În procesele semiconductoare de bază, cum ar fi gravarea, depunerea de peliculă subțire-și implantarea ionică, componentele din interiorul echipamentului trebuie să funcționeze stabil pentru perioade lungi în medii extreme cu plasmă, tensiuni înalte, gaze corozive și cicluri termice frecvente. Materiale ceramice avansate, cum ar fi alumina, nitrură de aluminiu, carbură de siliciu și nitrură de siliciu, cu duritatea lor mare, rezistivitate ridicată, rezistență excelentă la eroziunea plasmei și potrivire termică bună, au devenit materiale cheie de neînlocuit. Cu toate acestea, duritatea lor mare, fragilitatea ridicată și duritatea scăzută la rupere reprezintă, de asemenea, provocări pentru fabricație. Mai mult, pe măsură ce industria din aval se îndreaptă către miniaturizare, integrare și multifuncționalitate, cerințele de formă pentru ceramica semiconductoare au evoluat de la simple plăci, blocuri și tije la structuri complexe, cum ar fi forme neregulate, caracteristici poroase, pereți subțiri și suprafețe curbe complexe. Exemple de componente ceramice tipice în formă de-complexă cerute de echipamentele semiconductoare includ:
(1) Mandrine electrostatice (ESC): care conțin rețele de-densitate mare cu micro-găuri, căi complexe de canale de gaz și rețele de micro-bump pentru suport uniform pentru plachete.
(2) Componente de izolație a camerei de gravare: cum ar fi capete de duș cu gaz, inele de focalizare, inele de izolare etc., care prezintă adesea profile curbate, structuri de flanșe cu grosime ne-uniformă, un număr mare de micro-găuri fine și caneluri de conectare neregulate.
(3) Carcase pentru senzori de precizie: cu pereți subțiri, cavități interne închise sau semi-închise, interfețe filetate și găuri mici de plumb etc.
Aceste forme complexe impun cerințe stricte proceselor de fabricație a ceramicii, care depășesc cu mult piesele structurale convenționale. Următoarele secțiuni analizează provocările tehnice și posibilele soluții în trei etape cheie: formare, sinterizare și prelucrare de precizie.
1. Formarea
Formarea este primul pas critic în producerea ceramicii semiconductoare de formă-complexă. Componentele precum mandrinele electrostatice, părțile de izolație a camerei de gravare și carcasele senzorilor de precizie necesită o structură internă uniformă și o precizie aproape-netă a formei. Metodele convenționale de formare precum presarea uscată și turnarea cu alunecare sunt limitate de geometria matriței și nu pot satisface cerințele diverse, individualizate ale formelor complexe. În plus, în timpul formării corpurilor verzi de formă-complexă, vitezele inegale de încărcare și umplere în diferite regiuni conduc adesea la distribuție ne-uniformă a densității, abateri dimensionale, delaminare și fisurare din cauza concentrării tensiunilor în timpul demulării. În prezent, principalele procese de formare potrivite pentru ceramica semiconductoare de formă-complexă includ:
1.1 Turnare cu gel
Acest proces implică injectarea unei suspensii ceramice de-vâscozitate scăzută, înaltă-solid-încărcare într-o matriță, adăugarea de monomeri organici, agenți de reticulare și inițiatori pentru a induce polimerizarea in-situ și a forma un corp verde. Poate forma direct piese de formă-complexă, iar corpul verde prezintă o deformare minimă în timpul uscării și sinterizării, rezultând o precizie dimensională ridicată și costuri de prelucrare ulterioare reduse. Polimerizarea in-in situ dispersează și imobilizează uniform particulele ceramice într-o rețea tri-dimensională, evitând gradienții de densitate cauzați de sedimentarea particulelor sau de distribuția neuniformă, făcându-l potrivit în special pentru componente complexe-de dimensiuni mari, cu pereți-subțiri.
1.2 Turnare prin injecție ceramică (CIM)
CIM este, de asemenea, un proces aproape-net shape. Procedura implică amestecarea pulberii ceramice cu lianți organici și plastifianți pentru a forma o materie primă, încălzirea acesteia până la o stare topită, injectarea sub presiune într-o matriță metalică, răcirea pentru a se solidifica, deformarea, apoi delegarea și sinterizarea pentru a obține produsul final. În comparație cu turnarea tradițională, CIM folosește un material plastifiat presat într-o matriță rigidă, evitând segregarea compozițională. În comparație cu presarea uscată, CIM oferă o densitate verde mai uniformă datorită umplerii curgerii, depășirii densității, microstructurii și neomogenităților de performanță. Este potrivit pentru producția în masă rentabilă de piese mici,-de înaltă performanță, cu forme complexe, cum ar fi carcasele senzorilor și inelele izolante mici.
