Az olyan magfélvezető eljárásoknál, mint a maratás, a vékony-film leválasztás és az ionimplantáció, a berendezés belsejében lévő alkatrészeknek hosszú ideig stabilan kell működniük szélsőséges plazmakörnyezetben, magas feszültségben, korrozív gázokban és gyakori hőciklusban. A fejlett kerámiaanyagok, mint például az alumínium-oxid, alumínium-nitrid, szilícium-karbid és szilícium-nitrid, nagy keménységükkel, nagy ellenállásukkal, kiváló plazmaeróziós ellenállásukkal és jó termikus illeszkedésükkel pótolhatatlan kulcsfontosságú anyagokká váltak. Nagy keménységük, nagy ridegségük és alacsony törési szívósságuk azonban gyártási kihívásokat is jelent. Ezen túlmenően, ahogy a feldolgozóipar a miniatürizálás, az integráció és a multifunkcionalitás felé halad, a félvezető kerámiákkal szemben támasztott alakkövetelmények az egyszerű lemezektől, tömböktől és rudaktól összetett szerkezetekké fejlődtek, például szabálytalan formák, porózus jellemzők, vékony falak és összetett ívelt felületek. Példák a félvezető berendezések által igényelt tipikus összetett -formájú kerámia alkatrészekre:
(1) Elektrosztatikus tokmányok (ESC): nagy-sűrűségű mikro-lyuktömböket, összetett gázcsatorna-utakat és mikro-ütközési tömböket tartalmaznak az egyenletes lapkatartás érdekében.
(2) Maratási kamra szigetelőelemei: például gázzuhanyfejek, fókuszgyűrűk, szigetelőgyűrűk stb., amelyek gyakran ívelt profilokkal, nem-egyenletes vastagságú karimaszerkezettel, nagyszámú finom mikro-lyukkal és szabálytalan csatlakozási hornyokkal rendelkeznek.
(3) Precíziós érzékelőházak: vékony falakkal, zárt vagy félig{1}}zárt belső üregekkel, menetes interfészekkel, apró vezetékfuratokkal stb.
Ezek az összetett formák szigorú követelményeket támasztanak a kerámiagyártási folyamatokkal szemben, amelyek messze túlmutatnak a hagyományos szerkezeti részeken. A következő részek három fő szakaszban elemzik a műszaki kihívásokat és a lehetséges megoldásokat: alakítás, szinterezés és precíziós megmunkálás.
1. Alakítás
A formázás az első kritikus lépés az összetett{0}}formájú félvezető kerámiák előállításában. Az olyan alkatrészek, mint az elektrosztatikus tokmányok, a maratókamra szigetelő részei és a precíziós érzékelőházak egységes belső szerkezetet és közel -nettó alakpontosságot igényelnek. Az olyan hagyományos formázási módszereket, mint a száraz sajtolás és a csúszóöntés a formageometria korlátozza, és nem tudnak megfelelni az összetett formák változatos, egyedi igényeinek. Ezen túlmenően összetett -formájú zöldtestek kialakítása során a különböző régiókban előforduló egyenetlen terhelési és töltési sebességek gyakran nem egyenletes sűrűségeloszlást, méreteltéréseket, rétegválást és repedéseket okoznak a szétszerelés során fellépő feszültségkoncentráció miatt. Jelenleg a komplex -formájú félvezető kerámiákhoz alkalmas fő alakítási eljárások a következők:
1.1 Gél öntvény
Ez a folyamat magában foglalja az alacsony-viszkozitású, nagy-szilárd-töltetű kerámiaszuszpenzió befecskendezését a formába, szerves monomerek, térhálósítók és iniciátorok hozzáadását, hogy indukálják az in-polimerizációt, és zöld testet képezzenek. Közvetlenül összetett -formájú alkatrészeket tud alkotni, és a zöld test minimális deformációt mutat szárítás és szinterezés során, ami nagy méretpontosságot és alacsonyabb megmunkálási költségeket eredményez. Az in{7}}situ polimerizáció egyenletesen diszpergálja és rögzíti a kerámia részecskéket egy háromdimenziós hálózatban, elkerülve a részecskék ülepedése vagy egyenetlen eloszlása által okozott sűrűséggradienseket, így különösen alkalmas nagy-méretű, vékony falú komplex komponensekhez.
