Atliekant pagrindinius puslaidininkinius procesus, pvz., ėsdinimą, plonos{0} plėvelės nusodinimą ir jonų implantavimą, įrangos viduje esantys komponentai turi veikti stabiliai ilgą laiką esant ekstremalioms plazmos aplinkoms, esant aukštai įtampai, korozinėms dujoms ir dažnam terminiam ciklui. Pažangios keraminės medžiagos, tokios kaip aliuminio oksidas, aliuminio nitridas, silicio karbidas ir silicio nitridas, pasižyminčios dideliu kietumu, dideliu atsparumu, puikiu atsparumu plazmos erozijai ir geru terminiu suderinimu, tapo nepakeičiamomis pagrindinėmis medžiagomis. Tačiau didelis jų kietumas, didelis trapumas ir mažas atsparumas lūžiams taip pat kelia gamybos iššūkių. Be to, vartotojų pramonei judant link miniatiūrizavimo, integravimo ir daugiafunkciškumo, puslaidininkinės keramikos formos reikalavimai išsivystė nuo paprastų plokščių, blokų ir strypų iki sudėtingų struktūrų, tokių kaip netaisyklingos formos, porėtos savybės, plonos sienos ir sudėtingi lenkti paviršiai. Įprastų sudėtingos formos keramikos komponentų, reikalingų puslaidininkinei įrangai, pavyzdžiai:
(1) Elektrostatiniai griebtuvai (ESC): su didelio-tankio mikro-angų matricomis, sudėtingais dujų kanalų keliais ir mikro-kūbų matricomis, užtikrinančiomis vienodą plokštelių palaikymą.
(2) Išgraužtos kameros izoliacijos komponentai: tokie kaip dujinės dušo galvutės, fokusavimo žiedai, izoliaciniai žiedai ir kt., dažnai su lenktais profiliais, nevienodo storio flanšo struktūromis, daugybe smulkių mikro-angų ir netaisyklingų jungčių griovelių.
(3) Tikslūs jutiklių korpusai: su plonomis sienelėmis, uždaromis arba pusiau uždaromis vidinėmis ertmėmis, srieginėmis sąsajomis ir mažomis švino skylutėmis ir kt.
Šios sudėtingos formos kelia griežtus reikalavimus keramikos gamybos procesams, kurie gerokai viršija įprastines konstrukcines dalis. Tolesniuose skyriuose analizuojami techniniai iššūkiai ir galimi sprendimai trimis pagrindiniais etapais: formavimas, sukepinimas ir tikslusis apdirbimas.
1. Formavimas
Formavimas yra pirmasis svarbus žingsnis gaminant sudėtingą{0}}formos puslaidininkinę keramiką. Tokiems komponentams kaip elektrostatiniai griebtuvai, ėsdinimo kameros izoliacinės dalys ir tikslūs jutiklių korpusai reikalauja vienodos vidinės struktūros ir beveik -neto formos tikslumo. Įprastus formavimo metodus, tokius kaip sausas presavimas ir liejimas, riboja formų geometrija ir jie negali patenkinti įvairių, individualių sudėtingų formų reikalavimų. Be to, formuojant sudėtingus -formos žaliuosius kūnus, netolygus apkrovos ir užpildymo greitis skirtinguose regionuose dažnai lemia netolygų tankio pasiskirstymą, matmenų nuokrypius, sluoksniuotumą ir įtrūkimus dėl įtempių koncentracijos išardant. Šiuo metu pagrindiniai formavimo procesai, tinkami sudėtingos -formos puslaidininkinei keramikai:
1.1 Gelio liejimas
Šis procesas apima mažo-klampumo, didelės{1}}kietos{2}}keraminės srutos įpurškimą į formą, organinių monomerų, kryžminių jungiklių ir iniciatorių pridėjimą, kad sukeltų in-situ polimerizaciją ir susidarytų žalias kūnas. Jis gali tiesiogiai sudaryti sudėtingas{5}}formos dalis, o žalias korpusas džiovinimo ir sukepinimo metu deformuojasi minimaliai, todėl užtikrinamas didelis matmenų tikslumas ir mažesnės apdirbimo išlaidos. In -situ polimerizacija tolygiai išsklaido ir imobilizuoja keramikos daleles trimačiame- tinkle, išvengiant tankio gradientų, atsirandančių dėl dalelių nusėdimo arba netolygaus pasiskirstymo, todėl ypač tinka dideliems-dydžių, plonasienių{10}}sudėtinių komponentų.
