防静电黑色多孔氧化铝陶瓷及其制备方法与应用

本发明属于无机非金属材料，具体涉及一种防静电黑色多孔氧化铝陶瓷及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着微电子行业的不断发展，对高精度、高性能的元件装夹用真空吸盘的需求日益增长。在半导体晶圆加工中，真空吸盘需同时满足：材料具有多孔结构(孔隙率≥30％)以维持吸盘在负压条件下对晶圆的吸附；体积电阻率在109～1012ω·cm，以消除静电对晶圆损伤的影响；黑色外表(l*值＜35)避免杂光干扰光刻精度。

2、传统多孔氧化铝陶瓷通常为白色或灰色，难以满足特定场景(如半导体器件、海洋淡化、光热转换、电磁屏蔽)对黑色材料的需求。现有的黑色多孔氧化铝制备多采用二次还原和表面涂覆等工艺，存在步骤繁琐、着色不均、孔隙率与强度难以兼顾等问题。

3、中国专利cn 107406328a的黑色氧化铝陶瓷粉末是将fe2o3、nio、mno2和co2o3混合获得的混合物焙烧获得黑色颜料，然后根据配方称取al2o3、黑色颜料、sio2、tio2和la2o3，在混合装置中混合获得黑色氧化铝陶瓷粉末。所述黑色氧化铝陶瓷粉末添加溶剂、分散剂、粘合剂和增塑剂，经过研磨，在真空处理后流延成型以形成生坯，将所述生坯烧结以制备黑色氧化铝陶瓷体。该方法用物理混合的预合成黑色颜料(co2o3-fe2o3-mno2-nio焙烧产物)在流延成型中可能易因密度差异导致成分偏析，形成局部色差，并且颜料仅附着于al2o3颗粒表面，烧结后无法实现体相着色，切割或磨损后可能存在非黑色基体，而原料中的助剂tio2和la2o3易与着色剂生成高阻相(如la2ti2o7)，导致电阻率波动较大，影响材料的防静电特性。并且该制备方法能耗较高(需两次高温处理)，增加了制备成本，且流延成型的成型方式及烧结难以兼顾陶瓷的高孔隙率(＞30％)与高强度(＞60mpa)。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明通过设计特殊配比和特殊组成的着色剂，促使氧化铝和过渡金属氧化物着色剂在高温下原位生成稳定的尖晶石相，使黑色氧化铝陶瓷的着色更加稳定，而且，由于mn4+/fe3+等离子取代al3+时电荷不平衡导致金属位点空缺，进一步导致所述原位生成的尖晶石具有大量氧空位缺陷，d轨道电子易发生跃迁，形成窄带隙半导体，提供载流子，提高材料对光的吸收能力从而改善色度值，并显著降低氧化铝陶瓷的体积电阻率以达到防静电特性。因此，通过本发明可以获得具有防静电、高孔隙率、黑色色度优异、良好力学性能的黑色多孔氧化铝陶瓷。

2、第一方面，本发明提供一种防静电黑色多孔氧化铝陶瓷。所述防静电黑色多孔氧化铝陶瓷包括多孔的氧化铝陶瓷基体和均匀分布在所述氧化铝陶瓷基体中的(fexmnycozniw)al2o4尖晶石，所述(fexmnycozniw)al2o4尖晶石由氧化铝与由氧化铁、氧化钴、氧化镍和二氧化锰组成的过渡金属氧化物通过原位反应生成；其中，氧化铁、氧化钴、氧化镍和二氧化锰的质量比为(4～10)：(0.5～2)：(1.5～4)：(3～8)。

3、fe2o3/coo/nio/mno2与al2o3原位生成的(fexmnycozniw)al2o4(x+y+z+w＝1，且0.2≤x≤0.8，0.1≤y≤0.6，0.05≤z≤0.2,0.05≤w≤0.2)尖晶石，导致不同价态的金属离子在d-d轨道发生跃迁，氧空位导致缺陷能级的形成，进一步增大电子跃迁的概率，提高材料对光的吸收能力，并且部分离子的混合价态导致小极化子吸收(电荷转移跃迁)，进一步拓宽吸收光谱。

