Bij kernhalfgeleiderprocessen zoals etsen, dunne-filmafzetting en ionenimplantatie moeten de componenten in de apparatuur gedurende lange perioden stabiel functioneren onder extreme plasma-omgevingen, hoge spanningen, corrosieve gassen en frequente thermische cycli. Geavanceerde keramische materialen zoals aluminiumoxide, aluminiumnitride, siliciumcarbide en siliciumnitride, met hun hoge hardheid, hoge weerstand, uitstekende weerstand tegen plasma-erosie en goede thermische aanpassing, zijn onvervangbare sleutelmaterialen geworden. Hun hoge hardheid, hoge brosheid en lage breuktaaiheid brengen echter ook productieproblemen met zich mee. Naarmate de stroomafwaartse industrie zich beweegt in de richting van miniaturisering, integratie en multifunctionaliteit, zijn de vormvereisten voor halfgeleiderkeramiek bovendien geëvolueerd van eenvoudige platen, blokken en staven naar complexe structuren zoals onregelmatige vormen, poreuze kenmerken, dunne wanden en complexe gebogen oppervlakken. Voorbeelden van typische complex-gevormde keramische componenten die vereist zijn voor halfgeleiderapparatuur zijn onder meer:
(1) Elektrostatische klauwplaten (ESC): met micro--gaatjes met hoge-dichtheid, complexe gaskanaalpaden en micro-bump-arrays voor uniforme wafelondersteuning.
(2) Isolatiecomponenten van de etskamer: zoals gasdouchekoppen, focusringen, isolatieringen, enz., vaak met gebogen profielen, niet-flensstructuren met uniforme dikte, een groot aantal fijne micro-gaten en onregelmatige verbindingsgroeven.
(3) Precisiesensorbehuizingen: met dunne wanden, gesloten of half{1}}gesloten interne holtes, interfaces met schroefdraad en kleine loden gaten, enz.
Deze complexe vormen stellen strenge eisen aan keramische productieprocessen die veel verder gaan dan conventionele structurele onderdelen. De volgende paragrafen analyseren de technische uitdagingen en mogelijke oplossingen in drie belangrijke fasen: vormen, sinteren en precisiebewerking.
1. Vorming
Vormen is de eerste cruciale stap bij het produceren van complex-gevormde halfgeleiderkeramiek. Componenten zoals elektrostatische klauwplaten, isolatieonderdelen voor de etskamer en precisiesensorbehuizingen vereisen een uniforme interne structuur en bijna-netto vormnauwkeurigheid. Conventionele vormmethoden zoals droogpersen en slipgieten worden beperkt door de matrijsgeometrie en kunnen niet voldoen aan de uiteenlopende, geïndividualiseerde eisen van complexe vormen. Bovendien leiden ongelijkmatige laad- en vulsnelheden in verschillende regio's tijdens het vormen van complexe-gevormde groene lichamen vaak tot een niet-uniforme dichtheidsverdeling, maatafwijkingen, delaminatie en scheuren als gevolg van spanningsconcentratie tijdens het ontvormen. Momenteel zijn de belangrijkste vormprocessen die geschikt zijn voor complex-gevormde halfgeleiderkeramiek:
1.1 Gelgieten
Dit proces omvat het injecteren van een keramische slurry met een lage- viscositeit en een hoge- vaste -lading in een mal, waarbij organische monomeren, crosslinkers en initiatoren worden toegevoegd om in- situ polymerisatie te induceren en een groen lichaam te vormen. Het kan direct complexe-vormdelen vormen, en het groene lichaam vertoont minimale vervorming tijdens het drogen en sinteren, wat resulteert in een hoge maatnauwkeurigheid en lagere bewerkingskosten. De in-polymerisatie in situ verspreidt en immobiliseert keramische deeltjes uniform in een drie-dimensionaal netwerk, waarbij dichtheidsgradiënten worden vermeden die worden veroorzaakt door deeltjessedimentatie of ongelijkmatige verdeling, waardoor het bijzonder geschikt is voor grote- dunwandige complexe componenten-.
1.2 Keramisch spuitgieten (CIM)
CIM is ook een bijna-net-vormproces. De procedure omvat het mengen van keramisch poeder met organische bindmiddelen en weekmakers om een grondstof te vormen, het tot gesmolten toestand te verwarmen, het onder druk in een metalen mal te injecteren, af te koelen om te stollen, het uit de vorm te halen, vervolgens te ontbinden en te sinteren om het eindproduct te verkrijgen. Vergeleken met traditioneel slipgieten gebruikt CIM een geplastificeerd materiaal dat in een stijve mal wordt geperst, waardoor segregatie in de samenstelling wordt vermeden. Vergeleken met droogpersen biedt CIM een meer uniforme groendichtheid als gevolg van stroomvulling, waardoor dichtheid, microstructuur en prestatie-inhomogeniteiten worden overwonnen. Het is geschikt voor kosten-effectieve massaproductie van kleine, hoogwaardige- onderdelen met complexe vormen, zoals sensorbehuizingen en kleine isolatieringen.
