Pri procesoch jadrového polovodiča, ako je leptanie, nanášanie tenkého{0}} filmu a implantácia iónov, musia komponenty vo vnútri zariadenia dlhodobo stabilne fungovať v extrémnom plazmovom prostredí, pri vysokom napätí, korozívnych plynoch a pri častom tepelnom cyklovaní. Pokročilé keramické materiály ako oxid hlinitý, nitrid hliníka, karbid kremíka a nitrid kremíka sa vďaka svojej vysokej tvrdosti, vysokému odporu, vynikajúcej odolnosti proti plazmovej erózii a dobrému tepelnému prispôsobeniu stali nenahraditeľnými kľúčovými materiálmi. Avšak ich vysoká tvrdosť, vysoká krehkosť a nízka lomová húževnatosť tiež predstavujú výrobné výzvy. Navyše, ako sa následný priemysel posúva smerom k miniaturizácii, integrácii a multifunkčnosti, požiadavky na tvar polovodičovej keramiky sa vyvinuli z jednoduchých dosiek, blokov a tyčí na zložité štruktúry, ako sú nepravidelné tvary, pórovité prvky, tenké steny a zložité zakrivené povrchy. Príklady typických komplexných{5}} keramických komponentov požadovaných pre polovodičové zariadenia zahŕňajú:
(1) Elektrostatické skľučovadlá (ESC): obsahujúce polia mikro-otvorov s vysokou -hustotou, komplexné dráhy plynových kanálov a mikro-polia hrbolčekov na rovnomernú podporu plátku.
(2) Komponenty izolácie komôr na leptanie: ako sú plynové sprchové hlavice, zaostrovacie krúžky, izolačné krúžky atď., ktoré často obsahujú zakrivené profily,-prírubové štruktúry s nerovnomernou hrúbkou, veľké množstvo jemných mikro-otvorov a nepravidelné spojovacie drážky.
(3) Presné kryty snímačov: s tenkými stenami, uzavretými alebo polo{1}}uzavretými vnútornými dutinami, závitovými rozhraniami a malými otvormi pre prívody atď.
Tieto zložité tvary kladú prísne požiadavky na procesy výroby keramiky, ktoré ďaleko presahujú bežné konštrukčné diely. Nasledujúce časti analyzujú technické výzvy a možné riešenia v troch kľúčových fázach: tvárnenie, spekanie a presné obrábanie.
1. Formovanie
Tvarovanie je prvým kritickým krokom pri výrobe zložitých-tvarovaných polovodičových keramických materiálov. Komponenty, ako sú elektrostatické skľučovadlá, izolačné časti leptacej komory a kryty presných snímačov, vyžadujú jednotnú vnútornú štruktúru a takmer -sú presnosť tvaru. Konvenčné metódy tvarovania, ako je lisovanie za sucha a liatie liatím, sú obmedzené geometriou formy a nemôžu spĺňať rôznorodé, individuálne požiadavky na zložité tvary. Okrem toho, počas tvarovania komplexných -tvarovaných surových telies, nerovnomerné rýchlosti nakladania a plnenia v rôznych oblastiach často vedú k-nerovnomernému rozloženiu hustoty, rozmerovým odchýlkam, delaminácii a praskaniu v dôsledku koncentrácie napätia počas vyberania z formy. V súčasnosti medzi hlavné procesy tvarovania vhodné pre komplexné-tvarované polovodičové keramiky patria:
1.1 Odlievanie gélu
Tento proces zahŕňa vstrekovanie keramickej kaše s nízkou -viskózou a vysokým-tuhým{2}}do formy do formy, pridaním organických monomérov, sieťovacích činidiel a iniciátorov na vyvolanie polymerizácie in situ a vytvorenie zeleného telesa. Môže priamo vytvárať zložité{5}}tvarované diely a surové teleso vykazuje minimálnu deformáciu počas sušenia a spekania, čo vedie k vysokej rozmerovej presnosti a zníženiu následných nákladov na obrábanie. Polymerizácia in situ rovnomerne rozptýli a imobilizuje keramické častice v trojrozmernej sieti, čím sa zabráni gradientom hustoty spôsobeným sedimentáciou častíc alebo nerovnomernou distribúciou, vďaka čomu je vhodná najmä pre veľké -veľké, tenkostenné{10}}komponenty.
