L'allumina, utilizzata come materia prima per i prodotti in alluminio e come materiale ausiliario in settori come quello chimico e meccanico, ha da tempo svolto un ruolo importante nell'economia nazionale. Con il rapido sviluppo di settori emergenti come quello dei semiconduttori, la domanda di materiali ad alte prestazioni è aumentata vertiginosamente. I prodotti in allumina di fascia alta sono diventati cruciali, soprattutto nei mercati dei semiconduttori, che valgono migliaia di miliardi di dollari, dove l'allumina è un materiale fondamentale.
Mercato dei semiconduttori
Con la continua crescita di applicazioni quali l'intelligenza artificiale, la comunicazione 5G, l'IoT, il cloud computing, l'elettronica per l'automotive, la robotica e i droni, il settore dei semiconduttori è in piena espansione.
Secondo diverse organizzazioni di ricerche di mercato, il mercato globale dei semiconduttori ha registrato una crescita significativa nel 2024. Ad esempio, il World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) ha riportato che il mercato globale dei semiconduttori ha raggiunto i 45,76 trilioni di RMB nel 2024, con un aumento di 191 t/t. Il mercato cinese dei semiconduttori è cresciuto di 201 t/t, rappresentando 301 t/t del mercato globale. WSTS prevede una crescita di 11,21 t/t nel 2025, raggiungendo i 697 miliardi di dollari. Anche Deloitte prevede un fatturato di 697 miliardi di dollari nel 2025 e si aspetta che l'industria dei semiconduttori raggiunga i 1 trilione di dollari di fatturato entro il 2030.
Applicazioni dell'allumina nell'industria dei semiconduttori
Componenti per apparecchiature a semiconduttore
I componenti ceramici in allumina sono noti per la loro elevata durezza, resistenza meccanica, resistenza all'usura, tolleranza alle alte temperature, resistività elettrica e proprietà isolanti. Queste caratteristiche li rendono essenziali per la produzione di semiconduttori in ambienti sotto vuoto, ad alta temperatura e in altri ambienti speciali. L'allumina svolge un ruolo insostituibile nelle linee di produzione di semiconduttori, coprendo quasi tutte le apparecchiature a semiconduttore e costituendone i componenti principali.
I componenti ceramici in allumina sono classificati in base al loro utilizzo, tra cui tipi ad anello e a cilindro, guide del flusso d'aria, dispositivi di supporto del carico, lavatrici manuali e moduli.
Tipi ad anello e a cilindro: nel processo di incisione, rivestimenti in allumina ad alta purezza o componenti ceramici vengono utilizzati per le camere di incisione e i relativi rivestimenti. Questi materiali sono altamente resistenti alla corrosione e riducono la contaminazione durante l'incisione al plasma.
Componenti ceramici in allumina nelle apparecchiature a semiconduttore
| Tipo di prodotto | Funzione | Applicazione delle apparecchiature a semiconduttore |
| Anello di molibdeno | Migliora la guida del gas, l'isolamento e la resistenza alla corrosione | Apparecchiature per la deposizione di film sottili |
| Anello di protezione | Protegge i componenti chiave del modulo come i mandrini elettrostatici e i riscaldatori ceramici | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione |
| Anello di bordo | Previene il traboccamento del plasma | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione |
| Anello di messa a fuoco | Concentra il plasma all'interno della camera | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione, apparecchiature per l'impianto ionico |
| Copertura protettiva | Sigilla e assorbe i residui di processo | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione |
| Anello di serraggio di terra | Protegge e supporta i componenti | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione |
| Fodera | Migliora la guida del gas per una formazione del film più uniforme | Attrezzatura per incisione |
| Canna termica | Migliora le prestazioni del controllo della temperatura | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione, apparecchiature per l'impianto ionico |
| Tubo di protezione della termocoppia | Protegge le termocoppie in un ambiente fisico-chimico e di temperatura relativamente stabile | Varie apparecchiature front-end a semiconduttore |
Componenti della guida del flusso del gas
Nel processo di pulizia al plasma, vengono utilizzati gas corrosivi contenenti elementi alogeni altamente reattivi come fluoro e cloro. Gli ugelli del gas sono solitamente realizzati in ceramica di allumina, che richiede elevata resistenza al plasma, rigidità dielettrica e una forte resistenza alla corrosione dei gas di processo e dei sottoprodotti. Questi ugelli presentano inoltre una precisa struttura dei pori interni per un controllo accurato del flusso di gas.
I componenti ceramici di allumina a guida di gas sono utilizzati principalmente nelle apparecchiature a semiconduttore
| Tipo di prodotto | Funzione | Applicazione delle apparecchiature a semiconduttore |
| Ugello, piastra di distribuzione del gas, anello di restrizione, piastra diffusore | Guida il flusso del gas, garantisce una distribuzione uniforme e una velocità stabile dei gas di processo e crea un ambiente di processo controllato | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione |
| Piastra di copertura dell'ugello | Serve come attacco per ugelli e assorbe i residui di processo | Apparecchiature per la deposizione di film sottili, apparecchiature per l'incisione |
Componenti portanti e di fissaggio
Durante la produzione di semiconduttori, i wafer possono essere sottoposti a trattamenti ad alta temperatura come l'incisione e l'impianto ionico. I supporti per wafer in allumina vengono utilizzati per garantire la stabilità e la sicurezza dei wafer durante il trasporto. Questi supporti hanno un'eccellente conduttività termica, dissipando efficacemente il calore e dirigendolo lontano dal wafer per prevenirne i danni termici.
