中國粉體網(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光透過性能的材料，如單晶、玻璃等，透明陶瓷具有諸多優(yōu)勢。例如，單晶的生產(chǎn)周期長，成本高昂且難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而玻璃的強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率，還具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等特點，且相對簡單的制備工藝、低廉的成本和較短的制備周期，更有利于實現(xiàn)透明陶瓷的大批量生產(chǎn)。

透明陶瓷在半導體制程中的應用

近年來，透明陶瓷逐漸成為新一代無機透明材料，以替代單晶、玻璃等，應用于防護窗口、固體激光、固態(tài)照明、光電器件甚至生物醫(yī)療等軍民領域。在半導體制程中，隨著半導體晶體管尺寸急劇減小和鹵素類等離子體能量增高，要求等離子刻蝕機的刻蝕腔體在晶圓刻蝕的時候需要保持越來越高的潔凈度，而刻蝕腔體內(nèi)表面部件材料被刻蝕，導致刻蝕機的核心部件刻蝕腔體壽命和可靠性大大被降低，因此，對刻蝕設備中內(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)表面部件形狀復雜、孔槽類特征眾多且尺寸大，在刻蝕機制造的時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)表面部件材料機械強度好，不太容易機械破壞。

隨著半導體器件集成度的提升及先進制程的不斷發(fā)展，半導體制造刻蝕工藝面臨更高要求�？涛g機內(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，嚴重時甚至導致電流短路和生產(chǎn)良率的下降。

當前，廣泛應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械強度低，它的斷裂韌性和抗彎強度分別只有1.1MPa·m^1/2和130MPa，這使得刻蝕機腔體部件在制造、運輸或使用的時候容易損壞腔體內(nèi)壁的高純Y₂O₃材料。

刻蝕機的視窗鏡對材料透光率、耐刻蝕性要求較高。當視窗鏡的耐刻蝕性能較差時，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。

但是隨著對刻蝕技術(shù)的要求不斷提高，主要體現(xiàn)在對顆粒雜質(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生成易揮發(fā)的鹵化物，其一在硅片上形成顆粒雜質(zhì)，對晶圓形成污染，其二對刻蝕機腔體部件腐蝕降低設備的使用壽命。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。

韓國材料科學研究所（KIMS）納米材料研究部的馬浩鎮(zhèn)博士團隊和釜山國立大學的李正宇教授研究團隊共同開發(fā)出了全球首個應用于半導體制造工藝的透明抗等離子體高熵陶瓷。該團隊脫離現(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，設計了一種全新的高熵陶瓷成分，并通過先進的燒結(jié)工藝技術(shù)開發(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，它通過將5種以上的元素進行混合，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；與藍寶石相比，研究人員開發(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，認為陶瓷多組分設計帶來的高構(gòu)型熵可以驅(qū)動多相混合物和單項固溶體之間的可逆相變。此后，高熵陶瓷的設計主要圍繞著多組分帶來的原子尺度結(jié)構(gòu)變化進行，并嘗試從高熵效應、晶格畸變效應、遲滯擴散效應和“雞尾酒”效應等角度入手。這4種效應是從高熵合金的研究引入至陶瓷領域，然而構(gòu)型熵的變化對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種效應都是圍繞著復雜組分的原子排列充分隨機和無序的情況下提升材料性能。合理利用這4種效應，優(yōu)化高熵陶瓷的設計思路和制備工藝，從而進一步得到具有出色的力學性能、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、熱學等層面對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、儲能、催化、熱電材料等領域有更全能、更深入的應用前景。

透明陶瓷材料對結(jié)構(gòu)設計和制備工藝要求苛刻，若考慮高熵化對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)有望實現(xiàn)透明陶瓷高熵化。

來源：

韓文瀚等：高熵化透明陶瓷研究進展

譚毅成：耐等離子體刻蝕釔基復合陶瓷的制備及其性能研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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