grondstoffen, korrelgrootte en sinterprocessen bereikt dit materiaal een goede doorschijnendheid in polykristallijn aluminiumoxide, terwijl de hoge dichtheid behouden blijft. Vergeleken met traditionele keramiek vertoont het uitstekende prestaties bij het verminderen van poriën en lichtverstrooiing, waardoor een bepaalde mate van lichttransmissie mogelijk wordt gemaakt terwijl de structurele sterkte behouden blijft.
Om hoogwaardige, doorschijnende aluminiumoxide-keramiek te bereiden, is hoog-zuiver aluminiumoxidepoeder met een zuiverheid van niet minder dan 99,99% vereist. Onzuiverheidselementen (zoals silicium en ijzer) kunnen verstrooiingscentra vormen bij korrelgrenzen, waardoor de transmissie ernstig wordt verminderd en de microstructuur van het materiaal wordt aangetast; het beheersen van het onzuiverheidsgehalte in het poeder (hoe lager, hoe beter) is dus cruciaal. Een ander belangrijk probleem is de dispergeerbaarheid van poederdeeltjes. Als de deeltjesagglomeratie ernstig is, zal zelfs het gebruik van grondstoffen met een zuiverheid van 99,99% geen gekwalificeerde, doorschijnende keramiek opleveren. Bovendien worden er strenge eisen gesteld aan de sinteractiviteit van het aluminiumoxidepoeder.