Componenti della rondella dell'impugnatura
I componenti in ceramica di allumina vengono utilizzati nella movimentazione dei wafer, in particolare nei bracci meccanici installati sui robot di trasferimento dei wafer. Questi bracci agiscono come le mani del robot, spostando i wafer in posizioni specifiche, con le loro superfici a diretto contatto con essi. Poiché i wafer sono estremamente sensibili alla contaminazione, la movimentazione viene solitamente eseguita sotto vuoto. La maggior parte dei materiali non è in grado di resistere a tali condizioni, quindi i bracci meccanici sono realizzati in ceramica di allumina altamente resistente e duratura. Le ceramiche sono inoltre progettate con precisione e presentano superfici lisce, garantendo una contaminazione minima. Vengono utilizzati vari sistemi, come sistemi di serraggio, portanti, adsorbimento sotto vuoto e sistemi Bernoulli.
Bracci robotici in allumina/carburo di silicio
Fonte: Kyocera, Giappone
Le parti in ceramica di allumina con guarnizione di impugnatura sono utilizzate principalmente nelle apparecchiature a semiconduttore
| Tipo di prodotto | Funzione | Applicazione delle apparecchiature a semiconduttore |
| Braccio robotico | Trasferisce i wafer dentro e fuori dalla camera | Varie apparecchiature front-end a semiconduttore |
| Parte isolante | Impedisce la conduzione elettrica; alcuni forniscono anche isolamento | Varie apparecchiature front-end a semiconduttore |
| Radiatore | Raffredda i componenti dell'attrezzatura | Varie apparecchiature front-end a semiconduttore |
Componenti della rondella dell'impugnatura
I componenti in ceramica di allumina sono utilizzati nelle apparecchiature a semiconduttore, in particolare nei moduli. Nei processi di deposizione come la deposizione fisica da vapore (PVD), la deposizione chimica da vapore (CVD) e la lucidatura chimico-meccanica (CMP), componenti come mandrini elettrostatici, riscaldatori ceramici, tavoli di lucidatura, piastre di lucidatura, camere e altri componenti sono realizzati in ceramica di allumina.
Per la lucidatura vengono comunemente utilizzate piastre di allumina ad alta purezza, fornite dalla Kyocera in Giappone.
Substrati ceramici
I substrati ceramici si distinguono per le loro eccellenti proprietà isolanti, l'elevata resistenza, il basso coefficiente di dilatazione termica e l'eccellente stabilità chimica e conduttività termica. Sono ampiamente utilizzati per il packaging dei circuiti integrati.
Corning ha sviluppato substrati ceramici di allumina ultrasottili.
I substrati ceramici di allumina sono ampiamente utilizzati nell'elettronica a radiofrequenza (RF) e a microonde grazie alla loro elevata costante dielettrica, che consente la miniaturizzazione dei circuiti. Presentano inoltre un'eccellente stabilità termica, una deriva termica minima, un'elevata resistenza del substrato e una stabilità chimica superiore alla maggior parte degli altri materiali a base di ossido. Questi substrati sono adatti per circuiti a film spesso, circuiti a film sottile, circuiti ibridi, moduli per componenti a microonde e altro ancora. I substrati ceramici di allumina sono convenienti (circa 1/10 del prezzo del nitruro di alluminio) e vantano un processo produttivo maturo, che li rende i più prodotti e utilizzati nel settore.
Abrasivi per lucidatura CMP
La lucidatura chimico-meccanica (CMP) è attualmente l'unica tecnologia in grado di ottenere una planarizzazione globale ed è ampiamente utilizzata nella lucidatura di wafer semiconduttori, nell'isolamento di trincee poco profonde, nelle interconnessioni in rame e altro ancora.
Gli abrasivi svolgono un ruolo fondamentale nel CMP, svolgendo azioni meccaniche come il microtaglio e la graffiatura. I liquidi lucidanti rappresentano 491 TP3T del costo del materiale lucidante del CMP, mentre gli abrasivi contribuiscono per 501-701 TP3T al costo del liquido lucidante.
Fonte: Istituto di ricerca di Guangzhou Huifu
Gli abrasivi più comunemente utilizzati includono SiO₂, CeO₂ e Al₂O₂. Tra questi, la polvere di allumina sferica submicronica ad elevata purezza, utilizzata come abrasivo nei liquidi lucidanti CMP, offre elevati tassi di rimozione, lucidatura rapida, graffi minimi sulla superficie lucidata e un elevato livello di levigatezza. È ideale per l'uso nel processo di lucidatura dei semiconduttori.
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