1.3 Isostatisch persen
Voor asymmetrische complexe onderdelen zoals focusringen kan isostatisch persen worden gebruikt. Het poeder wordt verzegeld in een flexibele mal en ondergedompeld in een vloeibaar of gasvormig medium in een hogedrukvat-. Een extern druksysteem (bijvoorbeeld een hydraulische pomp) oefent hoge druk uit op de vloeistof. Omdat de vloeistof of het gas onsamendrukbaar is, wordt de druk gelijkmatig overgebracht op het materiaaloppervlak in de mal, waardoor een uniforme druk in alle richtingen wordt bereikt en dichtheidsonevenwichtigheden als gevolg van drukgradiënten worden vermeden.
1.4 3D-printen
Voor onderdelen met extreem complexe interne kanalen (bijvoorbeeld ESC-prototypes met koelcircuits), kunnen digitale lichtverwerking (DLP) of direct inktschrijven onderling verbonden kanalen creëren die onmogelijk zijn met traditionele mallen. Deze technologie wordt momenteel echter beperkt door een lagere vaste stofbelasting van de slurry, wat resulteert in een lagere sinterdichtheid en een grotere krimp.
2. Sinteren
Sinteren transformeert het groene lichaam in een dicht keramiek, doorgaans gepaard gaand met een lineaire krimp van 15-25%. Bij complexe-vormstukken veroorzaken diktevariaties anisotrope krimp. In combinatie met niet-uniforme temperatuur- of spanningsvelden kan dit de dimensionale nauwkeurigheid van de elementen aantasten en, in ernstiger mate, kromtrekken, barsten of instorten veroorzaken. Daarom richt de optimalisatie van het sinterproces zich op het verminderen van verschillen in krimpsnelheid, het onderdrukken van abnormale korrelgroei, het homogeniseren van het temperatuurveld en het minimaliseren van thermische spanning. Sintermethoden die geschikt zijn voor complexe vormen zijn onder meer:
2.1 Heetpersen
Het uitoefenen van uniaxiale of isostatische druk op het groene lichaam tijdens het sinteren zorgt voor extra verdichtingskracht, verlaagt de sintertemperatuur, onderdrukt abnormale korrelgroei en helpt complexe vormen te behouden. Geschikt voor elektrostatische klauwplaten en douchekoppen.
2.2 Sinteren onder gasdruk
Het toepassen van druk met een inert gas (bijvoorbeeld stikstof) tijdens het sinteren bij hoge- temperaturen remt de afbraak en vervluchtiging van het materiaal, vermindert de gesloten porositeit aanzienlijk en zorgt voor een uniforme druk op het materiaaloppervlak als gevolg van het gasvormige medium. Geschikt voor het sinteren van complex-gevormde keramische componenten.
2.3 Vonkplasmasinteren (SPS)
Tijdens SPS genereert een gepulseerde gelijkstroom onmiddellijk vonkplasma, waardoor een uniforme Joule-verwarming en oppervlakteactivering van individuele deeltjes ontstaat. Omdat de verdichting over verschillende diktes vrijwel gelijktijdig plaatsvindt en het temperatuurveld extreem uniform is, vermindert SPS de verschillen in krimpsnelheden aanzienlijk. De huidige beperking is echter de kamergrootte, waardoor deze geschikt is voor sensorbehuizingen of kleine isolatiedelen.
2.4 Sinteren in de magnetron
Magnetronsinteren maakt gebruik van een elektromagnetisch veld om polarisatie van elektronen, ionen of dipolen in het materiaal te induceren, waarbij microgolfenergie wordt omgezet in warmte door middel van diëlektrische, geleidende of magnetische verliezen, waardoor een uniforme volumetrische verwarming wordt bereikt. In tegenstelling tot conventionele geleidende verwarming verwarmt microgolfsinteren van binnenuit, met snelle stijgingssnelheden en kleine temperatuurgradiënten, waardoor defecten zoals vervorming en barsten veroorzaakt door thermische gradiënten worden verminderd.
