中國(guó)粉體網(wǎng)訊 透明陶瓷作為一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，相較于其它具有可見(jiàn)光透過(guò)性能的材料，如單晶、玻璃等，透明陶瓷具有諸多優(yōu)勢(shì)。例如，單晶的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高昂且難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而玻璃的強(qiáng)度硬度和耐熱震性能較差。高質(zhì)量的透明陶瓷不僅具有媲美單晶的透過(guò)率，還具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等特點(diǎn)，且相對(duì)簡(jiǎn)單的制備工藝、低廉的成本和較短的制備周期，更有利于實(shí)現(xiàn)透明陶瓷的大批量生產(chǎn)。
透明陶瓷在半導(dǎo)體制程中的應(yīng)用
近年來(lái)，透明陶瓷逐漸成為新一代無(wú)機(jī)透明材料，以替代單晶、玻璃等，應(yīng)用于防護(hù)窗口、固體激光、固態(tài)照明、光電器件甚至生物醫(yī)療等軍民領(lǐng)域。在半導(dǎo)體制程中，隨著半導(dǎo)體晶體管尺寸急劇減小和鹵素類等離子體能量增高，要求等離子刻蝕機(jī)的刻蝕腔體在晶圓刻蝕的時(shí)候需要保持越來(lái)越高的潔凈度，而刻蝕腔體內(nèi)表面部件材料被刻蝕，導(dǎo)致刻蝕機(jī)的核心部件刻蝕腔體壽命和可靠性大大被降低，因此，對(duì)刻蝕設(shè)備中內(nèi)表面部件材料耐刻蝕性要求也越發(fā)重要，由于刻蝕腔體內(nèi)表面部件形狀復(fù)雜、孔槽類特征眾多且尺寸大，在刻蝕機(jī)制造的時(shí)候必須多次安裝刻蝕腔體內(nèi)表面部件，這就要求刻蝕腔體內(nèi)表面部件材料機(jī)械強(qiáng)度好，不太容易機(jī)械破壞。
隨著半導(dǎo)體器件集成度的提升及先進(jìn)制程的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體制造刻蝕工藝面臨更高要求。刻蝕機(jī)內(nèi)壁受高密度等離子體轟擊，可能釋放顆粒污染物，引發(fā)工藝漂移，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電流短路和生產(chǎn)良率的下降。
當(dāng)前，廣泛應(yīng)用的陶瓷腔體材料集中于氧化釔陶瓷，高純氧化釔材料成本高且機(jī)械強(qiáng)度低，它的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度分別只有1.1MPa·m1/2和130MPa，這使得刻蝕機(jī)腔體部件在制造、運(yùn)輸或使用的時(shí)候容易損壞腔體內(nèi)壁的高純Y2O3材料。
刻蝕機(jī)的視窗鏡對(duì)材料透光率、耐刻蝕性要求較高。當(dāng)視窗鏡的耐刻蝕性能較差時(shí)，視窗鏡表面易變模糊，這也是視窗鏡材料由氧化硅向氧化鋁轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢(shì)。
但是隨著對(duì)刻蝕技術(shù)的要求不斷提高，主要體現(xiàn)在對(duì)顆粒雜質(zhì)控制要求以及刻蝕硅片尺寸增大，氧化鋁的耐離子刻蝕性能很難滿足大批量制造生產(chǎn)的要求。主要原因是氧化鋁易被鹵素等離子體反應(yīng)生成易揮發(fā)的鹵化物，其一在硅片上形成顆粒雜質(zhì)，對(duì)晶圓形成污染，其二對(duì)刻蝕機(jī)腔體部件腐蝕降低設(shè)備的使用壽命。而Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現(xiàn)出非常好的耐腐蝕性能得到了極大的關(guān)注。
