中国粉体网讯  透明陶瓷作为一种优秀的结构功能一体化材料，相较于其它具有可见光透过性能的材料，如单晶、玻璃等，透明陶瓷具有诸多优势。例如，单晶的生产周期长，成本高昂且难以实现大批量生产，而玻璃的强度硬度和耐热震性能较差。高质量的透明陶瓷不仅具有媲美单晶的透过率，还具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特点，且相对简单的制备工艺、低廉的成本和较短的制备周期，更有利于实现透明陶瓷的大批量生产。

透明陶瓷在半导体制程中的应用

近年来，透明陶瓷逐渐成为新一代无机透明材料，以替代单晶、玻璃等，应用于防护窗口、固体激光、固态照明、光电器件甚至生物医疗等军民领域。在半导体制程中，随着半导体晶体管尺寸急剧减小和卤素类等离子体能量增高，要求等离子刻蚀机的刻蚀腔体在晶圆刻蚀的时候需要保持越来越高的洁净度，而刻蚀腔体内表面部件材料被刻蚀，导致刻蚀机的核心部件刻蚀腔体寿命和可靠性大大被降低，因此，对刻蚀设备中内表面部件材料耐刻蚀性要求也越发重要，由于刻蚀腔体内表面部件形状复杂、孔槽类特征众多且尺寸大，在刻蚀机制造的时候必须多次安装刻蚀腔体内表面部件，这就要求刻蚀腔体内表面部件材料机械强度好，不太容易机械破坏。

随着半导体器件集成度的提升及先进制程的不断发展，半导体制造刻蚀工艺面临更高要求。刻蚀机内壁受高密度等离子体轰击，可能释放颗粒污染物，引发工艺漂移，严重时甚至导致电流短路和生产良率的下降。

当前，广泛应用的陶瓷腔体材料集中于氧化钇陶瓷，高纯氧化钇材料成本高且机械强度低，它的断裂韧性和抗弯强度分别只有1.1MPa·m^1/2和130MPa，这使得刻蚀机腔体部件在制造、运输或使用的时候容易损坏腔体内壁的高纯Y₂O₃材料。

刻蚀机的视窗镜对材料透光率、耐刻蚀性要求较高。当视窗镜的耐刻蚀性能较差时，视窗镜表面易变模糊，这也是视窗镜材料由氧化硅向氧化铝转变的发展趋势。

但是随着对刻蚀技术的要求不断提高，主要体现在对颗粒杂质控制要求以及刻蚀硅片尺寸增大，氧化铝的耐离子刻蚀性能很难满足大批量制造生产的要求。主要原因是氧化铝易被卤素等离子体反应生成易挥发的卤化物，其一在硅片上形成颗粒杂质，对晶圆形成污染，其二对刻蚀机腔体部件腐蚀降低设备的使用寿命。而Y₂O₃透明陶瓷在含氟等离子体中表现出非常好的耐腐蚀性能得到了极大的关注。

韩国材料科学研究所（KIMS）纳米材料研究部的马浩镇博士团队和釜山国立大学的李正宇教授研究团队共同开发出了全球首个应用于半导体制造工艺的透明抗等离子体高熵陶瓷。该团队脱离现有陶瓷材料——氧化钇（Y₂O₃）和氧化铝（Al₂O₃），在YAG（钇铝石榴石）成分的传统范畴，设计了一种全新的高熵陶瓷成分，并通过先进的烧结工艺技术开发出了致密度为99.9%的透明陶瓷，从而获得了致密的固态材料。该高熵陶瓷与传统材料大相径庭，它通过将5种以上的元素进行混合，并非形成杂质，而是形成了一种均匀结构的陶瓷，这种结构赋予了高熵陶瓷独特的性能。

与Y₂O₃材料相比，该高熵陶瓷的蚀刻率也仅为8.25%，因此表现出更为出色的耐久性；与蓝宝石相比，研究人员开发的高熵透明陶瓷的蚀刻率极低，仅为1.13%，这意味着能够产生更少的污染物颗粒，并具备更高的耐久性。

透明陶瓷高熵化发展

陶瓷材料高熵化的概念最初由Rost等在2015年提出，认为陶瓷多组分设计带来的高构型熵可以驱动多相混合物和单项固溶体之间的可逆相变。此后，高熵陶瓷的设计主要围绕着多组分带来的原子尺度结构变化进行，并尝试从高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应等角度入手。这4种效应是从高熵合金的研究引入至陶瓷领域，然而构型熵的变化对于陶瓷材料的制备和性能研究目前还不够充分。

CeNdCaSrBaF₁₂高熵透明陶瓷

这4种效应都是围绕着复杂组分的原子排列充分随机和无序的情况下提升材料性能。合理利用这4种效应，优化高熵陶瓷的设计思路和制备工艺，从而进一步得到具有出色的力学性能、高温稳定性和抗腐蚀性能的高熵材料。

高熵陶瓷近些年来发展出众多体系，从组成元素角度可以分为硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、氟化物等；从结构角度可以分为岩盐、萤石、石榴石、钙钛矿等体系。高熵化在力学、热学等层面对材料理化性能的提升使得各体系材料在结构陶瓷、热障涂层、储能、催化、热电材料等领域有更全能、更深入的应用前景。

透明陶瓷材料对结构设计和制备工艺要求苛刻，若考虑高熵化对材料组成元素的限制，高熵透明陶瓷材料体系的选择将受到挑战。广泛认为，各向同性的结构和合适的禁带宽度是陶瓷透明化的前提条件，考虑到多组分的引入不能使晶体结构产生过大的相变，往往需要在同族或同系中选择元素。因此，在众多的高熵陶瓷体系中，目前氟化物体系(XF₂)和氧化物中的倍半氧化物(X₂O₃)、石榴石结构(A₃B₅O₁₂)、钙钛矿结构(ABO₃)和缺陷萤石/烧绿石结构(A₂B₂O₇)有望实现透明陶瓷高熵化。

来源：

韩文瀚等：高熵化透明陶瓷研究进展

谭毅成：耐等离子体刻蚀钇基复合陶瓷的制备及其性能研究

（中国粉体网编辑整理/空青）

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