In apparatuur voor de productie van halfgeleiders worden precisie-keramische componenten (zoals elektrostatische klauwplaten (ESC), focusringen, isolatiesteunen, vacuümkamervoeringen en andere kernposities) op grote schaal gebruikt in kernposities vanwege hun superieure weerstand tegen hoge temperaturen, weerstand tegen plasma-erosie, hoge isolatie en lage thermische vervormingseigenschappen. Keramische materialen zijn echter inherent brosse materialen met een hoge hardheid, geen plastisch vervormingsvermogen en fysieke eigenschappen die extreem gevoelig zijn voor thermische spanning en thermische schokken. Dit betekent dat het traditionele mechanische ontwerpdenken voor metalen of kunststoffen volledig faalt op het gebied van keramiek - metalen kunnen spanningsconcentraties absorberen door plaatselijke plastische vloeiing, terwijl keramiek alleen brosse breuken ondergaat wanneer hun elastische limiet wordt overschreden. Om precisie-keramische tekeningen te ontwerpen die echt rekening houden met functionele vereisten en haalbaarheid van verwerking, moet Design for Manufacturability (DFM) daarom worden geïntegreerd in het hele proces van geometrische configuratie, tolerantiesysteem, assemblage-interface en materiaaleigenschappen.

1. Beperkingen van geometrische configuratie en verwerkingstechnologie

Vanuit het perspectief van geometrische configuratie-optimalisatie moet het tekenontwerp zoveel mogelijk voldoen aan de procesgrenzen van moderne keramische verwerkingstechnologieën (zoals diamantslijpen, ultrasone bewerking, lasersnijden en groene bewerking). Bij constructief ontwerp is de eliminatie van bronnen van spanningsconcentratie het eerste principe. Scherpe interne hoeken (zoals rechte hoekovergangen) moeten op tekeningen worden vermeden, omdat deze gebieden gemakkelijk de bron kunnen worden van het ontstaan ​​en uitzetten van microscheuren onder het temperatuurspanningsveld tijdens het sinterproces en de daaropvolgende mechanische verwerking, wat kan leiden tot afbrokkeling van de verwerkingsrand of servicebreuk. Alle interne hoeken moeten zo groot mogelijke overgangslijsten (R-hoeken) worden ontworpen; Als vanwege montagevereisten rechte hoeken behouden moeten blijven, moeten er ondersneden groeven of reliëfgroeven aan de constructie worden toegevoegd. Tegelijkertijd is uniformiteit van de wanddikte van cruciaal belang voor het bepalen van de kwaliteit van keramisch sinteren. Omdat industrieel keramiek wordt gevormd uit poeder en verdicht door sinteren bij hoge temperaturen, zal het enorme verschil in dikte van de dwarsdoorsnede leiden tot ongelijkmatige krimp, wat ernstige kromtrekkende vervorming, interne restspanning en zelfs scheuren veroorzaakt. Bovendien moeten diepe holtes, diepe blinde gaten en structuren met een hoge aspectverhouding strikt worden beperkt in het ontwerp van de kenmerken, omdat dit er niet alleen voor zal zorgen dat diamantslijpkoppen en ultrasone bewerkingsgereedschappen te maken krijgen met ernstige onvoldoende stijfheid en gereedschapsslijtage, maar ook de spaanafvoer en koelingsomstandigheden aanzienlijk zullen verslechteren.

2. Wetenschappelijke afweging tussen tolerantiesysteem en oppervlaktekwaliteit

Als het gaat om het definiëren van tolerantiesystemen en oppervlaktekwaliteit, moeten ingenieurs het traagheidsdenken opgeven dat ‘hoe hoger de nauwkeurigheid, hoe beter’. Overmatige toleranties zijn verantwoordelijk voor stijgende bewerkingskosten en hoge uitvalpercentages van technische keramische componenten. Hoewel geavanceerde keramiek (zoals aluminiumoxide, aluminiumnitride, siliciumcarbide) door middel van precisieslijpen een maatnauwkeurigheid van sub-micron kan bereiken, mogen tekeningen geen strikte toleranties opleggen voor alle afmetingen zonder onderscheid. Afmetingen die geen verband houden met passende oppervlakken, vrije oppervlakken of positionering van het samenstel moeten voldoende soepel zijn om het mogelijk te maken dat ze de conventionele groene vorm- of sintertoleranties voor keramiek volgen. De etikettering van de oppervlakteruwheid (Ra) moet gericht zijn - het onbewerkte gesinterde originele oppervlak heeft meestal een hogere ruwheid, terwijl functionele oppervlakken (zoals wafer-vacuümadsorptieoppervlak, dynamisch afdichtingsprecisie-uitlijningsoppervlak, hoogfrequent en hoogspanningsisolatieoppervlak) de vereisten voor nauwkeurig diamantslijpen of polijsten duidelijk moeten specificeren, en nauwkeurig hun werkelijke impact op tribologische prestaties, deeltjesgeneratiesnelheid en vacuümafdichtingseigenschappen moeten afwegen.

