本發(fā)明涉及靜電卡盤陶瓷板制備，特別涉及一種高性能氧化鋁復合陶瓷的制備方法。

背景技術：

1、半導體行業(yè)領域中，精密陶瓷件在化學氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、刻蝕等一系列加工環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。精密陶瓷件通常由氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔等材料成型和精密加工后制備，具有高強度、耐腐蝕、高精度等優(yōu)異性能。靜電卡盤裝置就是一種對陶瓷介質層要求極高的精密陶瓷件。靜電卡盤在半導體制造過程中，能夠在試樣臺均勻固定晶圓，并且能夠保持持該晶圓的溫度均勻，方便晶圓的加工制作。如何制備滿足半導體加工所需的優(yōu)異力學性能、電性能和長期穩(wěn)定使用的精密靜電卡盤陶瓷介電層一直是廣大研究人員的目標。

2、氧化鋁靜電卡盤是使用較廣泛的一種半導體精密器件，發(fā)展至今也存在著一些缺陷。主要缺陷在于：普通氧化鋁粉體經(jīng)過干壓或流延，中工序處理和排膠燒結后得到的陶瓷產(chǎn)品存在以下幾個問題：(a)與sic和si3n4相比，al2o3陶瓷的斷裂韌性和斷裂強度相對較低，并且在高溫下其強度顯著下降，并且還存在抗熱沖擊能力相對較弱的問題；(b)原料純度不夠，制備的靜電卡盤電介質層的電學性能偏弱，導致使用過程中介電損耗較大、易擊穿，使用壽命低；(c)在加工晶圓過程中，由于表面陶瓷電介質層的缺陷，靜電卡盤的局部吸附力不均或者惡化，易導致晶圓報廢。(d)在更復雜的加工條件要，需要介電層陶瓷更高的介電強度、更低的介電損耗和耐電壓，防止陶瓷使用中被擊穿。

3、近年來，納米復合陶瓷制備技術受到了廣大學者的關注。在復合材料中不同組分的力學、電學、磁學、光學、熱學等性能可以通過組分之間的相互耦合作用或誘導作用，復合材料可以獲得比單一組分更優(yōu)異的性能或單一組分所沒有的性能，其復合效果大于簡單的加和效應。al2o3/sic復相陶瓷在力學性能、熱性能、電性能上的優(yōu)異而備受關注。

4、在力學性能方面，碳化硅顆粒的釘扎效應，提高了復合陶瓷的斷裂強度和斷裂韌性。niihara對al2o3/sic納米復合材料的研究發(fā)現(xiàn)，通過添加5vol％的納米sic粒子，三點彎曲強度從單塊al2o3的320mpa增加到納米復合材料的1050mpa。在熱行為和電導率方面，parchoviansky等人研究了sic納米顆粒添加對al2o3/sic微納米復合材料在常溫和高溫下電導率和熱導率的影響。在氬氣氣氛中以1740℃和30mpa壓力熱壓制備了sic體積分數(shù)從3vol％到20vol％不等的不同樣品。結果表明，al2o3/sic納米復合材料的熱性能(熱擴散率和熱導率)不受sic顆粒的尺寸和形狀的影響，而是受這些顆粒的體積含量的影響。熱導率隨著sic納米顆粒含量的增加而增加，當這些納米顆粒的體積分數(shù)為20vol％時，熱導率最多可增加35％(從28w/m?k增加到38w/m?k)。關于電導率，parchoviansky等人表明，電導率隨著sic納米顆粒含量的增加而增加，尤其是在sic體積分數(shù)高于或等于10vol％的復合材料中。結果表明，在sic含量較低時，sic顆粒無法相互連接形成連續(xù)的導電網(wǎng)絡，當sic含量高于10％時，導電率從10-5s/m(5vol％)增加到10-3s/m(10vol％)，這一結果得到了證實。其他研究也證實了相同的趨勢，例如sawaguchi等人的研究或stauffer和aharony基于數(shù)學模型，提出了添加17vol％的第二相來創(chuàng)建有效導電路徑。

5、碳化硅主要有β-sic和α-sic兩種，其中β-sic的莫氏硬度達9.25-9.6,僅次于金剛石.β-sic具有高機械強度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫和抗蠕變和抗斷裂性能。β-sic的燒結活性優(yōu)于α-sic，且具有高熱導率和低的熱膨脹系數(shù)，使其具有良好的抗熱沖擊能力。al2o3/sic的典型微觀結構納米復合材料由平均晶粒尺寸為1至5μm的多晶氧化鋁基體和尺寸為幾十至幾百納米的碳化硅顆粒組成，這些顆粒存在于基體晶粒內部或晶粒邊界上。cn108495829b報道了在氧化鋁中加入不同體積分數(shù)的β碳化硅和α碳化硅對靜電卡盤、強度、熱導率和耐電壓的影響。β碳化硅可以提高靜電卡盤的使用耐久性，復合燒結體中較多地含有αsic的情況下，與βsic相比αsic的導電性低，因此認為在燒結體內流過微小電流時的局部發(fā)熱變大而容易發(fā)生絕緣破壞。并且，復合燒結體中較多地含有αsic的情況下，通過等離子體照射，電荷容易積聚于復合燒結體中而變得容易放電。其結果，靜電卡盤隨著放電而進行破損。盡管al2o3/sic納米復合材料在力學性能和電性能得到了很大提高，然而這些優(yōu)點很大程度上取決于第二相的分散性和陶瓷燒結致密化程度。納米sic顆粒的體積分數(shù)受以下因素限制：a.成型加工技術使顆粒分布均勻的能力；b.以及現(xiàn)有燒結方法的致密化極限。具體而言(a)第二相的均勻分散對于納米復合材料獲得優(yōu)于整體材料的性能至關重要；(b)納米碳化硅在燒結時比較活潑易從體系中分解消失，如何控制燒結條件來調控結構也是技術難點。

