Dalam proses semikonduktor inti seperti etsa, deposisi-film tipis, dan implantasi ion, komponen di dalam peralatan harus beroperasi secara stabil dalam jangka waktu lama di lingkungan plasma ekstrem, tegangan tinggi, gas korosif, dan siklus termal yang sering terjadi. Bahan keramik canggih seperti alumina, aluminium nitrida, silikon karbida, dan silikon nitrida, dengan kekerasan tinggi, resistivitas tinggi, ketahanan erosi plasma yang sangat baik, dan pencocokan termal yang baik, telah menjadi bahan utama yang tak tergantikan. Namun, kekerasannya yang tinggi, kerapuhannya yang tinggi, dan ketangguhan patahnya yang rendah juga menimbulkan tantangan manufaktur. Selain itu, seiring dengan pergerakan industri hilir menuju miniaturisasi, integrasi, dan multifungsi, persyaratan bentuk keramik semikonduktor telah berevolusi dari pelat, balok, dan batang sederhana menjadi struktur kompleks seperti bentuk tidak beraturan, fitur berpori, dinding tipis, dan permukaan melengkung yang rumit. Contoh komponen keramik berbentuk kompleks-yang diperlukan oleh peralatan semikonduktor meliputi:
(1) Pencekam elektrostatis (ESC): berisi susunan lubang-mikro dengan kepadatan tinggi, jalur saluran gas kompleks, dan susunan tonjolan mikro-untuk dukungan wafer yang seragam.
(2) Komponen insulasi ruang etsa: seperti pancuran gas, cincin fokus, cincin insulasi, dll., sering kali dilengkapi profil melengkung, struktur flensa dengan ketebalan tidak seragam, sejumlah besar lubang mikro halus, dan alur sambungan tidak beraturan.
(3) Rumah sensor presisi: dengan dinding tipis, rongga internal tertutup atau semi-tertutup, antarmuka berulir, dan lubang timah kecil, dll.
Bentuk kompleks ini menerapkan persyaratan ketat pada proses pembuatan keramik yang jauh melampaui komponen struktural konvensional. Bagian berikut menganalisis tantangan teknis dan kemungkinan solusi dalam tiga tahap utama: pembentukan, sintering, dan pemesinan presisi.
1. Membentuk
Pembentukan adalah langkah penting pertama dalam memproduksi-keramik semikonduktor berbentuk kompleks. Komponen seperti chuck elektrostatis, bagian insulasi ruang etsa, dan rumah sensor presisi memerlukan struktur internal yang seragam dan akurasi bentuk mendekati-jaring. Metode pembentukan konvensional seperti pengepresan kering dan pengecoran slip dibatasi oleh geometri cetakan dan tidak dapat memenuhi tuntutan bentuk kompleks yang beragam dan individual. Selain itu, selama pembentukan benda hijau berbentuk-kompleks, kecepatan pemuatan dan pengisian yang tidak merata di berbagai wilayah sering menyebabkan distribusi kepadatan yang tidak-seragam, penyimpangan dimensi, delaminasi, dan keretakan akibat konsentrasi tegangan selama pembongkaran. Saat ini, proses pembentukan utama yang cocok untuk keramik semikonduktor berbentuk kompleks meliputi:
1.1 Pengecoran gel
Proses ini melibatkan penyuntikan bubur keramik-dengan viskositas-padat-yang rendah dan memuat-ke dalam cetakan, menambahkan monomer organik, pengikat silang, dan inisiator untuk menginduksi polimerisasi-di tempat dan membentuk benda hijau. Bahan ini dapat langsung membentuk bagian berbentuk-yang rumit, dan bodi hijaunya menunjukkan deformasi minimal selama pengeringan dan sintering, sehingga menghasilkan akurasi dimensi yang tinggi dan mengurangi biaya pemesinan selanjutnya. Polimerisasi in-situ menyebarkan dan melumpuhkan partikel keramik secara seragam dalam jaringan-tiga dimensi, menghindari gradien kepadatan yang disebabkan oleh sedimentasi partikel atau distribusi yang tidak merata, sehingga sangat cocok untuk komponen kompleks-berukuran besar,-berdinding tipis.
