Trong hệ sinh thái ngành công nghiệp bán dẫn, thiết bị sản xuất chất bán dẫn tạo thành trụ cột cốt lõi và giữ vị trí then chốt. Theo Báo cáo dự báo tổng số thiết bị bán dẫn giữa năm- của SEMI, tín hiệu về mức tăng trưởng cao của ngành đã được đưa ra. Dữ liệu cho thấy tổng doanh số bán thiết bị sản xuất chất bán dẫn (OEM) toàn cầu dự kiến sẽ đạt 165,9 tỷ USD vào năm 2026, mức tăng-so với cùng kỳ năm ngoái là 23,2%, thiết lập một kỷ lục lịch sử mới. Động lực tăng trưởng của ngành này dự kiến sẽ tiếp tục, với doanh số bán thiết bị toàn cầu dự báo sẽ vượt 229,5 tỷ USD vào năm 2028, đạt được 5 năm tăng trưởng ổn định liên tiếp.
Sự mở rộng nhanh chóng của ngành đang thúc đẩy thiết bị sản xuất chất bán dẫn hướng tới-độ phức tạp và độ chính xác cao hơn bao giờ hết trong thiết kế và sản xuất. Trong quy trình này, gốm sứ hiệu suất cao-, với vai trò là vật liệu thành phần quan trọng, đóng vai trò then chốt trong sản xuất chất bán dẫn. Hoạt động R&D và sản xuất các bộ phận gốm sứ hiệu suất cao{4}}có liên quan trực tiếp đến sự phát triển mạnh mẽ và tiến bộ công nghệ của chuỗi cung ứng chất bán dẫn.
Vật liệu gốm hiệu suất cao{0}}có các đặc tính toàn diện tuyệt vời, chẳng hạn như độ bền cao, độ cứng cao, khả năng chống mài mòn cao, cách điện cao, độ giãn nở nhiệt thấp, khả năng chống ăn mòn cao và độ ổn định hóa học cao. Trong sản xuất chất bán dẫn, chúng có thể được sử dụng làm linh kiện cho các thiết bị như tấm đánh bóng, bệ điều hòa đệm đánh bóng, mâm cặp chân không, máy sưởi và mâm cặp tĩnh điện.
Linh kiện gốm sứ hiệu suất cao-cho sản xuất chất bán dẫn
-Vật liệu gốm hiệu suất cao chủ yếu bao gồm alumina, nhôm nitrit, silicon nitrit, cacbua silic, v.v. Các vật liệu gốm khác nhau có các đặc tính khác nhau, dẫn đến các kịch bản ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực bán dẫn. Trong số này, gốm alumina có phạm vi ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong ngành bán dẫn.
Ứng dụng của một số loại gốm sứ bán dẫn thông thường{0}}
Tính chất và phân loại gốm sứ Alumina
Gốm Alumina là một trong những vật liệu cách điện quan trọng không thể thiếu cho các thiết bị cốt lõi trong sản xuất mạch tích hợp. Khi quy trình sản xuất chip tiến bộ, các yêu cầu về độ tinh khiết và hiệu suất đối với gốm alumina tiếp tục tăng cao. Nhìn chung, gốm alumina được phân loại dựa trên hàm lượng alumina, thường được chia thành loại gốm sứ alumina loại-thông thường và loại gốm sứ alumina có độ tinh khiết-cao. Loại-thông thường có thể được chia nhỏ hơn nữa theo hàm lượng alumina, chẳng hạn như 75% alumina, 96% alumina và 99% gốm sứ alumina; gốm sứ alumina loại{10}}độ tinh khiết{11}}cao đề cập đến các vật liệu có hàm lượng alumina lớn hơn 99,9%.
Hiện nay, độ tinh khiết của gốm alumina được sử dụng trong thiết bị bán dẫn về cơ bản là trên 99,5%. Gốm Alumina được sử dụng trong các ứng dụng khắc đạt độ tinh khiết trên 99,8%, thậm chí đạt tới cấp 4N (99,99%). Chúng có vẻ trong suốt hoặc mờ, với các chỉ số hiệu suất đạt đến mức tinh thể sapphire đơn. Hơn nữa, do cấu trúc hạt mịn-của chúng, một số đặc tính như cường độ uốn và cường độ nén thậm chí còn vượt trội hơn so với các đặc tính của tinh thể sapphire đơn lẻ.
