I kjernehalvlederprosesser som etsing, tynn-filmavsetning og ioneimplantasjon, må komponentene inne i utstyret fungere stabilt i lange perioder under ekstreme plasmamiljøer, høye spenninger, korrosive gasser og hyppige termiske sykluser. Avanserte keramiske materialer som alumina, aluminiumnitrid, silisiumkarbid og silisiumnitrid, med sin høye hardhet, høye resistivitet, utmerkede plasmaerosjonsbestandighet og gode termiske tilpasninger, har blitt uerstattelige nøkkelmaterialer. Imidlertid utgjør deres høye hardhet, høye sprøhet og lave bruddseighet også produksjonsutfordringer. Videre, ettersom nedstrømsindustrien beveger seg mot miniatyrisering, integrasjon og multifunksjonalitet, har formkravene for halvlederkeramikk utviklet seg fra enkle plater, blokker og stenger til komplekse strukturer som uregelmessige former, porøse egenskaper, tynne vegger og komplekse buede overflater. Eksempler på typiske komplekse-formede keramiske komponenter som kreves av halvlederutstyr inkluderer:
(1) Elektrostatiske chucker (ESC): inneholder mikro-mikro-oppstillinger med høy tetthet, komplekse gasskanalbaner og mikro-bump-arrayer for jevn waferstøtte.
(2) Etsekammerisolasjonskomponenter: slik som gassdusjhoder, fokusringer, isolasjonsringer osv., ofte med buede profiler, flensstrukturer med ujevn tykkelse, et stort antall fine mikro-hull og uregelmessige tilkoblingsspor.
(3) Presisjonssensorhus: med tynne vegger, lukkede eller semi-lukkede indre hulrom, gjengede grensesnitt og små blyhull osv.
Disse komplekse formene stiller strenge krav til keramiske produksjonsprosesser som går langt utover konvensjonelle konstruksjonsdeler. De følgende delene analyserer de tekniske utfordringene og mulige løsninger i tre nøkkeltrinn: forming, sintring og presisjonsmaskinering.
1. Forming
Forming er det første kritiske trinnet i å produsere kompleks-formet halvlederkeramikk. Komponenter som elektrostatiske chucker, etsekammerisolasjonsdeler og presisjonssensorhus krever ensartet indre struktur og nesten-nettoformpresisjon. Konvensjonelle formingsmetoder som tørrpressing og slipstøping er begrenset av formgeometri og kan ikke møte de forskjellige, individualiserte kravene til komplekse former. I tillegg, under dannelse av komplekse-formede grønne kropper, fører ujevn lasting og fyllingshastigheter i forskjellige regioner ofte til ujevn tetthetsfordeling, dimensjonsavvik, delaminering og sprekker på grunn av spenningskonsentrasjon under avformingen. For tiden inkluderer de viktigste formingsprosessene som er egnet for kompleks-formet halvlederkeramikk:
1.1 Gelstøping
This process involves injecting a low-viscosity, high-solid-loading ceramic slurry into a mold, adding organic monomers, crosslinkers, and initiators to induce in-situ polymerization and form a green body. It can directly form complex-shaped parts, and the green body exhibits minimal deformation during drying and sintering, resulting in high dimensional accuracy and reduced subsequent machining costs. The in-situ polymerization uniformly disperses and immobilizes ceramic particles in a three-dimensional network, avoiding density gradients caused by particle sedimentation or uneven distribution, making it especially suitable for large-sized, thin-walled complex components.
1.2 Keramisk sprøytestøping (CIM)
CIM er også en nesten-net formprosess. Prosedyren innebærer å blande keramisk pulver med organiske bindemidler og myknere for å danne et råmateriale, varme det opp til smeltet tilstand, injisere det under trykk i en metallform, avkjøling for å stivne, fjerne formen, deretter avbinding og sintring for å oppnå sluttproduktet. Sammenlignet med tradisjonell slip-støping, bruker CIM et plastifisert materiale presset i en stiv form, og unngår komposisjonssegregering. Sammenlignet med tørrpressing gir CIM mer jevn grønn tetthet på grunn av flytfylling, overvinnende tetthet, mikrostruktur og ytelsesinhomogeniteter. Den er egnet for kostnadseffektiv-masseproduksjon av små,-høyytelsesdeler med komplekse former, for eksempel sensorhus og små isolasjonsringer.