1.2 Keramikos įpurškimas (CIM)
CIM taip pat yra beveik{0}}neto formos procesas. Procedūra apima keraminių miltelių sumaišymą su organiniais rišikliais ir plastifikatoriais, kad susidarytų žaliava, kaitinimas iki išlydytos būsenos, esant slėgiui įpurškiamas į metalinę formą, aušinimas, kad sukietėtų, išardymas, tada surišimas ir sukepinimas, kad būtų gautas galutinis produktas. Palyginti su tradiciniu slydimo liejimu, CIM naudoja plastifikuotą medžiagą, presuotą standžioje formoje, išvengiant kompozicinės segregacijos. Palyginti su sausuoju presavimu, CIM suteikia vienodesnį žalios spalvos tankį dėl srauto užpildymo, tankio įveikimo, mikrostruktūros ir veikimo nehomogeniškumo. Jis tinka ekonomiškai efektyviai masinei mažų, didelio našumo- sudėtingų formų dalių, pvz., jutiklių korpusų ir mažų izoliacinių žiedų, gamybai.
1.3 Izostatinis presavimas
Sudėtingoms ašies dalims, tokioms kaip fokusavimo žiedai, galima naudoti izostatinį presavimą. Milteliai sandariai uždaromi lanksčioje formoje ir panardinami į skystą arba dujinę terpę aukšto slėgio inde. Išorinė slėgio didinimo sistema (pvz., hidraulinis siurblys) skysčiui taiko aukštą slėgį. Kadangi skystis ar dujos yra nesuspaudžiami, slėgis tolygiai perduodamas į medžiagos paviršių formos viduje, todėl pasiekiamas vienodas slėgis visomis kryptimis ir išvengiama tankio netolygumo dėl slėgio gradientų.
1.4 3D spausdinimas
Dalims su itin sudėtingais vidiniais kanalais (pvz., ESC prototipai su aušinimo grandinėmis), skaitmeninis šviesos apdorojimas (DLP) arba tiesioginis rašalo rašymas gali sukurti sujungtus kanalus, kurių neįmanoma naudojant tradicines formas. Tačiau šiuo metu šią technologiją riboja mažesnė kieto srutų apkrova, todėl sumažėja sukepinimo tankis ir didesnis susitraukimas.
2. Sukepinimas
Sukepinus žalias korpusas paverčiamas tankia keramika, kurią paprastai lydi 15–25% linijinis susitraukimas. Sudėtingų -formų dalių storio pokyčiai sukelia anizotropinį susitraukimą. Kartu su netolygiais temperatūros ar įtempių laukais tai gali pabloginti objekto matmenų tikslumą ir, dar daugiau, deformuotis, įtrūkti arba sugriūti. Todėl sukepinimo proceso optimizavimas orientuotas į susitraukimo greičio skirtumų mažinimą, nenormalaus grūdų augimo slopinimą, temperatūros lauko homogenizavimą ir šiluminio įtempio sumažinimą. Sudėtingoms formoms tinkami sukepinimo būdai:
2.1 Karštas presavimas
Vienaašis arba izostatinis slėgis žaliam korpusui sukepinimo metu suteikia papildomą tankinimo varomąją jėgą, sumažina sukepinimo temperatūrą, slopina nenormalų grūdų augimą ir padeda išlaikyti sudėtingas ypatybių formas. Tinka elektrostatiniams griebtuvams ir dušo galvutėms.
2.2 Dujų sukepinimas slėgiu
Inertinių dujų (pvz., azoto) slėgio taikymas aukštoje -temperatūros sukepinimo metu slopina medžiagos skilimą ir garavimą, žymiai sumažina uždarą poringumą ir užtikrina vienodą slėgį medžiagos paviršiuje dėl dujinės terpės. Tinka sukepinti sudėtingų -formų keramikos komponentus.
2.3 Kibirkštinis plazminis sukepinimas (SPS)
SPS metu impulsinė nuolatinės srovės srovė sukuria momentinę kibirkšties plazmą, sukeldama vienodą Džaulio kaitinimą ir atskirų dalelių paviršiaus aktyvavimą. Kadangi skirtingų storių tankinimas vyksta beveik vienu metu, o temperatūros laukas yra itin vienodas, SPS labai sumažina susitraukimo greičio skirtumus. Tačiau dabartinis apribojimas yra kameros dydis, todėl jis tinka jutiklių korpusams arba mažoms izoliacinėms dalims.
2.4 Sukepinimas mikrobangų krosnelėje
Mikrobangų sukepinimo metu naudojamas elektromagnetinis laukas, kad sukeltų elektronų, jonų ar dipolių poliarizaciją medžiagoje, mikrobangų energiją paverčiant šiluma per dielektrinius, laidžius ar magnetinius nuostolius, todėl pasiekiamas vienodas tūrinis kaitinimas. Skirtingai nuo įprasto laidaus šildymo, mikrobangų sukepinimas šildo iš vidaus, su dideliu greičiu ir mažais temperatūros gradientais, todėl sumažėja defektai, tokie kaip deformacija ir įtrūkimai, kuriuos sukelia terminiai gradientai.