1.2 Cetakan injeksi keramik (CIM)
CIM juga merupakan-proses yang bentuknya mendekati jaringan. Prosedurnya melibatkan pencampuran bubuk keramik dengan bahan pengikat organik dan bahan pemlastis untuk membentuk bahan baku, memanaskannya hingga menjadi cair, menyuntikkannya di bawah tekanan ke dalam cetakan logam, mendinginkannya hingga mengeras, membongkar cetakan, kemudian melakukan debinding dan sintering untuk mendapatkan produk akhir. Dibandingkan dengan pengecoran slip tradisional, CIM menggunakan bahan plastik yang ditekan dalam cetakan kaku, menghindari segregasi komposisi. Dibandingkan dengan pengepresan kering, CIM memberikan kepadatan hijau yang lebih seragam karena pengisian aliran, mengatasi kepadatan, struktur mikro, dan ketidakhomogenan kinerja. Cocok untuk produksi massal yang-efektif dan hemat biaya untuk suku cadang kecil-berperforma tinggi dengan bentuk yang rumit, seperti rumah sensor dan cincin isolasi kecil.
1.3 Penekanan isostatik
Untuk bagian kompleks aksisimetri seperti cincin fokus, penekanan isostatik dapat digunakan. Bubuk tersebut disegel dalam cetakan fleksibel dan direndam dalam media cair atau gas di dalam bejana bertekanan tinggi-. Sistem bertekanan eksternal (misalnya pompa hidrolik) memberikan tekanan tinggi pada cairan. Karena cairan atau gas tidak dapat dimampatkan, tekanan disalurkan secara seragam ke permukaan material di dalam cetakan, mencapai tekanan seragam ke segala arah dan menghindari ketidakrataan kepadatan akibat gradien tekanan.
1.4 3D pencetakan
Untuk komponen dengan saluran internal yang sangat kompleks (misalnya, prototipe ESC dengan sirkuit pendingin), pemrosesan cahaya digital (DLP) atau penulisan tinta langsung dapat menciptakan saluran yang saling berhubungan yang tidak mungkin dilakukan dengan cetakan tradisional. Namun, teknologi ini saat ini dibatasi oleh pembebanan padat yang lebih rendah pada slurry, sehingga menghasilkan kepadatan sinter yang lebih rendah dan penyusutan yang lebih besar.
2. Sintering
Sintering mengubah benda hijau menjadi keramik padat, biasanya disertai penyusutan linier 15–25%. Untuk bagian yang berbentuk-kompleks, variasi ketebalan menyebabkan penyusutan anisotropik. Dikombinasikan dengan suhu atau bidang tegangan yang tidak seragam, hal ini dapat menurunkan akurasi dimensi fitur dan, yang lebih parah, menyebabkan lengkungan, retak, atau runtuh. Oleh karena itu, optimalisasi proses sintering berfokus pada pengurangan perbedaan laju penyusutan, menekan pertumbuhan butiran yang tidak normal, menyeragamkan bidang suhu, dan meminimalkan tekanan termal. Metode sintering yang cocok untuk bentuk kompleks meliputi:
2.1 Pengepresan panas
Menerapkan tekanan uniaksial atau isostatik pada benda hijau selama sintering memberikan kekuatan pendorong densifikasi tambahan, menurunkan suhu sintering, menekan pertumbuhan butir yang tidak normal, dan membantu mempertahankan bentuk fitur yang kompleks. Cocok untuk chuck dan pancuran elektrostatis.
2.2 Sintering tekanan gas
Menerapkan tekanan gas inert (misalnya nitrogen) selama sintering suhu tinggi-menghambat dekomposisi dan penguapan material, secara signifikan mengurangi porositas tertutup, dan memastikan tekanan seragam pada permukaan material karena media gas. Cocok untuk sintering-komponen keramik berbentuk kompleks.
2.3 Sintering plasma percikan (SPS)
Selama SPS, arus DC yang berdenyut menghasilkan percikan plasma seketika, menyebabkan pemanasan Joule yang seragam dan aktivasi permukaan partikel individu. Karena pemadatan pada ketebalan yang berbeda terjadi hampir bersamaan dan medan suhu sangat seragam, SPS sangat mengurangi perbedaan laju penyusutan. Namun, batasan saat ini adalah ukuran ruang, sehingga cocok untuk rumah sensor atau bagian isolasi kecil.
2.4 Sintering gelombang mikro
Sintering gelombang mikro menggunakan medan elektromagnetik untuk menginduksi polarisasi elektron, ion, atau dipol dalam material, mengubah energi gelombang mikro menjadi panas melalui kehilangan dielektrik, konduktif, atau magnet, sehingga mencapai pemanasan volumetrik yang seragam. Tidak seperti pemanasan konduktif konvensional, sintering gelombang mikro memanaskan dari dalam, dengan laju ramp yang cepat dan gradien suhu yang kecil, sehingga mengurangi cacat seperti deformasi dan retak yang disebabkan oleh gradien termal.
