I kernehalvlederprocesser såsom ætsning, tynd-filmaflejring og ionimplantation skal komponenterne inde i udstyret fungere stabilt i lange perioder under ekstreme plasmamiljøer, høje spændinger, ætsende gasser og hyppige termiske cyklusser. Avancerede keramiske materialer som aluminiumoxid, aluminiumnitrid, siliciumcarbid og siliciumnitrid er med deres høje hårdhed, høje resistivitet, fremragende plasmaerosionsbestandighed og gode termiske tilpasning blevet uerstattelige nøglematerialer. Imidlertid udgør deres høje hårdhed, høje skørhed og lave brudsejhed også fremstillingsudfordringer. Efterhånden som downstream-industrien bevæger sig mod miniaturisering, integration og multifunktionalitet, har formkravene til halvlederkeramik desuden udviklet sig fra simple plader, blokke og stænger til komplekse strukturer såsom uregelmæssige former, porøse træk, tynde vægge og komplekse buede overflader. Eksempler på typiske komplekse-formede keramiske komponenter, der kræves af halvlederudstyr, omfatter:
(1) Elektrostatiske patroner (ESC): Indeholder mikro-højdensitetsmikro-huller, komplekse gaskanalbaner og mikro-bump-arrays til ensartet waferunderstøttelse.
(2) Ætsekammerisoleringskomponenter: såsom gasbrusehoveder, fokusringe, isoleringsringe osv., der ofte har buede profiler, ikke-ensartede flangestrukturer, et stort antal fine mikro-huller og uregelmæssige forbindelsesriller.
(3) Præcisionssensorhuse: med tynde vægge, lukkede eller semi-lukkede indre hulrum, gevindgrænseflader og små blyhuller osv.
Disse komplekse former stiller strenge krav til keramiske fremstillingsprocesser, der går langt ud over konventionelle strukturelle dele. De følgende afsnit analyserer de tekniske udfordringer og mulige løsninger i tre nøglefaser: formning, sintring og præcisionsbearbejdning.
1. Formning
Formning er det første kritiske trin i fremstillingen af kompleks-formet halvlederkeramik. Komponenter såsom elektrostatiske patroner, ætsningskammerisoleringsdele og præcisionssensorhuse kræver ensartet intern struktur og næsten-nettoformsnøjagtighed. Konventionelle formgivningsmetoder som tørpresning og slipstøbning er begrænset af formgeometri og kan ikke opfylde de forskellige, individualiserede krav til komplekse former. Under dannelsen af komplekse-formede grønne legemer fører ujævne belastnings- og påfyldningshastigheder i forskellige områder desuden ofte til u-ensartet tæthedsfordeling, dimensionelle afvigelser, delaminering og revner på grund af spændingskoncentration under afformningen. I øjeblikket omfatter de vigtigste formningsprocesser, der er egnede til kompleks-formet halvlederkeramik:
1.1 Gelstøbning
Denne proces involverer indsprøjtning af en keramisk opslæmning med lav-viskositet og høj-fast-belastning i en form, tilsætning af organiske monomerer, tværbindere og initiatorer for at inducere in-situ-polymerisation og danne et grønt legeme. Den kan direkte danne komplekse-formede dele, og den grønne krop udviser minimal deformation under tørring og sintring, hvilket resulterer i høj dimensionsnøjagtighed og reducerede efterfølgende bearbejdningsomkostninger. In-situ-polymerisationen dispergerer og immobiliserer keramiske partikler ensartet i et tre-dimensionelt netværk og undgår tæthedsgradienter forårsaget af partikelsedimentering eller ujævn fordeling, hvilket gør den særligt velegnet til store-, tyndvæggede komplekse komponenter.