1.3 Isostatisk pressing
For aksesymmetriske komplekse deler som fokusringer, kan isostatisk pressing brukes. Pulveret forsegles i en fleksibel form og senkes i et flytende eller gassformig medium inne i en- høytrykksbeholder. Et eksternt trykksettingssystem (f.eks. en hydraulisk pumpe) påfører væsken høyt trykk. Fordi væsken eller gassen er inkompressibel, overføres trykket jevnt til materialoverflaten inne i formen, og oppnår jevnt trykk i alle retninger og unngår ujevnheter i tettheten på grunn av trykkgradienter.
1.4 3D-utskrift
For deler med ekstremt komplekse interne kanaler (f.eks. ESC-prototyper med kjølekretser), kan digital lysbehandling (DLP) eller direkte blekkskriving skape sammenkoblede kanaler umulig med tradisjonelle former. Imidlertid er denne teknologien for tiden begrenset av lavere fast belastning av slurryen, noe som resulterer i lavere sintret tetthet og større krymping.
2. Sintring
Sintring forvandler den grønne kroppen til en tett keramikk, vanligvis ledsaget av 15–25 % lineær krymping. For komplekse-formede deler forårsaker tykkelsesvariasjoner anisotropisk krymping. Kombinert med ikke-uniforme temperatur- eller spenningsfelt, kan dette forringe funksjonens dimensjonsnøyaktighet og, i større grad, forårsake vridning, sprekker eller kollaps. Derfor fokuserer sintringsprosessoptimalisering på å redusere krympingshastighetsforskjeller, undertrykke unormal kornvekst, homogenisere temperaturfeltet og minimere termisk stress. Sintringsmetoder egnet for komplekse former inkluderer:
2.1 Varmpressing
Påføring av uniaksialt eller isostatisk trykk på den grønne kroppen under sintring gir ytterligere fortettingsdrivkraft, senker sintringstemperaturen, undertrykker unormal kornvekst og bidrar til å opprettholde komplekse funksjonsformer. Egnet for elektrostatiske chucker og dusjhoder.
2.2 Gasstrykksintring
Påføring av inert gass (f.eks. nitrogen) trykk under høy-temperatursintring hemmer materialnedbrytning og fordampning, reduserer lukket porøsitet betydelig og sikrer jevnt trykk på materialoverflaten på grunn av det gassformige mediet. Egnet for sintring av komplekse-formede keramiske komponenter.
2.3 Spark plasma sintring (SPS)
Under SPS genererer en pulset likestrøm øyeblikkelig gnistplasma, noe som forårsaker jevn Joule-oppvarming og overflateaktivering av individuelle partikler. Fordi fortetting på tvers av forskjellige tykkelser skjer nesten samtidig og temperaturfeltet er ekstremt jevnt, reduserer SPS i stor grad forskjeller i krympehastigheter. Strømbegrensningen er imidlertid kammerstørrelsen, noe som gjør den egnet for sensorhus eller små isolerende deler.
2.4 Mikrobølgesintring
Mikrobølgesintring bruker et elektromagnetisk felt for å indusere polarisering av elektroner, ioner eller dipoler i materialet, og konverterer mikrobølgeenergi til varme gjennom dielektriske, ledende eller magnetiske tap, og oppnår jevn volumetrisk oppvarming. I motsetning til konvensjonell ledende oppvarming, varmes mikrobølgesintring innenfra, med raske rampehastigheter og små temperaturgradienter, noe som reduserer defekter som deformasjon og sprekker forårsaket av termiske gradienter.
