Hochreine Aluminiumoxidkeramik: Ein wichtiger Akteur der „Pro-Keramik“ in vier Schlüsselsektoren, der den Reiz der Reinheit unterstreicht

Hochreine Aluminiumoxidkeramik ist ein wichtiger keramischer Werkstoff, der hauptsächlich aus hochreinem, ultrafeinem Aluminiumoxid als Rohstoff besteht, wobei α-Al₂O₃ die vorherrschende Kristallphase darstellt. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wie hoher mechanischer Festigkeit, großer Härte, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist hochreine Aluminiumoxidkeramik ein wichtiger Werkstoff für die Keramikherstellung. Keramik ist Weit verbreitet in Maschinenbau, Elektronik, integrierten Schaltungen, Medizin und anderen Bereichen.

Es ist bekannt, dass Halbleiteranlagen eine große Anzahl von Präzisionsbauteilen verwenden. Keramische BauteileDiese können über 10 % der Kosten von Halbleiteranlagen ausmachen. Unter diesen werden Aluminiumoxidkeramiken häufig für Präzisionsbauteile verwendet.

Beispielsweise stellen die Kammermaterialien in Halbleiterätzanlagen eine Hauptursache für Waferverunreinigungen dar. Das Ausmaß, in dem das Plasmaätzen diese Materialien beeinflusst, bestimmt die Waferausbeute, die Qualität, die Prozessstabilität und weitere Faktoren. Daher ist die Forschung und Entwicklung hoch ätzbeständiger Kammermaterialien zu einer anspruchsvollen Aufgabe in der Halbleiterindustrie und der Plasmaätztechnologie geworden. Aktuell werden hochreine Al₂O₃-Beschichtungen oder Al2O3 KeramikAluminiumoxidkeramik wird hauptsächlich als Schutzmaterial für Ätzkammern und interne Komponenten eingesetzt. Neben der Kammer benötigen auch Komponenten wie Gasdüsen, Gasverteilerplatten und Wafer-Fixierungsringe in Plasmaanlagen hochreine Aluminiumoxidkeramik. Ein weiteres Beispiel ist der Wafer-Polierprozess, bei dem Aluminiumoxidkeramik in großem Umfang für Polierplatten, Polierpad-Konditionierungsplattformen, Vakuumspannfutter und weitere Komponenten verwendet wird.

Hochreine Aluminiumoxidkeramiken weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Durch druckloses Sintern hergestellte Keramiken erreichen eine Biegefestigkeit von etwa 250 MPa, während durch Heißpressen hergestellte Keramiken eine Biegefestigkeit von 500 MPa und eine Mohshärte von 9 GPa erreichen. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich hochreine Aluminiumoxidkeramiken für Anwendungen wie Schleifscheiben und Keramiknägel. Am weitesten verbreitet sind jedoch Schneidwerkzeuge und Kugeln aus hochreiner Aluminiumoxidkeramik. Aufgrund ihrer relativ geringen Bruchzähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit ist es häufig notwendig, eine zweite Phase, beispielsweise ZrO₂, in das Aluminiumoxid einzubringen, um die Zähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit hochreiner Aluminiumoxidkeramiken zu verbessern. Darüber hinaus lassen sich Festigkeit und Zähigkeit durch die Verfeinerung der Korngröße und die Herstellung hochreiner Aluminiumoxidkeramiken mit kleinen und gleichmäßig verteilten Körnern ebenfalls deutlich steigern.

Hochreine Aluminiumoxidkeramiken zeichnen sich durch geringe dielektrische Verluste bei hohen Frequenzen und hervorragende Isolationseigenschaften aus und eignen sich daher für die Herstellung von Isolierbauteilen, Keramiksubstraten und transparenten Aluminiumoxidkeramiken. Keramiksubstrate und transparente Aluminiumoxidkeramiken finden breite Anwendung und werden zunehmend in Spezialoptiken, Beleuchtungstechnik, Raumfahrtsystemen und weiteren Bereichen eingesetzt.

Im Bereich der Keramiksubstrate sind Aluminiumoxid-Keramiksubstrate das am weitesten verbreitete Basismaterial in der modernen Elektronikindustrie und dienen als Grundlage für integrierte Schaltkreise. Beispielsweise weisen gängige Substrate in der LED-Beleuchtung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 14–17 × 10⁻⁶/K auf. Bei signifikanten Temperaturunterschieden oder abrupten Temperaturänderungen dehnt sich die Leiterplatte deutlich stärker aus als das Chipgehäuse, was zu Problemen beim Entlöten führen kann. In diesem Zusammenhang ist der CTE von Aluminiumoxid-Keramiksubstraten dem von Chips ähnlicher, wodurch solche Probleme effektiv vermieden werden.

Seit Dr. Coble 1959 erstmals transparente Aluminiumoxidkeramik (auch bekannt als transparente polykristalline Aluminiumoxidkeramik) entwickelte und herstellte, haben Forschung und Anwendung dieser Keramik große Aufmerksamkeit erregt. Im Vergleich zu Glas bietet sie höhere Festigkeit, Härte und Zähigkeit sowie eine überlegene Verschleißfestigkeit. Im Vergleich zu einkristallinen Materialien erfordert sie niedrigere Herstellungstemperaturen und kürzere Produktionszyklen. Genau diese Eigenschaften machen sie zu einem Forschungsschwerpunkt und ermöglichen ihre breite Anwendung in der Optik, im Spezialinstrumentenbau, in der Beleuchtungstechnik, der Elektronik, der Hochtemperaturtechnik, der Landesverteidigung, im Militär, in der Luft- und Raumfahrt und vielen weiteren Bereichen. Beispielsweise können durch die Nutzung der Lichtdurchlässigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität von transparenter Aluminiumoxidkeramik Leuchtstoffröhren für Hochdruck-Natriumdampflampen hergestellt werden.

Biomedizinische Materialien können Körperfunktionen reparieren, ohne Nebenwirkungen zu verursachen. Gesundheitsorganisationen stellen sehr hohe Anforderungen an biomedizinische Materialien und fordern neben Biokompatibilität auch Ungiftigkeit, Umweltverträglichkeit, Langlebigkeit und weitere Eigenschaften. Aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität, mechanischen Eigenschaften und chemischen Stabilität rufen hochreine Aluminiumoxidkeramiken nach der Implantation im menschlichen Körper keine Abstoßungsreaktionen hervor. Sie finden breite Anwendung in der Herstellung von künstlichen Knochen, Schrauben, künstlichen Gelenken usw. und haben sich sowohl in der klinischen Praxis als auch in der Forschung etabliert.

Die besonderen Eigenschaften und Anwendungsgebiete hochreiner Aluminiumoxidkeramiken, die sie von gewöhnlicher Aluminiumoxidkeramik unterscheiden, beruhen auf ihrer hohen Reinheit. Gleichzeitig stellen die strengen Anforderungen an Partikelgröße, Dispersität usw. eine Herausforderung für die Herstellung hochreiner Aluminiumoxidpulver dar.