Các đặc tính chính của gốm sứ Alumina với hàm lượng Alumina khác nhau
Ứng dụng gốm sứ Alumina mờ trong chất bán dẫn
Gốm alumina mờ là một loại gốm alumina có độ tinh khiết cao-. Do độ truyền quang nhất định, chúng có thể được sử dụng làm vật liệu gốm tích hợp cả vai trò chức năng và cấu trúc. Đặc điểm cấu trúc của mật độ cao, lỗ rỗng tối thiểu và khuyết tật tạp chất có nghĩa là gốm alumina mờ thường sở hữu các đặc tính toàn diện tuyệt vời hơn so với gốm alumina có độ tinh khiết cao-thông thường. So với các tinh thể sapphire đơn, gốm alumina mờ có lợi thế về tính chất cơ học và được coi là một trong những vật liệu gốm được ưa thích để tích hợp cấu trúc và chức năng.
Ứng dụng trong thiết bị bán dẫn
Trong sản xuất chất bán dẫn, quá trình ăn mòn là một bước quan trọng. Cụ thể, việc lựa chọn vật liệu cho khung nhìn buồng khắc không chỉ đòi hỏi độ truyền qua cao mà còn có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Ban đầu, thạch anh được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn yếu của thạch anh khiến nó dễ bị hư hỏng và đóng cặn, làm giảm đáng kể tuổi thọ sử dụng của nó như một khung nhìn. Gốm alumina mờ đã thu hút được sự chú ý nhờ độ truyền quang tuyệt vời, khả năng kháng hóa chất vượt trội và tính chất điện môi.
Khung nhìn bằng gốm Alumina có tuổi thọ sử dụng lâu dài đặc biệt. Độ truyền quang cao là lợi thế cốt lõi của chúng cho ứng dụng này, độ tinh khiết cao đảm bảo khả năng chống ăn mòn plasma và mật độ cao giúp giảm tổn thất điện môi, giảm thiểu sinh nhiệt trong quá trình vận hành thiết bị. Mặc dù gốm alumina mờ hoạt động tốt trong khả năng chống ăn mòn plasma nhưng độ truyền quang của chúng vẫn tụt hậu so với các vật liệu như thạch anh. Đặc biệt là trong môi trường ăn mòn plasma chứa flo-, Al phản ứng với F để tạo thành hợp chất AlxFy, điều này không chỉ rút ngắn tuổi thọ của gốm alumina mờ mà còn gây ra nguy cơ ô nhiễm tấm bán dẫn.
Ứng dụng trong bao bì bán dẫn
Trong quy trình đóng gói chất bán dẫn, để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi quang điện của chip LED, các tiêu chuẩn khắt khe hơn được áp dụng đối với tính chất quang và nhiệt của vật liệu đóng gói. Gốm alumina mờ, làm vật liệu đóng gói, không chỉ đóng vai trò kép là chất nền hỗ trợ và đường tản nhiệt mà còn tận dụng các đặc tính quang học độc đáo của chúng, khắc phục hiệu quả vấn đề hiệu suất phát sáng hạn chế do đường dẫn ánh sáng một chiều gây ra. Cụ thể, bằng cách sử dụng hệ số truyền qua cao, chúng được sử dụng làm chất nền trong suốt và ống trong suốt, cho phép ánh sáng do chip LED tạo ra truyền đồng đều và không bị cản trở theo mọi hướng, nhờ đó nâng cao đáng kể hiệu suất khai thác ánh sáng tổng thể của hệ thống chiếu sáng LED. Hơn nữa, gốm alumina mờ có tính dẫn nhiệt-ở nhiệt độ phòng tuyệt vời, giúp giảm hiệu quả lượng nhiệt sinh ra trong quá trình vận hành chip LED, cải thiện hơn nữa hiệu suất và độ ổn định tổng thể.