3. Presisjonsbearbeiding
Sintrede keramiske komponenter krever ofte sliping, lapping, polering og til og med laserbehandling for å oppnå sub-mikron dimensjonelle toleranser og nanometer overflateruhet for bruk i halvleder-kvalitet. Imidlertid forårsaker den høye hardheten og sprøheten til keramikk rask verktøyslitasje (slipeskiver, skjæreverktøy) og høye maskineringskostnader. Dessuten er materialet utsatt for kantflis, overflatemikrosprekker og skader under overflaten under slipekrefter. For tette, fine funksjoner som krever høy kantkvalitet-som ESC-bump-arrayer og tusenvis av mikro-hull i et dusjhode-er konvensjonelle slipe- og lappingmetoder ofte utilstrekkelige. De forårsaker enten kantflis på grunn av overdreven kontaktkraft eller kan ikke jevnt nå innervegger og åpninger. Som et resultat er det utviklet en rekke ikke-kontakt eller lav-kontakt-kraft ultra-presisjonsmaskineringsteknikker for kompleks-formet keramikk, inkludert slipende strømningspolering, laserboring/polering, magnetoreologisk væskepolering og plasmaassistert polering{{15}.}
3.1 Abrasive flow polering
For dusjhodets bunnoverflater med hundrevis til tusenvis av mikro-hull og dype gasskanaler på baksiden av en ESC, bruker slipende strømningspolering et semi-fast, viskoelastisk slipende medium som inneholder ultra-fine slipemidler. Drevet hydraulisk strømmer mediet gjentatte ganger gjennom hullene. Ved åpningen presses mediet, og produserer jevn glidende slitasje som fjerner grader og danner jevne avrundede kanter.
3.2 Laserbehandling og polering
For mikro-hull som er blokkert eller har formavvik etter sintring, brukes femtosekund- eller pikosekundlasere for nøyaktig hullkorreksjon. Femtosekundlasere har ekstremt korte pulsbredder; energien absorberes og frigjøres så raskt at varmen ikke diffunderer til området rundt, noe som resulterer i en varme-påvirket sone under 0,01 μm og hullvegger fri for mikrosprekker og omstøpte lag. Laserpolering bruker laserstråler med lav-energi-tetthet for raskt å skanne den keramiske overflaten, noe som forårsaker en grunn overflatesmelting som oppnår høy-presisjonspolering, og unngår overflateriper, deformasjoner eller slitasje forårsaket av friksjon og trykk ved konvensjonell polering. Den kan enkelt håndtere komplekse 3D-buede overflater, mikrostrukturer eller lokaliserte områder, noe som gjør den spesielt egnet for indre hulrom i sensorhus som er utilgjengelige for slipende verktøy.
3.3 Magnetorheologisk væskepolering
Magnetorheologisk væskepolering sprer mikron-størrelse karbonyljernpulver og slipende partikler i en bærervæske, og danner et kontrollerbart -viskositets-"fleksibelt poleringsverktøy" under et sterkt magnetfelt. Når magnetfeltet påføres lokalt på den keramiske arbeidsstykkets overflate, størkner den magnetoreologiske væsken raskt i poleringssonen, og materialfjerning skjer under kombinert trykk- og skjærstrøm. Denne metoden tilbyr høy overflatenøyaktighet og god prosesskontrollerbarhet, spesielt egnet for komplekse buede overflater, tynne vegger, innervegger og andre vanskelige-å-overflater, samt presisjonsmaskineringsscenarier som krever høy overflateintegritet og lav undergrunnsskade.
3.4 Plasma-assistert polering (PAP)
PAP er en poleringsmetode som først modifiserer den keramiske overflaten ved hjelp av plasma for å danne et mykere modifisert lag, etterfulgt av skånsom slipende polering for å oppnå effektiv materialfjerning. Den tilbyr høy fjerningseffektivitet, atomisk flate overflater og ingen skade under overflaten. Ved å kontrollere gassstrømmen og elektriske felt kan den behandle komplekse buede overflater, indre hulrom, mikro-hull og andre områder som er vanskelig tilgjengelige med konvensjonell polering, og oppnå all-behandling.