基于AlN的陶瓷复合材料在多种温度范围内的电气与热性能工程研究

《Materials Science and Engineering: B》：Electrical and thermal performance engineering of AlN-based ceramic composites over multiple temperature regimes

本研究采用火花等离子烧结技术，通过Yb?O?和SiC共掺杂AlN陶瓷，实现了25-625℃范围内高热导率（140 W·m?1·K?1）、低电阻率（1011 Ω·cm）和稳定介电常数（13 @1MHz），协同优化电-热性能，为电静压夹具等高温工程陶瓷提供了创新解决方案。

　　

唐大勤|王振华|尹朝晖|王家豪|陈文斌

南京理工大学机械工程学院，中国南京210094

摘要

基于氮化铝（AlN）的陶瓷材料由于其高导热性和可调的电学性能，在静电夹具（ESC）应用中展现出巨大潜力。然而，在高温下实现最佳的电热性能仍然具有挑战性。本研究通过采用火花等离子烧结（SPS）技术在1600–1800°C范围内制备掺杂了Yb₂O₃和SiC的AlN陶瓷，解决了这一挑战。通过多尺度表征和性能测试，在25–625°C的温度范围内实现了电学性能（电阻率和介电常数）与导热性的协同优化。所得陶瓷材料保持了高导热性（140 W·m^?1·K^?1），同时具备理想的电阻率（10¹¹ Ω·cm）和稳定的介电常数（1 MHz时为13），从而满足了ESC应用的要求。这项工作成功展示了基于AlN的陶瓷在电学、热性能及多温度范围内的协同优化，为高性能工程陶瓷的设计与制造提供了新的策略。

引言

氮化铝（AlN）陶瓷由于其纤锌矿晶体结构中的强Al-N共价键，展现出优异的综合性能。这些性能包括高导热性（理论值接近320 W·m^?1·K^?1）[1]、[2]，以及与硅相近的热膨胀系数（3.5 × 10^?6 K^?1）[3]。此外，AlN陶瓷的密度适中（3.26 g·cm^?3），具有高电绝缘性（电阻率 >10¹⁴ Ω·cm）[4]、[5]、15 kV·mm^?1的击穿强度，以及在不同频率范围内的低介电损耗[6]、[7]，以及优异的机械性能（硬度12 GPa，抗压强度200–400 MPa）[8]。这些独特特性使AlN陶瓷成为电子应用[9]、[10]、[11]和高温结构材料[13]的理想候选材料。AlN的宽禁带（6.2 eV）和高导热性也使其在先进器件（如AlN/GaN HEMTs）中得到广泛应用[14]。特别是在半导体制造领域，AlN作为静电夹具（ESC）的核心材料。与可能引入应力导致晶圆变形的传统机械夹持方式以及气压波动影响加工精度的真空吸附方式相比，ESC通过静电吸附提供均匀的夹持力[16]，避免了晶圆污染，显著提高了蚀刻和沉积等工艺的稳定性和产量，使其成为该领域的研究热点。

当前的晶圆加工环境条件苛刻，包括温度变化（涉及约300°C的关键操作点，有时甚至更高温度），以及振动干扰[17]、[18]、[19]、[20]。这些因素对ESC系统提出了严格的要求，尤其是对其功能介电层而言。关键要求包括高导热性以确保晶圆加工过程中的温度均匀分布[21]，以及在特定范围内精确控制的电阻率和介电性能，以维持均匀的电荷分布和稳定的夹持力[22]、[23]。尽管AlN陶瓷因其出色的整体性能而成为功能层的领先候选材料，但其较高的电绝缘性可能导致不必要的电荷积累，从而可能造成晶圆损伤[4]、[24]。因此，将AlN陶瓷的电阻率维持在10⁹–10¹² Ω·cm范围内对于保护晶圆并实现稳定的静电吸附至关重要[25]。