韓國(guó)材料科學(xué)研究所（KIMS）納米材料研究部的馬浩鎮(zhèn)博士團(tuán)隊(duì)和釜山國(guó)立大學(xué)的李正宇教授研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)出了全球首個(gè)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工藝的透明抗等離子體高熵陶瓷。該團(tuán)隊(duì)脫離現(xiàn)有陶瓷材料——氧化釔（Y2O3）和氧化鋁（Al2O3），在YAG（釔鋁石榴石）成分的傳統(tǒng)范疇，設(shè)計(jì)了一種全新的高熵陶瓷成分，并通過(guò)先進(jìn)的燒結(jié)工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)出了致密度為99.9%的透明陶瓷，從而獲得了致密的固態(tài)材料。該高熵陶瓷與傳統(tǒng)材料大相徑庭，它通過(guò)將5種以上的元素進(jìn)行混合，并非形成雜質(zhì)，而是形成了一種均勻結(jié)構(gòu)的陶瓷，這種結(jié)構(gòu)賦予了高熵陶瓷獨(dú)特的性能。
與Y2O3材料相比，該高熵陶瓷的蝕刻率也僅為8.25%，因此表現(xiàn)出更為出色的耐久性；與藍(lán)寶石相比，研究人員開(kāi)發(fā)的高熵透明陶瓷的蝕刻率極低，僅為1.13%，這意味著能夠產(chǎn)生更少的污染物顆粒，并具備更高的耐久性。
透明陶瓷高熵化發(fā)展
陶瓷材料高熵化的概念最初由Rost等在2015年提出，認(rèn)為陶瓷多組分設(shè)計(jì)帶來(lái)的高構(gòu)型熵可以驅(qū)動(dòng)多相混合物和單項(xiàng)固溶體之間的可逆相變。此后，高熵陶瓷的設(shè)計(jì)主要圍繞著多組分帶來(lái)的原子尺度結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行，并嘗試從高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)和“雞尾酒”效應(yīng)等角度入手。這4種效應(yīng)是從高熵合金的研究引入至陶瓷領(lǐng)域，然而構(gòu)型熵的變化對(duì)于陶瓷材料的制備和性能研究目前還不夠充分。
CeNdCaSrBaF12高熵透明陶瓷
這4種效應(yīng)都是圍繞著復(fù)雜組分的原子排列充分隨機(jī)和無(wú)序的情況下提升材料性能。合理利用這4種效應(yīng)，優(yōu)化高熵陶瓷的設(shè)計(jì)思路和制備工藝，從而進(jìn)一步得到具有出色的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性和抗腐蝕性能的高熵材料。
高熵陶瓷近些年來(lái)發(fā)展出眾多體系，從組成元素角度可以分為硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、氟化物等；從結(jié)構(gòu)角度可以分為巖鹽、螢石、石榴石、鈣鈦礦等體系。高熵化在力學(xué)、熱學(xué)等層面對(duì)材料理化性能的提升使得各體系材料在結(jié)構(gòu)陶瓷、熱障涂層、儲(chǔ)能、催化、熱電材料等領(lǐng)域有更全能、更深入的應(yīng)用前景。
透明陶瓷材料對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝要求苛刻，若考慮高熵化對(duì)材料組成元素的限制，高熵透明陶瓷材料體系的選擇將受到挑戰(zhàn)。廣泛認(rèn)為，各向同性的結(jié)構(gòu)和合適的禁帶寬度是陶瓷透明化的前提條件，考慮到多組分的引入不能使晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的相變，往往需要在同族或同系中選擇元素。因此，在眾多的高熵陶瓷體系中，目前氟化物體系(XF2)和氧化物中的倍半氧化物(X2O3)、石榴石結(jié)構(gòu)(A3B5O12)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)和缺陷螢石/燒綠石結(jié)構(gòu)(A2B2O7)有望實(shí)現(xiàn)透明陶瓷高熵化。
來(lái)源：
韓文瀚等：高熵化透明陶瓷研究進(jìn)展
譚毅成：耐等離子體刻蝕釔基復(fù)合陶瓷的制備及其性能研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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