1.2 Kerámia fröccsöntés (CIM)
A CIM egy közel{0}}nettó alakú folyamat is. Az eljárás során a kerámiaport összekeverik szerves kötőanyagokkal és lágyítószerekkel, így nyersanyagot állítanak elő, olvadt állapotúra melegítik, nyomás alatt fémformába fecskendezik, megszilárdul hűtik, formázzák, majd lekötik és szinterelik a végterméket. A hagyományos csúszóöntéshez képest a CIM merev formába préselt lágyított anyagot használ, elkerülve az összetételi szegregációt. A száraz sajtoláshoz képest a CIM egyenletesebb zöldsűrűséget biztosít az áramlási töltés, a sűrűség leküzdése, a mikrostruktúra és a teljesítmény inhomogenitása miatt. Alkalmas kisméretű, nagy teljesítményű, összetett formájú-alkatrészek, például érzékelőházak és kis szigetelőgyűrűk költséghatékony tömeggyártására-.
1.3 Izosztatikus préselés
Tengelyszimmetrikus összetett alkatrészekhez, mint például a fókuszgyűrűk, izosztatikus préselés használható. A port egy rugalmas formába zárják, és egy nagynyomású edényben folyékony vagy gáz halmazállapotú közegbe merítik. Egy külső nyomástartó rendszer (pl. hidraulikus szivattyú) nagy nyomást fejt ki a folyadékra. Mivel a folyadék vagy a gáz összenyomhatatlan, a nyomás egyenletesen továbbítódik a forma belsejében lévő anyagfelületre, így minden irányban egyenletes nyomás érhető el, és elkerülhető a nyomásgradiensek miatti sűrűség egyenetlenségei.
1.4 3D-nyomtatás
A rendkívül összetett belső csatornákkal rendelkező alkatrészeknél (pl. ESC prototípusok hűtőkörrel) a digitális fényfeldolgozás (DLP) vagy a közvetlen tintaírással összekapcsolt csatornákat hozhat létre, amelyek a hagyományos formákkal lehetetlenek. Ezt a technológiát azonban jelenleg korlátozza a zagy alacsonyabb szilárdanyag-terhelése, ami alacsonyabb szinterezett sűrűséget és nagyobb zsugorodást eredményez.
2. Szinterezés
A szinterezés a zöld testet sűrű kerámiává alakítja, jellemzően 15-25%-os lineáris zsugorodás kíséretében. Az összetett -formájú részek esetében a vastagságváltozások anizotróp zsugorodást okoznak. A nem egyenletes hőmérséklet- vagy feszültségmezőkkel kombinálva ez ronthatja a jellemzők méretpontosságát, és ami még súlyosabb, vetemedést, repedést vagy összeomlást okozhat. Ezért a szinterezési folyamat optimalizálása a zsugorodási sebesség-különbségek csökkentésére, az abnormális szemcsenövekedés visszaszorítására, a hőmérsékleti mező homogenizálására és a hőfeszültség minimalizálására összpontosít. Az összetett formákhoz alkalmas szinterezési módszerek a következők:
2.1 Meleg sajtolás
Egytengelyű vagy izosztatikus nyomás alkalmazása a zöld testre a szinterezés során további tömörítési hajtóerőt biztosít, csökkenti a szinterezési hőmérsékletet, elnyomja a rendellenes szemcsenövekedést, és segít megőrizni az összetett alakzatokat. Alkalmas elektrosztatikus tokmányokhoz és zuhanyfejekhez.
2.2 Gáznyomásos szinterezés
Az inert gáz (pl. nitrogén) nyomás alkalmazása a magas hőmérsékletű szinterezés során gátolja az anyag lebomlását és elpárolgását, jelentősen csökkenti a zárt porozitást, és egyenletes nyomást biztosít az anyag felületén a gáznemű közeg miatt. Alkalmas összetett -formájú kerámia alkatrészek szinterezésére.
2.3 Szikraplazma szinterezés (SPS)
Az SPS során egy impulzusos egyenáram azonnali szikraplazmát hoz létre, ami egyenletes Joule-melegedést és az egyes részecskék felületi aktiválását okozza. Mivel a sűrűsödés a különböző vastagságokban szinte egyszerre megy végbe, és a hőmérsékleti mező rendkívül egyenletes, az SPS nagymértékben csökkenti a zsugorodási sebesség különbségeit. Az áramkorlátot azonban a kamra mérete jelenti, így alkalmas érzékelőházakhoz vagy kisméretű szigetelő alkatrészekhez.
2.4 Mikrohullámú szinterezés
A mikrohullámú szinterezés elektromágneses mezőt használ az anyagon belüli elektronok, ionok vagy dipólusok polarizációjának indukálására, a mikrohullámú energiát hővé alakítva dielektromos, vezetőképes vagy mágneses veszteségek révén, egyenletes térfogati melegítést biztosítva. A hagyományos vezetőképes fűtéssel ellentétben a mikrohullámú szinterezés belülről melegszik, gyors felfutási sebességgel és kis hőmérsékleti gradienssel, csökkentve a termikus gradiensek által okozott deformációkat és repedéseket.