1.3 Presare izostatică
Pentru piese complexe axisimetrice, cum ar fi inelele de focalizare, poate fi utilizată presarea izostatică. Pulberea este sigilată într-o matriță flexibilă și scufundată într-un mediu lichid sau gazos în interiorul unui vas de înaltă presiune-. Un sistem extern de presurizare (de exemplu, o pompă hidraulică) aplică lichidului o presiune ridicată. Deoarece lichidul sau gazul este incompresibil, presiunea este transmisă uniform către suprafața materialului din interiorul matriței, realizând o presiune uniformă în toate direcțiile și evitând denivelările de densitate datorate gradienților de presiune.
1.4 3Imprimare D
Pentru piesele cu canale interne extrem de complexe (de exemplu, prototipuri ESC cu circuite de răcire), procesarea digitală a luminii (DLP) sau scrierea directă cu cerneală pot crea canale interconectate imposibile cu matrițele tradiționale. Cu toate acestea, această tehnologie este în prezent limitată de încărcarea solidă mai mică a suspensiei, ceea ce duce la o densitate sinterizată mai mică și o contracție mai mare.
2. Sinterizarea
Sinterizarea transformă corpul verde într-o ceramică densă, însoțită de obicei de o contracție liniară de 15-25%. Pentru piesele cu formă-complexă, variațiile de grosime provoacă o contracție anizotropă. Combinat cu câmpuri ne-uniforme de temperatură sau de stres, acest lucru poate degrada acuratețea dimensională a caracteristicilor și, mai grav, poate provoca deformarea, fisurarea sau prăbușirea. Prin urmare, optimizarea procesului de sinterizare se concentrează pe reducerea diferențelor de viteză de contracție, suprimarea creșterii anormale a boabelor, omogenizarea câmpului de temperatură și minimizarea stresului termic. Metodele de sinterizare potrivite pentru forme complexe includ:
2.1 Presare la cald
Aplicarea presiunii uniaxiale sau izostatice asupra corpului verde în timpul sinterizării oferă o forță motrice suplimentară de densificare, scade temperatura de sinterizare, suprimă creșterea anormală a granulelor și ajută la menținerea formelor caracteristice complexe. Potrivit pentru mandrine electrostatice și capete de duș.
2.2 Sinterizarea sub presiune a gazului
Aplicarea presiunii gazului inert (de exemplu, azot) în timpul sinterizării la temperatură înaltă-inhibă descompunerea și volatilizarea materialului, reduce semnificativ porozitatea închisă și asigură o presiune uniformă pe suprafața materialului datorită mediului gazos. Potrivit pentru sinterizarea componentelor ceramice-complexe.
2.3 Sinterizarea cu plasmă cu scânteie (SPS)
În timpul SPS, un curent continuu pulsat generează plasmă instantanee cu scânteie, provocând încălzirea uniformă Joule și activarea la suprafață a particulelor individuale. Deoarece densificarea pe diferite grosimi are loc aproape simultan, iar câmpul de temperatură este extrem de uniform, SPS reduce foarte mult diferențele în ratele de contracție. Cu toate acestea, limitarea actuală este dimensiunea camerei, ceea ce o face potrivită pentru carcasele senzorilor sau părțile izolatoare mici.
2.4 Sinterizarea cu microunde
Sinterizarea cu microunde folosește un câmp electromagnetic pentru a induce polarizarea electronilor, ionilor sau dipolilor din material, transformând energia cu microunde în căldură prin pierderi dielectrice, conductive sau magnetice, realizând o încălzire volumetrică uniformă. Spre deosebire de încălzirea conductivă convențională, sinterizarea cu microunde se încălzește din interior, cu rate rapide de rampă și gradienți mici de temperatură, reducând defectele precum deformarea și fisurarea cauzate de gradienții termici.