4、较佳地，所述(fexmnycozniw)al2o4尖晶石占防静电黑色多孔氧化铝陶瓷的质量百分比为15％～30％。如果(fexmnycozniw)al2o4尖晶石的含量低，则不利于黑色氧化铝陶瓷的纯正黑色显色；如果(fexmnycozniw)al2o4尖晶石的含量高，则会导致黑色氧化铝陶瓷的力学性能下降，甚至无法起到防静电效果。

5、较佳地，所述防静电黑色多孔氧化铝陶瓷的色度值l*＜35，气孔率(孔隙率)为35％～50％；优选地，所述防静电、黑色多孔氧化铝陶瓷材料的体积密度为2.0～2.6g/cm3，体积电阻率为1╳109～1╳1012ω·cm，抗压强度为65～150mpa。

6、第二方面，本发明提供所述的防静电黑色多孔氧化铝陶瓷的制备方法。所述制备方法包括：

7、(1)将氧化铝、着色剂、烧结助剂、造孔剂与粘结剂混合，得到混合料；所述着色剂为氧化铁、氧化钴、氧化镍和二氧化锰的混合物；所述氧化铝、着色剂、烧结助剂的质量比为(74～86)：(12～24)：2；

8、(2)将所得混合料与溶剂进行球磨、干燥、过筛后得到陶瓷粉料；

9、(3)将所述陶瓷粉料干压成型后进行冷等静压处理，得到预制体；

10、(4)将所述预制体经预烧后进行烧结得到防静电黑色多孔氧化铝陶瓷。

11、较佳地，步骤(1)中，所述烧结助剂为二氧化硅、碳酸钙和氧化镁的混合物；优选地，所述二氧化硅、碳酸钙和氧化镁的质量比为(0.5～1.5)：(0.1～3)：(0.1～6)。

12、较佳地，步骤(1)中，所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、碳、淀粉、面粉、蔗糖中的一种或多种的混合物；优选地，所述造孔剂的添加量为氧化铝、着色剂和烧结助剂总质量的30％～40％；更优选地，所述造孔剂的粒径为10～20μm。

13、较佳地，步骤(1)中，所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液；优选地，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％～12％；更优选地，所述粘结剂的添加量为氧化铝、着色剂和烧结助剂总质量的5％～20％。

14、较佳地，步骤(3)中，所述干压成型的压力为2～20mpa，保压时间为20～30秒；所述冷等静压处理的压力为150～300mpa，时间为5～30min。

15、较佳地，步骤(4)中，所述预烧的温度为500～800℃，时间为1～3h；所述烧结为常压烧结；优选地，所述常压烧结的温度为1250～1500℃，时间为2～5h。

16、第三方面，本发明提供所述的防静电黑色多孔氧化铝陶瓷在半导体器件中的应用。

17、有益效果，

18、(1)黑色显色稳定且纯正：通过在高温下使氧化铝和特定组成的过渡金属氧化物着色剂原位反应形成稳定的具有大量氧空位缺陷的尖晶石相，促进离子的转变，使陶瓷的着色更加稳定。

19、(2)色-孔-强协同调控：通过陶瓷材料与过渡金属氧化物的比例优化，在孔隙率≥35％时仍保持抗压强度≥65mpa，并且由于金属离子(fe3+、co2+、ni2+、mn4+等)的d轨道电子易发生跃迁，形成窄带隙半导体，提供载流子，从而显著降低了陶瓷的体积电阻率，以达到防静电特性。

20、(3)通过一次合成法将着色剂与造孔剂同步引入，在单一烧结过程中同步实现了高孔隙率和黑色着色的效果，简化了制备的工艺流程。

21、(4)相比传统两步烧结法，本发明生产周期较短，且造孔剂在国内市场供应充足、价格更低廉且更易国产化，使高性能陶瓷的低成本化制备成为可能。