3. Precíziós megmunkálás
A szinterezett kerámia alkatrészek gyakran csiszolást, lapolást, polírozást, sőt lézeres feldolgozást igényelnek, hogy a -mikron alatti mérettűréseket és a nanométeres felületi érdességeket elérjék a félvezető -minőségű alkalmazásokhoz. A kerámiák nagy keménysége és törékenysége azonban gyors szerszámkopást (csiszolókorongok, vágószerszámok) és magas megmunkálási költségeket okoz. Ezen túlmenően, az anyag hajlamos az élek betörésére, felületi mikrorepedésre, és a csiszolóerő hatására a felszín alatti sérülésekre. Sűrű, finom elemekhez, amelyek jó élminőséget igényelnek,-mint például az ESC ütőtömbök és a zuhanyfejben lévő több ezer mikro-lyuk-a hagyományos csiszolási és átlapolási módszerek gyakran nem megfelelőek. A túlzott érintkezési erő miatt vagy élletörést okoznak, vagy nem érik el egyenletesen a belső falakat és a nyílásokat. Ennek eredményeként az összetett-formájú kerámiákhoz számos érintésmentes vagy alacsony{11}}érintéses{11}}erejű, ultra{13}}megmunkálási technikát fejlesztettek ki, beleértve a csiszolófolyadékos polírozást, a lézeres fúrást/polírozást, a magnetorheológiai folyadékpolírozást és a plazma{15}polírozást.
3.1 Abrazív áramlásos polírozás
Az ESC hátoldalán több száz és több ezer mikro-lyukkal és mély gázcsatornákkal rendelkező zuhanyfej alsó felületei esetén a koptató áramlású polírozás egy félszilárd, viszkoelasztikus csiszolóközeget használ, amely ultrafinom csiszolóanyagot tartalmaz. Hidraulikus hajtás esetén a közeg ismételten átfolyik a lyukakon. A nyílásnál a közeg összenyomódik, egyenletes csúszókopást eredményezve, amely eltávolítja a sorját és sima, lekerekített éleket képez.
3.2 Lézeres feldolgozás és polírozás
A szinterezés után eltömődött vagy alakváltozással rendelkező mikro-lyukak esetén femtoszekundumos vagy pikoszekundumos lézereket használnak a lyukak pontos korrekciójához. A femtoszekundumos lézerek rendkívül rövid impulzusszélességűek; az energia olyan gyorsan elnyelődik és felszabadul, hogy a hő nem diffundál a környező területre, ami egy 0,01 μm alatti hő-zónát és mikrorepedésektől és újraöntött rétegektől mentes lyukfalat eredményez. A lézeres polírozás alacsony-energiájú-sűrűségű lézersugarak segítségével gyors pásztázást végez a kerámia felületén, és olyan sekély felületi olvadást eredményez, amely nagy-precíziós polírozást tesz lehetővé, elkerülve a felületi karcolásokat, deformációt vagy a súrlódás és nyomás okozta kopást a hagyományos polírozás során. Könnyedén kezeli az összetett 3D-s ívelt felületeket, mikrostruktúrákat vagy lokalizált területeket, így különösen alkalmas az érzékelőházak belső üregeihez, amelyekhez a csiszolószerszámok hozzáférhetetlenek.
3.3 Magnetorheológiai folyadékpolírozás
A magnetorheológiai folyadékpolírozás mikron{0}}méretű karbonil-vasport és csiszolószemcséket diszpergál a hordozófolyadékban, és erős mágneses térben szabályozható-viszkozitású "rugalmas polírozószerszámot" képez. Amikor a mágneses teret lokálisan alkalmazzák a kerámia munkadarab felületére, a magnetorheológiai folyadék gyorsan megszilárdul a polírozó zónában, és az anyag eltávolítása kombinált nyomás és nyíróáramlás hatására történik. Ez a módszer nagy felületi pontosságot és jó folyamatszabályozhatóságot kínál, különösen alkalmas összetett ívelt felületekhez, vékony falakhoz, belső falakhoz és más nehezen elérhető felületekhez, valamint olyan precíziós megmunkálási forgatókönyvekhez, amelyek magas felületi integritást és alacsony felszín alatti károsodást igényelnek.
3.4 Plazma{1}}polírozás (PAP)
A PAP egy polírozási módszer, amely először plazma segítségével módosítja a kerámia felületet, hogy lágyabb, módosított réteget képezzen, majd ezt követi a finom csiszoló polírozás a hatékony anyageltávolítás érdekében. Nagy eltávolítási hatékonyságot, atomosan sík felületeket és a felszín alatti sérülésmentességet kínál. A gázáramlás és az elektromos mezők szabályozásával egységesen képes kezelni az összetett ívelt felületeket, belső üregeket, mikro-lyukakat és egyéb, hagyományos polírozással nehezen hozzáférhető helyeket, így minden körben megmunkálható.