1.2 Keramické vstrekovanie (CIM)
CIM je tiež takmer{0}}čistý tvarový proces. Postup zahŕňa zmiešanie keramického prášku s organickými spojivami a zmäkčovadlami, aby sa vytvorila surovina, jej zahriatie do roztaveného stavu, vstreknutie pod tlakom do kovovej formy, ochladenie, aby stuhol, vybratie z formy, potom odstránenie spojiva a spekanie, čím sa získa konečný produkt. V porovnaní s tradičným kĺzavým odlievaním používa CIM plastifikovaný materiál lisovaný v pevnej forme, čím sa predchádza segregácii zloženia. V porovnaní s lisovaním za sucha poskytuje CIM rovnomernejšiu hustotu surového materiálu vďaka plneniu tokom, prekonávaniu hustoty, mikroštruktúry a nehomogenít výkonu. Je vhodný na nákladovo-efektívnu hromadnú výrobu malých, vysokovýkonných-dielov so zložitými tvarmi, ako sú kryty snímačov a malé izolačné krúžky.
1.3 Izostatické lisovanie
Pre osovo symetrické zložité diely, ako sú zaostrovacie krúžky, možno použiť izostatické lisovanie. Prášok sa zataví do pružnej formy a ponorí sa do kvapalného alebo plynného média vo vysokotlakovej -nádobe. Externý tlakový systém (napr. hydraulické čerpadlo) aplikuje vysoký tlak na kvapalinu. Pretože kvapalina alebo plyn sú nestlačiteľné, tlak sa prenáša rovnomerne na povrch materiálu vo vnútri formy, čím sa dosiahne rovnomerný tlak vo všetkých smeroch a zabráni sa nerovnomernosti hustoty v dôsledku tlakových gradientov.
1.4 3D tlač
Pre diely s extrémne zložitými vnútornými kanálmi (napr. prototypy ESC s chladiacimi okruhmi) môže digitálne spracovanie svetla (DLP) alebo priame písanie atramentom vytvoriť prepojené kanály, ktoré nie sú možné s tradičnými formami. Táto technológia je však v súčasnosti obmedzená nižším zaťažením kalu tuhými látkami, čo má za následok nižšiu hustotu spekania a väčšie zmrštenie.
2. Spekanie
Spekaním sa zelené telo premení na hustú keramiku, ktorá je zvyčajne sprevádzaná 15–25 % lineárnym zmršťovaním. V prípade zložitých-dielov spôsobujú variácie hrúbky anizotropné zmršťovanie. V kombinácii s-nerovnomernými teplotnými alebo napäťovými poľami to môže zhoršiť rozmerovú presnosť prvku a, čo je ešte horšie, spôsobiť skrútenie, praskanie alebo zrútenie. Optimalizácia procesu spekania sa preto zameriava na zníženie rozdielov v rýchlosti zmršťovania, potlačenie abnormálneho rastu zŕn, homogenizáciu teplotného poľa a minimalizáciu tepelného napätia. Metódy spekania vhodné pre zložité tvary zahŕňajú:
2.1 Lisovanie za tepla
Aplikovanie jednoosového alebo izostatického tlaku na surové teleso počas spekania poskytuje dodatočnú hnaciu silu zhutňovania, znižuje teplotu spekania, potláča abnormálny rast zŕn a pomáha udržiavať zložité tvary prvkov. Vhodné pre elektrostatické skľučovadlá a sprchové hlavice.
2.2 Tlakové spekanie plynu
Aplikácia tlaku inertného plynu (napr. dusíka) počas vysokoteplotného spekania inhibuje rozklad materiálu a prchavosť, výrazne znižuje uzavretú pórovitosť a zabezpečuje rovnomerný tlak na povrch materiálu v dôsledku plynného média. Vhodné na spekanie komplexných-tvarovaných keramických komponentov.
2.3 Iskrové plazmové spekanie (SPS)
Počas SPS pulzný jednosmerný prúd generuje okamžitú iskrovú plazmu, čo spôsobuje rovnomerné zahrievanie Joule a povrchovú aktiváciu jednotlivých častíc. Pretože zahusťovanie v rôznych hrúbkach prebieha takmer súčasne a teplotné pole je extrémne rovnomerné, SPS výrazne znižuje rozdiely v rýchlosti zmršťovania. Súčasným obmedzením je však veľkosť komory, vďaka čomu je vhodná pre kryty snímačov alebo malé izolačné časti.
2.4 Mikrovlnné spekanie
Mikrovlnné spekanie využíva elektromagnetické pole na vyvolanie polarizácie elektrónov, iónov alebo dipólov v materiáli, pričom premieňa mikrovlnnú energiu na teplo prostredníctvom dielektrických, vodivých alebo magnetických strát, čím sa dosahuje rovnomerné objemové zahrievanie. Na rozdiel od konvenčného vodivého ohrevu sa mikrovlnné spekanie ohrieva zvnútra, s rýchlymi rýchlosťami stúpania a malými teplotnými gradientmi, čím sa redukujú chyby, ako je deformácia a praskanie spôsobené tepelnými gradientmi.