3. Precisiebewerking
Gesinterde keramische componenten vereisen vaak slijpen, leppen, polijsten en zelfs laserbewerking om dimensionale toleranties onder -micron en nanometeroppervlakteruwheid te bereiken voor halfgeleidertoepassingen-. De hoge hardheid en brosheid van keramiek veroorzaken echter een snelle slijtage van het gereedschap (slijpschijven, snijgereedschappen) en hoge bewerkingskosten. Bovendien is het materiaal gevoelig voor afbrokkeling van de randen, microscheurtjes in het oppervlak en beschadiging onder het oppervlak als gevolg van slijpkrachten. Voor dichte, fijne elementen die een hoge randkwaliteit vereisen-zoals ESC-bult-arrays en duizenden micro-gaatjes in een douchekop-zijn conventionele slijp- en lepmethoden vaak ontoereikend. Ze veroorzaken randafbrokkeling als gevolg van overmatige contactkracht of kunnen de binnenwanden en openingen niet gelijkmatig bereiken. Als gevolg hiervan is een reeks bewerkingstechnieken ontwikkeld zonder-contact of met weinig-contact-kracht en ultra{13}}precisie voor complex-gevormd keramiek, waaronder abrasief vloeipolijsten, laserboren/polijsten, polijsten met magnetorheologische vloeistoffen en polijsten met plasma-.
3.1 Abrasief vloeipolijsten
Voor bodemoppervlakken van douchekoppen met honderden tot duizenden micro-gaatjes en diepe gaskanalen aan de achterkant van een ESC wordt bij abrasief polijsten gebruik gemaakt van een half-vast, visco-elastisch schuurmedium dat ultra-fijne schuurmiddelen bevat. Hydraulisch aangedreven stroomt het medium herhaaldelijk door de gaten. Bij de opening wordt het medium samengedrukt, waardoor een uniforme glijdende slijtage ontstaat die bramen verwijdert en gladde, afgeronde randen vormt.
3.2 Laserbewerking en polijsten
Voor micro-gaten die na het sinteren geblokkeerd zijn of vormafwijkingen vertonen, worden femtoseconde- of picosecondelasers gebruikt voor nauwkeurige gatcorrectie. Femtosecondelasers hebben extreem korte pulsbreedtes; de energie wordt zo snel geabsorbeerd en vrijgegeven dat de warmte niet naar de omgeving diffundeert, wat resulteert in een door hitte{2}}beïnvloede zone van minder dan 0,01 μm en gatwanden vrij van microscheuren en herschikte lagen. Bij laserpolijsten wordt gebruik gemaakt van laserstralen met een lage-energie-dichtheid om het keramische oppervlak snel te scannen, waardoor een ondiepe smelting van het oppervlak ontstaat, waardoor polijsten met hoge-precisie wordt bereikt, waardoor krassen op het oppervlak, vervorming of slijtage veroorzaakt door wrijving en druk bij conventioneel polijsten worden vermeden. Het kan gemakkelijk omgaan met complexe 3D-gebogen oppervlakken, microstructuren of gelokaliseerde gebieden, waardoor het vooral geschikt is voor interne holtes van sensorbehuizingen die niet toegankelijk zijn voor schuurgereedschap.
3.3 Magnetorheologisch vloeistofpolijsten
Bij het polijsten met magnetorheologische vloeistoffen worden carbonylijzerpoeder en schurende deeltjes van micron-grootte verspreid in een dragervloeistof, waardoor een 'flexibel polijstgereedschap' met regelbare- viscositeit wordt gevormd onder een sterk magnetisch veld. Wanneer het magnetische veld plaatselijk wordt aangelegd op het oppervlak van het keramische werkstuk, stolt de magnetorheologische vloeistof snel in de polijstzone, en vindt materiaalverwijdering plaats onder gecombineerde druk en schuifstroming. Deze methode biedt een hoge nauwkeurigheid van het oppervlak en een goede procescontrole, en is vooral geschikt voor complexe gebogen oppervlakken, dunne wanden, binnenwanden en andere moeilijk-bereikbare- oppervlakken, maar ook voor precisiebewerkingsscenario's die een hoge oppervlakte-integriteit en weinig ondergrondse schade vereisen.
3.4 Plasma-ondersteund polijsten (PAP)
PAP is een polijstmethode waarbij eerst het keramische oppervlak wordt gemodificeerd met behulp van plasma om een zachtere gemodificeerde laag te vormen, gevolgd door zacht schurend polijsten om een efficiënte materiaalverwijdering te bereiken. Het biedt een hoge verwijderingsefficiëntie, atomair vlakke oppervlakken en geen ondergrondse schade. Door de gasstroom en elektrische velden te beheersen, kan het complex gebogen oppervlakken, interne holtes, micro-gaten en andere gebieden die moeilijk toegankelijk zijn met conventioneel polijsten, uniform behandelen, waardoor een all-round bewerking wordt bereikt.