1.2 Keramisk sprøjtestøbning (CIM)
CIM er også en næsten-netformproces. Fremgangsmåden involverer blanding af keramisk pulver med organiske bindemidler og blødgøringsmidler for at danne et råmateriale, opvarmning af det til en smeltet tilstand, indsprøjtning af det under tryk i en metalform, afkøling for at størkne, afformning, derefter afbinding og sintring for at opnå det endelige produkt. Sammenlignet med traditionel slipstøbning bruger CIM et plastificeret materiale presset i en stiv form, hvilket undgår sammensætningsadskillelse. Sammenlignet med tørpresning giver CIM mere ensartet grøntæthed på grund af flowfyldning, overvindende tæthed, mikrostruktur og uhomogeniteter i ydeevnen. Den er velegnet til omkostningseffektiv-masseproduktion af små,-højtydende dele med komplekse former, såsom sensorhuse og små isoleringsringe.
1.3 Isostatisk presning
Til aksesymmetriske komplekse dele som fokusringe kan isostatisk presning bruges. Pulveret forsegles i en fleksibel form og nedsænkes i et flydende eller gasformigt medium inde i en høj-beholder. Et eksternt tryksystem (f.eks. en hydraulisk pumpe) påfører væsken højt tryk. Fordi væsken eller gassen er usammentrykkelig, overføres trykket ensartet til materialeoverfladen inde i formen, hvilket opnår ensartet tryk i alle retninger og undgår tæthedsujævnheder på grund af trykgradienter.
1.4 3D-udskrivning
For dele med ekstremt komplekse interne kanaler (f.eks. ESC-prototyper med kølekredsløb), kan digital lysbehandling (DLP) eller direkte blækskrivning skabe indbyrdes forbundne kanaler, som er umulige med traditionelle forme. Imidlertid er denne teknologi i øjeblikket begrænset af lavere fast belastning af gyllen, hvilket resulterer i lavere sintret densitet og større svind.
2. Sintring
Sintring forvandler den grønne krop til en tæt keramik, typisk ledsaget af 15-25% lineær krympning. For komplekse-formede dele forårsager tykkelsesvariationer anisotropisk krympning. Kombineret med ikke-ensartede temperatur- eller spændingsfelter kan dette forringe egenskabernes dimensionelle nøjagtighed og, mere alvorligt, forårsage vridning, revner eller kollaps. Derfor fokuserer optimering af sintringsprocesser på at reducere krympningshastighedsforskelle, undertrykke unormal kornvækst, homogenisere temperaturfeltet og minimere termisk stress. Sintringsmetoder egnet til komplekse former omfatter:
2.1 Varmpresning
Påføring af uniaksialt eller isostatisk tryk på den grønne krop under sintring giver yderligere fortætningsdrivkraft, sænker sintringstemperaturen, undertrykker unormal kornvækst og hjælper med at opretholde komplekse trækformer. Velegnet til elektrostatiske patroner og brusehoveder.
2.2 Gastryksintring
Påføring af inert gas (f.eks. nitrogen) tryk under høj-temperatursintring hæmmer materialenedbrydning og fordampning, reducerer den lukkede porøsitet betydeligt og sikrer ensartet tryk på materialets overflade på grund af det gasformige medium. Velegnet til sintring af komplekse-formede keramiske komponenter.
2.3 Spark plasma sintring (SPS)
Under SPS genererer en pulseret jævnstrøm øjeblikkeligt gnistplasma, hvilket forårsager ensartet Joule-opvarmning og overfladeaktivering af individuelle partikler. Fordi fortætning på tværs af forskellige tykkelser sker næsten samtidigt, og temperaturfeltet er ekstremt ensartet, reducerer SPS i høj grad forskelle i krympningshastigheder. Den nuværende begrænsning er dog kammerstørrelsen, hvilket gør den velegnet til sensorhuse eller små isolerende dele.
2.4 Mikrobølgesintring
Mikrobølgesintring bruger et elektromagnetisk felt til at inducere polarisering af elektroner, ioner eller dipoler i materialet, omdanner mikrobølgeenergi til varme gennem dielektriske, ledende eller magnetiske tab, hvilket opnår ensartet volumetrisk opvarmning. I modsætning til konventionel ledende opvarmning opvarmes mikrobølgesintring indefra med hurtige rampehastigheder og små temperaturgradienter, hvilket reducerer defekter som deformation og revner forårsaget af termiske gradienter.