3. Pemesinan Presisi
Komponen keramik yang disinter sering kali memerlukan penggilingan, pemukulan, pemolesan, dan bahkan pemrosesan laser untuk mencapai toleransi dimensi sub-mikron dan kekasaran permukaan nanometer untuk aplikasi kelas-semikonduktor. Namun kekerasan dan kerapuhan keramik yang tinggi menyebabkan keausan perkakas yang cepat (roda gerinda, perkakas potong) dan biaya pemesinan yang tinggi. Selain itu, material ini rentan terhadap tepi terkelupas, retakan mikro pada permukaan, dan kerusakan bawah permukaan akibat gaya gerinda. Untuk fitur padat dan halus yang memerlukan kualitas tepi tinggi-seperti susunan tonjolan ESC dan ribuan-lubang mikro di kepala pancuran-metode penggilingan dan pemukulan konvensional sering kali tidak memadai. Hal ini menyebabkan tepi terkelupas karena gaya kontak yang berlebihan atau tidak dapat mencapai dinding bagian dalam dan lubang secara merata. Hasilnya, serangkaian teknik pemesinan ultra-kekuatan ultra-tanpa kontak atau{11}}kontak rendah telah dikembangkan untuk keramik berbentuk-kompleks, termasuk pemolesan aliran abrasif, pengeboran/pemolesan laser, pemolesan cairan magnetorheological, dan pemolesan-dengan bantuan plasma.
3.1 Pemolesan aliran abrasif
Untuk permukaan dasar pancuran dengan ratusan hingga ribuan lubang-mikro dan saluran gas dalam di bagian belakang ESC, pemolesan aliran abrasif menggunakan media abrasif semi-padat dan viskoelastik yang mengandung bahan abrasif ultra-halus. Digerakkan secara hidrolik, media mengalir berulang kali melalui lubang. Pada lubang, media diperas, menghasilkan abrasi geser seragam yang menghilangkan gerinda dan membentuk tepi bulat yang halus.
3.2 Pemrosesan dan pemolesan laser
Untuk lubang-mikro yang tersumbat atau memiliki penyimpangan bentuk setelah sintering, laser femtosecond atau picosecond digunakan untuk koreksi lubang yang tepat. Laser femtosecond memiliki lebar pulsa yang sangat pendek; energi diserap dan dilepaskan dengan sangat cepat sehingga panas tidak berdifusi ke area sekitarnya, sehingga menghasilkan zona yang terkena panas-di bawah 0,01 μm dan dinding lubang bebas dari retakan mikro dan pembentukan kembali lapisan. Pemolesan laser menggunakan sinar laser dengan kepadatan-energi-rendah untuk memindai permukaan keramik dengan cepat, menyebabkan permukaan keramik meleleh sehingga menghasilkan pemolesan-presisi tinggi, menghindari goresan permukaan, deformasi, atau keausan yang disebabkan oleh gesekan dan tekanan dalam pemolesan konvensional. Produk ini dapat dengan mudah menangani permukaan melengkung 3D yang kompleks, struktur mikro, atau area lokal, sehingga sangat cocok untuk rongga internal rumah sensor yang tidak dapat diakses oleh alat abrasif.
3.3 Pemolesan cairan magnetorheologis
Pemolesan cairan magnetorheologis menyebarkan bubuk besi karbonil berukuran mikron-dan partikel abrasif dalam cairan pembawa, membentuk "alat pemoles fleksibel" dengan viskositas-yang dapat dikontrol di bawah medan magnet yang kuat. Ketika medan magnet diterapkan secara lokal pada permukaan benda kerja keramik, cairan magnetorheologis membeku dengan cepat di zona pemolesan, dan pelepasan material terjadi di bawah tekanan gabungan dan aliran geser. Metode ini menawarkan akurasi permukaan yang tinggi dan kemampuan pengendalian proses yang baik, terutama cocok untuk permukaan melengkung yang kompleks, dinding tipis, dinding bagian dalam, dan permukaan-yang-sulit dijangkau lainnya, serta skenario pemesinan presisi yang memerlukan integritas permukaan tinggi dan kerusakan bawah permukaan yang rendah.
3.4 Plasma-pemolesan berbantuan (PAP)
PAP adalah metode pemolesan yang pertama-tama memodifikasi permukaan keramik menggunakan plasma untuk membentuk lapisan termodifikasi yang lebih lembut, diikuti dengan pemolesan abrasif yang lembut untuk mencapai penghilangan material yang efisien. Ini menawarkan efisiensi penghilangan yang tinggi, permukaan yang rata secara atom, dan tidak ada kerusakan bawah permukaan. Dengan mengontrol aliran gas dan medan listrik, alat ini dapat menangani permukaan melengkung yang kompleks, rongga internal, lubang-mikro, dan area lain yang sulit diakses dengan pemolesan konvensional secara seragam, sehingga menghasilkan-pemrosesan menyeluruh.