Ứng dụng gốm sứ Alumina mờ trong chiếu sáng LED
Vào tháng 4 năm 2026, Công ty TNHH Gốm sứ Mỹ Nhật Bản (JFC) thông báo họ đã sản xuất nguyên mẫu chất nền alumina mờ (khoảng 300 mm²), một sản phẩm dự kiến sẽ nhận thấy nhu cầu ngày càng tăng về bao bì tiên tiến trong quy trình sản xuất chất bán dẫn.
Chất nền alumin mờ này được làm từ alumina có độ tinh khiết-cao (trên 99,99%) và đã được xác nhận là có ba đặc điểm:
Độ truyền quang cao trong phạm vi bước sóng tia cực tím (UV) đến hồng ngoại (IR).
Độ cứng cao tương đương với sapphire.
Kháng hóa chất tuyệt vời.
JFC chỉ ra rằng chất nền alumina mờ có khả năng được áp dụng trong các mô-đun IGBT cho-đóng gói bán dẫn công suất cao, đèn LED, giao tiếp tần số- cao (5G/mmWave) và đặc biệt là mang đến những khả năng mới cho các trường giao tiếp quang học như Quang học đóng gói Co- (CPO), cung cấp hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu độ dẫn nhiệt cao và độ ổn định cơ học/hóa học.
Với sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo AI, nhu cầu về chất bán dẫn hiệu suất cao không ngừng tăng lên. Tấm alumina trong suốt là một loại tấm wafer hỗ trợ được sử dụng để cố định tạm thời các chip bán dẫn trong quá trình tích hợp chiplet.
NGK Insulators, Ltd. có kế hoạch tăng gấp ba công suất sản xuất tấm alumina trong suốt vào năm tài chính 2027 để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tích hợp chiplet-một công nghệ then chốt trong các lĩnh vực tiên tiến như Trí tuệ nhân tạo (AI) và xe tự lái. Thông qua việc mở rộng này, Tập đoàn NGK đặt mục tiêu thiết lập một hệ thống cung ứng ổn định và phấn đấu đạt được doanh thu 20 tỷ yên trên thị trường bán dẫn hiệu suất cao-vào năm tài chính 2030.
Tấm wafer alumina trong suốt sử dụng "HICERAM", một vật liệu gốm trong mờ có độ chính xác cao được NGK phát triển và tinh chế trong nhiều năm. "HICERAM" là vật liệu gốm trong mờ có độ chính xác cao dựa trên-alumina có độ tinh khiết cao (Al₂O₃). Thông qua việc kiểm soát chính xác độ tinh khiết của nguyên liệu thô, kích thước hạt và quá trình thiêu kết, vật liệu này đạt được độ trong mờ tốt ở alumina đa tinh thể trong khi vẫn duy trì mật độ cao. So với gốm truyền thống, nó thể hiện hiệu suất vượt trội trong việc giảm lỗ chân lông và tán xạ ánh sáng, từ đó cho phép truyền ánh sáng ở mức độ nhất định trong khi vẫn duy trì độ bền kết cấu.
Để chuẩn bị gốm alumina trong suốt-hiệu suất cao, cần có bột alumina có độ tinh khiết-cao với độ tinh khiết không dưới 99,99%. Các nguyên tố tạp chất (như silicon và sắt) có thể hình thành các tâm tán xạ ở ranh giới hạt, làm giảm nghiêm trọng độ truyền qua và ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của vật liệu; do đó, việc kiểm soát hàm lượng tạp chất trong bột (càng thấp càng tốt) là rất quan trọng. Một vấn đề quan trọng khác là khả năng phân tán của các hạt bột. Nếu sự kết tụ hạt nghiêm trọng, ngay cả khi sử dụng nguyên liệu thô có độ tinh khiết 99,99% cũng sẽ không tạo ra gốm sứ mờ đủ tiêu chuẩn. Ngoài ra, các yêu cầu nghiêm ngặt được đặt ra đối với hoạt động thiêu kết của bột alumina.