3. Præcisionsbearbejdning
Sintrede keramiske komponenter kræver ofte slibning, lapning, polering og endda laserbearbejdning for at opnå sub-mikron dimensionelle tolerancer og nanometer overfladeruhed til applikationer i halvlederkvalitet-. Imidlertid forårsager den høje hårdhed og skørhed af keramik hurtigt værktøjsslid (slibeskiver, skærende værktøjer) og høje bearbejdningsomkostninger. Ydermere er materialet tilbøjeligt til kantafslag, mikrorevner i overfladen og skader under overfladen under slibekræfter. Til tætte, fine funktioner, der kræver høj kantkvalitet,-såsom ESC-bump-arrays og tusindvis af mikro-huller i et brusehoved-er konventionelle slibe- og lapningsmetoder ofte utilstrækkelige. De forårsager enten kantafslag på grund af for stor kontaktkraft eller kan ikke ensartet nå indervægge og åbninger. Som følge heraf er der udviklet en række ikke--kontakt eller lav-kontakt-kraft ultra-præcisionsbearbejdningsteknikker til kompleks-formet keramik, herunder slibende strømningspolering, laserboring/polering, magnetoreologisk væskepolering og plasmastøttet polering.}-
3.1 Slibende flow polering
Til brusehovedets bundoverflader med hundreder til tusindvis af mikro-huller og dybe gaskanaler på bagsiden af en ESC, bruger slibende flowpolering et semi-fast, viskoelastisk slibende medium, der indeholder ultra-fine slibemidler. Drevet hydraulisk flyder mediet gentagne gange gennem hullerne. Ved åbningen klemmes mediet, hvilket giver ensartet glidende slid, der fjerner grater og danner glatte afrundede kanter.
3.2 Laserbehandling og polering
Til mikro-huller, der er blokeret eller har formafvigelser efter sintring, bruges femtosekund- eller picosekundlasere til præcis hulkorrektion. Femtosekundlasere har ekstremt korte pulsbredder; energien absorberes og frigives så hurtigt, at varmen ikke diffunderer til det omgivende område, hvilket resulterer i en varme-påvirket zone under 0,01 μm og hulvægge fri for mikrorevner og omstøbte lag. Laserpolering bruger laserstråler med lav-energi-densitet til hurtigt at scanne den keramiske overflade, hvilket forårsager en lav overfladesmeltning, der opnår høj-præcisionspolering, og undgår overfladeridser, deformation eller slid forårsaget af friktion og tryk ved konventionel polering. Den kan nemt håndtere komplekse 3D-buede overflader, mikrostrukturer eller lokaliserede områder, hvilket gør den særligt velegnet til indre hulrum i sensorhuse, der er utilgængelige for slibende værktøjer.
3.3 Magnetorheologisk væskepolering
Magnetorheologisk væskepolering spreder carbonyljernspulver og slibende partikler i mikron-størrelse i en bærervæske og danner et "fleksibelt poleringsværktøj" med kontrollerbar -viskositet under et stærkt magnetfelt. Når magnetfeltet påføres lokalt på den keramiske emneoverflade, størkner den magnetoreologiske væske hurtigt i poleringszonen, og materialefjernelse sker under kombineret tryk og forskydningsstrøm. Denne metode tilbyder høj overfladenøjagtighed og god proceskontrollerbarhed, især velegnet til komplekse buede overflader, tynde vægge, indvendige vægge og andre svært-at-overflader, såvel som præcisionsbearbejdningsscenarier, der kræver høj overfladeintegritet og lav undergrundsskade.
3.4 Plasma-assisteret polering (PAP)
PAP er en poleringsmetode, der først modificerer den keramiske overflade ved hjælp af plasma for at danne et blødere modificeret lag, efterfulgt af skånsom slibende polering for at opnå effektiv materialefjernelse. Det giver høj fjernelseseffektivitet, atomisk plane overflader og ingen undergrundsskader. Ved at kontrollere gasstrømmen og elektriske felter kan den ensartet behandle komplekse buede overflader, indre hulrum, mikro-huller og andre områder, der er vanskelige at få adgang til med konventionel polering, hvilket opnår all-behandling.