目前关于静电夹具功能层的研究主要集中在氧化铝（Al₂O₃）陶瓷系统上。通过成分设计策略（如TiO₂掺杂[26]和SiC–TiO₂–Al₂O₃–Y₂O₃复合材料[27]），结合先进的烧结技术（如粉末冶金热等静压[28]），已经证明了调整电学性能以满足基本ESC要求的可行性。然而，氧化铝陶瓷固有的低导热性和有限的介电性能限制了其在先进半导体制造中的应用。这一限制促使研究人员转向AlN陶瓷，开发了多种调节电电阻率同时保持高导热性的方法。这些方法包括：引入Y₂O₃/CeO₂等烧结助剂形成导电晶界相，实现130–190 W·m^?1·K^?1的导热性[4]；使用Yb₂O₃/Sm₂O₃与TiN等多组分改性剂，使电阻率在10¹⁰至10¹² Ω·cm之间可调，同时保持约90 W·m^?1·K^?1的导热性[29]；通过石墨烯掺杂大幅降低电阻率，尽管存在明显的各向异性[30]；以及对掺杂CaF₂的氮化铝进行火花等离子烧结，获得中等导热性（50–120 W·m^?1·K^?1），但介电常数较低[31]。尽管取得了显著的研究进展，但在系统理解AlN基复合材料中热性能和电性能的协同调控方面仍存在根本性挑战，尤其是在介电行为方面。此外，这些性能在不同温度条件下的变化尚未得到充分探索，阻碍了对其可靠性能的评估，限制了其在静电夹具等关键组件中的应用。

本研究系统地研究了掺杂成分和烧结参数对AlN陶瓷的电阻率、介电性能、导热性和高温性能的影响。在本研究中，Yb₂O₃作为烧结助剂，SiC作为性能改性的共掺杂剂。SiC[32]、[33]、[34]在调节AlN陶瓷的电学和热性能方面起着关键作用。其半导体特性和界面效应使得AlN陶瓷的电阻率能够在10⁹–10¹² Ω·cm的最佳范围内有效调节。由于SiC的高导热性，它减轻了对AlN固有热传输性能的不利影响，从而保持了复合材料的优异热性能。通过将微观结构演变与宏观陶瓷性能全面关联，本研究阐明了控制电学、热性能和高温性能的协同优化机制。通过优化的烧结行为和微观结构设计，成功开发出了一种多功能AlN基陶瓷，该陶瓷具有优异的电绝缘性、热管理能力和高温稳定性，为静电夹具的功能层提供了创新的材料解决方案。这项工作不仅实现了性能的协同优化，还确保了所开发的材料系统与工业规模的SPS设备完全兼容，为实际应用奠定了坚实的基础。

部分摘录

基于AlN的复合陶瓷的制备

表1总结了本研究中使用的粉末配方和烧结参数。样品代码为“ASXX_XX”，其中“A”代表AlN基体，“S”表示SiC掺杂，后面的数值表示掺杂含量（重量百分比），下划线后的数字表示烧结温度。例如，AS05_16表示掺杂了5 wt% SiC并在1600°C下烧结的AlN基陶瓷。制备过程如下

相变研究和致密化行为

图1展示了基于AlN的复合陶瓷的XRD结果，其中AlN是主要结晶相。随着SiC含量的增加，AlN和SiC的衍射峰强度增强并发生位移。对比在1800°C下烧结的样品（图1(d)）发现，随着SiC含量的增加，它们的衍射峰发生收敛性位移并伴随强度减弱。例如，在AS10_18和AS15_18样品之间，较高的SiC含量导致更大的峰位移

结论

本研究针对静电夹具及其他需要高性能工程陶瓷的领域中的介电层应用要求进行了探讨。利用火花等离子烧结技术，系统研究了陶瓷材料的致密化行为、相变机制、微观结构形态、电学特性、热传输性能和高温性能。基体材料为氮化铝，掺杂了氧化镱

CRediT作者贡献声明

唐大勤：撰写——初稿，概念构思。王振华：可视化，验证，监督。尹朝晖：数据整理。王家豪：软件开发。陈文斌：监督，资源提供。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号52175416）、江苏省重点研发计划（编号BE2023076）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（编号KYCX25_0689）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。