3. Prelucrare de precizie
Componentele ceramice sinterizate necesită adesea șlefuire, șlefuire, lustruire și chiar procesare cu laser pentru a obține toleranțe dimensionale sub-micronice și rugozitate a suprafeței nanometrice pentru aplicațiile de grad-de semiconductori. Cu toate acestea, duritatea mare și fragilitatea ceramicii provoacă uzura rapidă a sculelor (dise de șlefuit, scule de tăiere) și costuri ridicate de prelucrare. Mai mult decât atât, materialul este predispus la ciobirea marginilor, microfisurile de suprafață și deteriorarea subteranei sub forțele de șlefuire. Pentru caracteristici dense, fine, care necesită o calitate superioară a marginilor,-cum ar fi matricele de denivelări ESC și mii de micro-găuri într-un duș-, metodele convenționale de șlefuire și lepare sunt adesea inadecvate. Acestea fie provoacă ciobirea marginilor din cauza forței de contact excesive, fie nu pot ajunge uniform pe pereții interiori și orificiile. Drept urmare, au fost dezvoltate o gamă de tehnici de prelucrare cu ultra-precizie fără{10}}contact sau cu-contact-scăzut-forță de contact-pentru ceramica de formă-complexă, inclusiv lustruire cu curgere abrazivă, găurire/lustruire cu laser, lustruire cu fluid magnetoreologic și lustruire{15}}asilic cu plasmă.
3.1 Lustruire cu curgere abrazivă
Pentru suprafețele inferioare ale capului de duș cu sute până la mii de micro-găuri și canale de gaz adânci pe partea din spate a unui ESC, lustruirea cu flux abraziv utilizează un mediu abraziv semi-solid, vâscoelastic, care conține abrazivi ultra-fini. Acționat hidraulic, mediul curge în mod repetat prin găuri. La orificiu, mediul este stors, producând o abraziune uniformă de alunecare care îndepărtează bavurile și formează margini netede și rotunjite.
3.2 Prelucrare și lustruire cu laser
Pentru micro-găuri care sunt blocate sau au abateri de formă după sinterizare, laserele femtosecunde sau picosecunde sunt utilizate pentru corectarea precisă a găurilor. Laserele femtosecunde au lățimi de impuls extrem de scurte; energia este absorbită și eliberată atât de repede încât căldura nu se difuzează în zona înconjurătoare, rezultând o zonă afectată de căldură-sub 0,01 μm și pereți ai găurilor fără microfisuri și straturi reformate. Lustruirea cu laser folosește raze laser cu densitate redusă-energie-pentru a scana rapid suprafața ceramică, provocând o topire superficială a suprafeței care realizează o lustruire de înaltă-precizie, evitând zgârieturile, deformarea sau uzura suprafeței cauzate de frecare și presiune în lustruirea convențională. Poate gestiona cu ușurință suprafețe curbate 3D complexe, microstructuri sau zone localizate, făcându-l potrivit în special pentru cavitățile interne ale carcaselor senzorilor care sunt inaccesibile instrumentelor abrazive.
3.3 Lustruirea fluidului magnetoreologic
Lustruirea fluidului magnetoreologic dispersează pulberea de fier carbonil de dimensiunea micron-și particulele abrazive într-un fluid purtător, formând un „instrument de lustruit” cu vâscozitate controlabilă-sub un câmp magnetic puternic. Când câmpul magnetic este aplicat local pe suprafața piesei ceramice, fluidul magnetoreologic se solidifică rapid în zona de lustruire, iar îndepărtarea materialului are loc sub presiune combinată și flux de forfecare. Această metodă oferă o precizie ridicată a suprafeței și o bună controlabilitate a procesului, potrivită în special pentru suprafețe curbate complexe, pereți subțiri, pereți interiori și alte suprafețe greu de atins-{-, precum și scenarii de prelucrare de precizie care necesită o integritate ridicată a suprafeței și deteriorare redusă la suprafață.
3.4 Lustruire-asistată cu plasmă (PAP)
PAP este o metodă de lustruire care modifică mai întâi suprafața ceramică folosind plasmă pentru a forma un strat modificat mai moale, urmată de lustruire abrazivă blândă pentru a obține o îndepărtare eficientă a materialului. Oferă o eficiență ridicată de îndepărtare, suprafețe plane din punct de vedere atomic și fără daune subterane. Prin controlul fluxului de gaz și a câmpurilor electrice, poate trata uniform suprafețele curbe complexe, cavitățile interne, micro-găurile și alte zone greu accesibile cu lustruirea convențională, realizând o prelucrare completă-.