3. Presné obrábanie
Sintrované keramické komponenty často vyžadujú brúsenie, lapovanie, leštenie a dokonca aj laserové spracovanie, aby sa dosiahli sub{0}}mikrónové rozmerové tolerancie a nanometrová drsnosť povrchu pre polovodičové-aplikácie. Vysoká tvrdosť a krehkosť keramiky však spôsobuje rýchle opotrebovanie nástrojov (brúsne kotúče, rezné nástroje) a vysoké náklady na obrábanie. Okrem toho je materiál náchylný na odlamovanie hrán, povrchové mikrotrhlinky a podpovrchové poškodenie vplyvom brúsnych síl. Pre husté, jemné prvky vyžadujúce vysokú kvalitu hrán-ako sú hrbolčeky ESC a tisíce mikro-otvorov v sprchovej hlavici- sú bežné metódy brúsenia a lapovania často nedostatočné. Buď spôsobujú vylamovanie hrán v dôsledku nadmernej prítlačnej sily alebo nemôžu rovnomerne dosiahnuť vnútorné steny a otvory. Výsledkom je, že pre komplexné{14}}tvarované keramiky bol vyvinutý celý rad bez{10}}alebo nízkokontaktných{11}}nedotykových{12}}silových ultra{13}}technik obrábania zložitých{14}}tvarov keramiky vrátane leštenia abrazívnym prietokom, laserového vŕtania/leštenia, magnetoreologického leštenia kvapalinou a plazmového{15}leštenia.
3.1 Brúsne tokové leštenie
Pre spodné povrchy sprchovej hlavice so stovkami až tisíckami mikro{0}}otvorov a hlbokými plynovými kanálikmi na zadnej strane ESC sa pri leštení tokom abraziva používa polo-tuhé, viskoelastické abrazívne médium obsahujúce ultra-jemné abrazíva. Vďaka hydraulickému pohonu médium opakovane prúdi cez otvory. V otvore sa médium stlačí, čím sa vytvorí rovnomerné klzné obrúsenie, ktoré odstráni otrepy a vytvorí hladké zaoblené hrany.
3.2 Laserové spracovanie a leštenie
Pre mikro-otvory, ktoré sú zablokované alebo majú tvarové odchýlky po spekaní, sa na presnú korekciu otvorov používajú femtosekundové alebo pikosekundové lasery. Femtosekundové lasery majú extrémne krátke šírky impulzov; energia sa absorbuje a uvoľní tak rýchlo, že teplo nedifunduje do okolia, výsledkom čoho je tepelne-ovplyvnená zóna pod 0,01 μm a steny otvorov bez mikrotrhlín a pretavených vrstiev. Laserové leštenie využíva laserové lúče s nízkou{5}}energiou-na rýchle skenovanie keramického povrchu, čo spôsobuje plytkú povrchovú taveninu, čím sa dosahuje vysoko{7}}precízne leštenie, čím sa predchádza poškriabaniu povrchu, deformácii alebo opotrebovaniu spôsobenému trením a tlakom pri bežnom leštení. Ľahko si poradí so zložitými 3D zakrivenými povrchmi, mikroštruktúrami alebo lokalizovanými oblasťami, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre vnútorné dutiny krytov snímačov, ktoré sú neprístupné pre brúsne nástroje.
3.3 Magnetoreologické leštenie kvapalinou
Magnetoreologické fluidné leštenie rozptýli mikrónový -veľký karbonylový železný prášok a abrazívne častice v nosnej tekutine, čím sa vytvorí pod silným magnetickým poľom „flexibilný leštiaci nástroj“ s regulovateľnou viskozitou-. Keď je magnetické pole lokálne aplikované na povrch keramického obrobku, magnetoreologická kvapalina rýchlo tuhne v leštiacej zóne a dochádza k odstraňovaniu materiálu pri kombinovanom tlaku a šmykovom toku. Táto metóda ponúka vysokú presnosť povrchu a dobrú ovládateľnosť procesu, zvlášť vhodná pre zložité zakrivené povrchy, tenké steny, vnútorné steny a iné ťažko -{5}}dostupné povrchy, ako aj scenáre presného obrábania vyžadujúce vysokú integritu povrchu a nízke poškodenie podpovrchu.
3.4 Plazmové-leštenie (PAP)
PAP je metóda leštenia, ktorá najskôr upravuje keramický povrch pomocou plazmy, aby sa vytvorila mäkšia modifikovaná vrstva, po ktorej nasleduje jemné abrazívne leštenie, aby sa dosiahlo účinné odstránenie materiálu. Ponúka vysokú účinnosť odstraňovania, atómovo rovné povrchy a žiadne podpovrchové poškodenie. Riadením toku plynu a elektrických polí dokáže rovnomerne ošetriť zložité zakrivené povrchy, vnútorné dutiny, mikro-otvory a ďalšie oblasti, ktoré sú ťažko prístupné bežným leštením, čím sa dosiahne všestranné spracovanie.