3. Montage-interface en aanpassing aan thermische uitzetting

Bovendien bepalen de extreme werkomstandigheden van halfgeleiderapparatuur dat keramische onderdelen moeten worden geassembleerd met metalen structurele onderdelen, wat ernstige uitdagingen met zich meebrengt voor het ontwerp van de assemblage- en bevestigingsinterface in de tekeningen. Omdat harde keramiek niet direct kan worden getapt om betrouwbare schroefdraad te creëren (direct tappen kan gemakkelijk leiden tot scheuren in het tandprofiel of tandslip), moet het ontwerp van het direct tappen van interne schroefdraad op het keramische lichaam volledig worden vermeden in de tekeningen. Redelijke alternatieven zijn onder meer: ​​het ontwerpen van doorlopende gaten met verzonken koppen of treden, en het gebruik van metalen doorlopende bouten voor het vastklemmen en bevestigen; het gebruik van anorganische kleefstoffen voor hoge temperaturen of hete mouwen met ingebedde metalen inzetstukken; of het gebruik van precisiedrukplaten en flensconstructies om keramische onderdelen op de metalen basis te drukken. Cruciaal is dat grote verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten moeten worden gecompenseerd in tekeningen en passingstoleranties. De thermische uitzettingscoëfficiënt van keramiek (zoals aluminiumoxide, siliciumcarbide) is veel lager dan die van structurele metalen zoals roestvrij staal, aluminiumlegeringen of titaniumlegeringen. Als er tijdens het ontwerp niet voldoende thermische uitzettingsspleten worden gereserveerd tussen bijpassende gaten of pennen, wanneer de halfgeleiderholte processen op hoge temperatuur ondergaat (zoals CVD, hete wandeffect van Etch-holte of bakken op hoge temperatuur), aangezien de uitzettingssnelheid van metaal veel groter is dan die van keramiek, zal er onvermijdelijk extrusiespanning worden gegenereerd op de keramische onderdelen, waardoor ze zonder waarschuwing catastrofaal breken.

4. Definitie van de belangrijkste technische vereisten

Ten slotte moet een volwassen en gestandaardiseerde technische tekening van halfgeleiderkeramiek absoluut ondubbelzinnige definities van materiaaleigenschappen en nabewerkingsprocessen bevatten in de technische vereisten of titelkolom. Dit omvat hoofdzakelijk de volgende vier kerndimensies:

• Materiaalkwaliteit en zuiverheid: Zo worden bijvoorbeeld 6% of 99,9% hoogzuiver aluminiumoxide en reactiegesinterd siliciumcarbide gebruikt om het risico op verontreiniging van geavanceerde halfgeleiderprocessen door sporen van onzuiverheden zoals alkalimetalen strikt te beheersen.
• Compactheids- en luchtdichtheidsindicatoren: Bepaal duidelijk of het onderdeel absoluut dicht moet zijn, zonder open poriën (om te voldoen aan de eisen van ultrahoogvacuümomgevingen), of dat een structuur met een specifieke porositeit is toegestaan.
• Specificaties Edge-microverwerking: Het is verplicht dat alle scherpe randen enigszins afgeschuind of afgestompt zijn (zoals binnen 2 × 45° of R0.2) om microscopisch kleine bramen te elimineren en de vorming van microscopisch kleine deeltjes te voorkomen tijdens het hanteren en monteren in een cleanroom.
• Reinigings- en verpakkingsspecificaties: Het eindproduct moet ultrasoon worden gereinigd en gedroogd met zeer zuiver gedeïoniseerd water, en worden verpakt in een vacuüm dubbellaags pakket dat voldoet aan de normen voor cleanrooms voor halfgeleiders.