3. Tikslus apdirbimas
Sukepintus keraminius komponentus dažnai reikia šlifuoti, šlifuoti, poliruoti ir netgi apdoroti lazeriu, kad būtų pasiekti mažesnių{0}mikronų matmenų nuokrypiai ir nanometrinis paviršiaus šiurkštumas, naudojant puslaidininkių{1}klasę. Tačiau didelis keramikos kietumas ir trapumas sukelia greitą įrankių (šlifavimo diskų, pjovimo įrankių) nusidėvėjimą ir dideles apdirbimo išlaidas. Be to, veikiant šlifavimo jėgoms, medžiaga gali įtrūkti kraštų, paviršiaus mikroįtrūkimų ir pažeisti požeminį paviršių. Įprastų šlifavimo ir klijavimo metodų dažnai nepakanka tankioms, smulkioms ypatybėms, kurioms reikalinga aukšta kraštų kokybė,{5}}pvz., ESC iškilimų matricos ir tūkstančiai mikro-skylių dušo galvutėje-. Dėl pernelyg didelės kontaktinės jėgos jie arba sukelia briaunų skilimą, arba negali tolygiai pasiekti vidinių sienelių ir angų. Dėl to sudėtingos formos keramikai buvo sukurta daugybė ne-kontaktinio ar mažo{11}}kontaktinio ar mažo{11}}kontakčio{12}}apdirbimo
3.1 Abrazyvinis srautinis poliravimas
Dušo galvutės dugno paviršiams su šimtais ar tūkstančiais mikro{0} skylių ir gilių dujų kanalų ESC galinėje dalyje, poliruojant abrazyviniu srautu, naudojama pusiau-kieta, klampi abrazyvinė terpė, kurioje yra itin smulkių abrazyvų. Varomas hidrauliniu būdu, terpė pakartotinai teka per angas. Prie angos terpė išspaudžiama, todėl susidaro tolygus slydimas, kuris pašalina įbrėžimus ir sudaro lygius suapvalintus kraštus.
3.2 Lazerinis apdirbimas ir poliravimas
Mikro-skylėms, kurios yra užkimštos arba turi formos nukrypimų po sukepinimo, tiksliam skylių korekcijai naudojami femtosekundiniai arba pikosekundiniai lazeriai. Femtosekundiniai lazeriai turi itin trumpą impulsų plotį; energija sugeriama ir išleidžiama taip greitai, kad šiluma neišsisklinda į aplinkinę zoną, todėl šilumos paveikta zona susidaro žemiau 0,01 μm, o skylių sienelėse nėra mikroįtrūkimų ir iš naujo išlietų sluoksnių. Poliruojant lazeriu, naudojami mažo-energijos-tankio lazerio spinduliai, kad greitai nuskenuotų keramikinį paviršių, todėl paviršius išsilydo, o tai užtikrina aukštą-poliravimo tikslumą, išvengiant paviršiaus įbrėžimų, deformacijų ar susidėvėjimo, atsirandančio dėl trinties ir slėgio įprasto poliravimo metu. Jis gali lengvai apdoroti sudėtingus 3D lenktus paviršius, mikrostruktūras ar lokalizuotas sritis, todėl ypač tinka vidinėms jutiklių korpusų ertmėms, kurios nepasiekiamos abrazyviniais įrankiais.
3.3 Magnetorheologinis poliravimas skysčiu
Magnetorheologinio poliravimo skysčiu metu nešiklio skystyje išsklaido mikro-dydžio karbonilo geležies miltelius ir abrazyvines daleles, todėl stipriame magnetiniame lauke susidaro kontroliuojamo-klampumo „lankstus poliravimo įrankis“. Kai magnetinis laukas yra lokaliai taikomas keraminiam ruošinio paviršiui, magnetorheologinis skystis greitai sukietėja poliravimo zonoje, o medžiaga pašalinama esant kombinuotam slėgiui ir šlyties srautui. Šis metodas užtikrina aukštą paviršiaus tikslumą ir gerą proceso valdymą, ypač tinka sudėtingiems lenktiems paviršiams, plonoms sienoms, vidinėms sienoms ir kitiems sunkiai pasiekiamiems--paviršiams, taip pat tikslaus apdirbimo scenarijams, kuriems reikalingas didelis paviršiaus vientisumas ir nedidelis paviršiaus pažeidimas.
3.4 Plazminis -poliravimas (PAP)
PAP yra poliravimo metodas, kurio metu keraminis paviršius pirmiausia modifikuojamas naudojant plazmą, kad susidarytų minkštesnis modifikuotas sluoksnis, o po to švelniai abrazyvinis poliravimas, kad būtų efektyviai pašalinama medžiaga. Jis pasižymi dideliu pašalinimo efektyvumu, atomiškai plokščiais paviršiais ir nepažeidžia požeminio paviršiaus. Valdydamas dujų srautą ir elektrinius laukus, jis gali tolygiai apdoroti sudėtingus išlenktus paviršius, vidines ertmes, mikro-angas ir kitas vietas, kurias sunku pasiekti naudojant įprastą poliravimą, todėl pasiekiamas visapusiškas apdorojimas.