6、怎樣的成型和燒結手段能使氧化鋁和碳化硅有效的復合，獲得期望性能的精密陶瓷，是急需解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種高性能氧化鋁復合陶瓷的制備方法，以解決背景技術中提出的問題，流延成型因其高均勻性、薄層制備能力、高精度、適合批量生產(chǎn)、材料利用率高的優(yōu)點，有利于提高靜電卡盤的力學性能、電性能和穩(wěn)定性。

2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案為：

3、一種高性能氧化鋁復合陶瓷的制備方法，所述制備方法包括：

4、粉體預處理：將納米碳化硅粉體進行處理再在臥式球磨機中進行預分散，加入分散劑，以破壞粉體中的硬團聚、軟團聚，使其分散均勻，納米氧化鋁粉進行分散；

5、經(jīng)過處理后的粉體需要測試出其它物質含量，其他物質中，表面金屬雜質的含量小于100ppm；

6、其中粉體預處理中的碳化硅的含量占比為0～10wt％，氧化鋁的含量占比為90～100wt％；

7、溶膠：先加入0～60份甲苯、0～20份異丙醇和1～5份可塑劑于氣動溶膠機內，緩慢均勻的攪拌5～20min，然后率多次少量緩慢加入30～50份pvb樹脂粉，高速攪拌2～4h，保證pvb樹脂粉均勻和充分溶解，形成pvb膠體；

8、分散：先稱量一定量的球只、甲苯和正丁醇混合溶劑于攪拌磨中，甲苯和正丁醇的比例為3:1～1:1，然后將預處理的納米碳化硅和納米氧化鋁粉和添加劑依次加入，打開攪拌開關攪拌1～4h；

9、混合：轉移攪拌磨中的氧化鋁和碳化硅漿料于滾筒球磨機中，依據(jù)配方加入一定量的pvb膠體，以一定的攪拌速率運行24h；

10、真空脫泡：將滾筒球磨機中的漿料用n2氣壓送入脫泡罐中，測量出漿的粘度和對應的環(huán)境溫度，根據(jù)漿料粘度和溫度設定水浴溫度，設置合適的脫泡真空度和時間，漿料經(jīng)過有效脫泡后，陳腐一段時間以備用；

11、成型和燒結：設置刮刀刀高為0.3～0.6mm，流延的速度為0～300mm/min，依據(jù)環(huán)境設置溫度和進出風通量，流延成型機的干燥區(qū)溫度設置在0～100℃，根據(jù)碳化硅粉體種類，漿料通過流延成型后得到灰黑或灰白色或綠色的流延生坯，再裁切、打孔、印刷、疊層和等靜壓二次成型后得到塊狀生坯，最后排膠燒結。

12、優(yōu)選的，所述納米碳化硅粉體為α-sic或β-sic，所述α-sic或β-sic的粒徑為60nm～400nm，其中粒徑d50＝100～200nm，d10＝30～50nm，d90＝150～200nm，d90/d10＝3～6。

13、優(yōu)選的，所述成型和燒結步驟中，所述燒結為真空燒結或者氬氣保護氣氛下熱壓燒結或者等靜壓燒結。

14、優(yōu)選的，所述燒結為氬氣保護氣氛下熱壓燒結，所述燒結的溫度為1500℃～1850℃，燒結的壓力為20～50mpa，保壓1～2h，然后冷卻至室溫，在進行燒結前先進行預燒結，所述預燒結的溫度為550℃～600℃。

15、優(yōu)選的，所述可塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二正辛酯或鄰苯二甲酸丁芐酯，所述可塑劑的含量為0～8wt％。

16、優(yōu)選的，所述分散劑為peg或魚油或軟磷脂或油酸或油酸酰胺，所述分散劑含量為0～5wt％。

17、優(yōu)選的，所述氧化鋁粉體為納米高純氧化鋁粉，γ或α相球形顆粒，純度大于等于99.99％，粒徑d50＝100～400nm，bet＝5～30m2/g。

18、優(yōu)選的，所述α-sic或β-sic為納米高純碳化硅，為α相或者β相或者包括兩者的球形顆粒，純度大于等于99.99％，碳化硅外觀顏色為黑色、綠色或者灰白色，粒徑d50＝50～300nm，bet＝6～38m2/g，碳化硅的體積分數(shù)占總體的比例為0～20％。

19、采用上述技術方案，具有以下有益效果：

20、本發(fā)明通過流延成型和燒結制備的納米氧化鋁和碳化硅；(1)納米粉體由于粒徑小、比表面積大，普通的成型方法成型困難，且有機溶劑體系的有機物含量過多也不利于成型，通過前期優(yōu)化材料選型和優(yōu)化工藝處理，創(chuàng)造了穩(wěn)定流延成型的漿料體系，通過流延成型，使復合陶瓷可以批量成型，大大提高生產(chǎn)效率；(2)基于理論和現(xiàn)實，通過處理，氧化鋁/碳化硅在有機體系中更易分散，制備了力學性能和電性能優(yōu)異的靜電卡盤介電層陶瓷；(3)流延成型得到的產(chǎn)品均勻性好、厚度可調，便于在宏觀上調控靜電卡盤的微結構；(4)鑒于復相陶瓷的致密化困難，采用了預燒結-hip固結法，進一步提高了納米復合陶瓷的體積密度，解決了al2o3/sic陶瓷燒結技術難題。