Ahogy a félvezető gyártási folyamatok a nanométeres{0}}léptékű csomópontok felé haladnak, az alapvető folyamatberendezések, például a maratógépek és a vékony{1}}film-leválasztó rendszerek egyre szigorúbb követelményekkel szembesülnek a feldolgozási pontosság, tisztaság és hozam tekintetében. Ebben az összefüggésben a precíziós kerámia alkatrészek kulcsfontosságúak a folyamat stabilitásának biztosításában. Ezek közül az alumínium-oxid kerámia szerkezeti részek a precíziós kerámia alkatrészek piacának hozzávetőleg 45%-át teszik ki, így ezek a legszélesebb körben használtak. Hogyan válik tehát az alapanyagnak tűnő alumínium-oxid kerámia számos félvezető berendezés nélkülözhetetlen "standard anyagává"?
A timföldkerámiák félvezetőgyártásának alapvető követelményei
A félvezetőgyártás "extrém körülmények között végzett kényes feladat", amely magában foglalja a magas hőmérsékletet, az erős korróziót, a nagy feszültséget és a precíziós súrlódást. Az alumínium-oxid kerámia szerkezeti részek olyan nehezen--illeszthető tulajdonságok kombinációjával tűnnek ki, mint a korrózióállóság, a magas-hőmérsékletállóság, a nagy tisztaság és a magas szigetelés, amelyek tökéletesen megfelelnek a félvezetőipar szigorú követelményeinek:
Plazma erózióállóság: A maratási eljárások során ellenáll az erősen korrozív plazmának, elkerülve a szemcsés szennyeződést.
Hőütésállóság és méretstabilitás: A gyakori hőmérséklet-változásokkal járó leválasztási folyamatok során megőrzi a mikron{0}}szintű pontosságot, biztosítva a lapkák pontos pozicionálását.
Magas tisztaság: Ultra{0}}tiszta környezetben, mint például a fotolitográfiában és az ellenőrzésben, szinte semmilyen részecskét nem bocsát ki, így megőrzi a hozamot.
Jelenleg a félvezető berendezésekben használt timföldkerámiák tisztasága általában 99,5% feletti, a maratási minőségű timföldkerámiák 99,8% feletti tisztaságot érnek el, sőt 4N-t (99,99%) is elérnek. Ezek az anyagok átlátszónak vagy félig{6}}átlátszónak tűnnek, teljesítménymutatóik pedig az egy-kristály zafíréhoz hasonlíthatók. Sőt, finom szemcsés szerkezetüknek köszönhetően bizonyos tulajdonságok, például a hajlítószilárdság és a nyomószilárdság akár meg is haladhatják az egykristályos zafír tulajdonságait.
Előkészítési folyamatok és fejlesztési trendek
A timföldkerámia alkatrészek előállítása egy multidiszciplináris rendszermérnöki folyamat, amely elsősorban por-előkészítést, alakítást, szinterezést, precíziós megmunkálást, minőségellenőrzést és felületkezelést foglal magában. Ezek közül az alakítási és szinterezési eljárások döntő hatással vannak a timföldkerámia anyagok mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, így a timföldkerámia gyártás két kritikus lépése.
(1) Por készítése
A nagy-tisztaságú alumínium-oxid nyersanyagok adagolásán, mechanikus golyós őrlésén és porlasztva szárításán esnek át, hogy egyenletes szemcseméretű és jó folyóképességű granulált port kapjanak.
(2) Alakítási folyamat
A formázás során az alumínium-oxid port kerámia zöld testté alakítják. Az alkatrész alakjától és pontossági követelményeitől függően olyan módszereket választanak ki, mint a száraz sajtolás, az izosztatikus préselés, a szalagöntés vagy a fröccsöntés. Jelenleg a száraz sajtolást hidegizosztatikus préseléssel kombinálva elsősorban alumínium-oxid nyersdarabok készítésére használják.
(3) Magas{1}}hőmérsékletű szinterezés
A szinterezés magában foglalja a por hevítését a részecskék kötődésének indukálására, ami anyagvándorláshoz, sűrűsödéshez és átkristályosodáshoz vezet. A nyersanyag tömörítésére olyan módszereket alkalmaznak, mint a nyomás nélküli szinterezés, a forró sajtolás vagy a forró izosztatikus préselés. A nagy-tisztaságú alumínium-oxid általában 1600–1800 fokos szinterezési hőmérsékletet igényel.
(4) Precíziós megmunkálás
CNC esztergagépek és köszörűk segítségével a szinterezett testet vágják, esztergálják, köszörülik, marják és fúrják a kívánt kerámia alkatrészek előállításához. A kerámia CNC-megmunkálása a számítógépek által vezérelt kivonó gyártási folyamatra utal, amely a gépek és forgácsolószerszámok működtetését és manipulálását végzi, mikron{1}}szintű méretpontosságot érve el, és biztosítja a több alkatrész konzisztenciáját.
(5) Felületkezelés és minőségellenőrzés
A félvezetőipar rendkívül magas tisztasági követelményeket támaszt. A minőségellenőrzésen átesett félvezető kerámia alkatrészek további felülettisztításon esnek át, jellemzően olyan módszerekkel, mint a savas, lúgos vagy szerves oldószeres tisztítás. A tisztítás és szárítás után a termékek minőségét újra-ellenőrzik. A minősített termékeket ezután tiszta helyiségben csomagolják.
A speciális követelményeket támasztó kerámia alkatrészek esetében további felületkezelések alkalmazhatók, például ívpermetezés, plazmapermetezés, elektrosztatikus permetezés, gőzleválasztás, ultra-tiszta tisztítás, eloxálás vagy fémezés a működési szabványok teljesítése érdekében.
