Die wichtigsten Produktionstechnologien für Halbleiterkeramikbauteile werden vorgestellt
Halbleiterkeramikbauteile sind Hochleistungskeramiken, die üblicherweise aus hochreinen und ultrafeinen anorganischen Materialien wie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Yttriumoxid usw. hergestellt werden. Zu den Halbleiterkeramikbauteilen gehören Halbleiterkeramikarme, Keramikdüsen, Keramikfenster, Keramikabdeckungen, poröse Keramik-Vakuumspannfutter usw. Der Herstellungsprozess von Halbleiterkeramikbauteilen umfasst im Wesentlichen die Pulveraufbereitung, das Pulverformen, das Hochtemperatursintern, die Präzisionsbearbeitung, die Qualitätsprüfung, die Oberflächenbehandlung usw.
Pulverpräparation
1) Verschiedene benötigte Materialien werden den Zutaten hinzugefügt, um ein Pulver mit einer bestimmten Rezeptur herzustellen. Die Herstellung kann durch Festphasen-, Flüssigphasen- oder Gasphasenverfahren erfolgen.
2) Mechanische Kugelmühle: Kugelmühlen werden häufig in der industriellen Rohstoffaufbereitung eingesetzt. Ihre Auskleidung besteht meist aus Keramik, teilweise aber auch aus Polymeren. Das zu vermahlende Pulver wird in die Kugelmühle gegeben, zusammen mit verschiedenen Keramikkugeln als Mahlkugeln. Nach dem Mahlvorgang kann die Partikelgröße des Pulvers im Mikrometerbereich liegen.
3) Die durch Sprühtrocknung hergestellten keramischen Feinpulver oder Pulverpräzipitate, Kolloide usw. müssen häufig gewaschen, filtriert, getrocknet und kalziniert werden. Diese Prozesse beeinträchtigen im Allgemeinen die Gleichmäßigkeit der Pulverzusammensetzung sowie die Größe und Form der Partikel. Durch Sprühen wird die Lösung in kleine Tröpfchen dispergiert, in Heißluft gesprüht, wodurch das Lösungsmittel schnell verdampft und ein Pulver mit einheitlicher Größe und Form gewonnen wird. Das sprühgetrocknete Pulver weist nach der Sinterung ein feineres Korn auf.
Keramische Rohlinge werden aus einem nach einer entsprechenden Rezeptur hergestellten Pulver gefertigt. Zu den gängigen Formgebungsverfahren für Keramikprodukte zählen Trockenpressen, isostatisches Pressen, Gießen, Spritzgießen, Gelspritzgießen usw. Mit diesen Verfahren lassen sich die entsprechenden Keramikrohlinge gewinnen.
1) Trockenpressformung: Bei diesem Verfahren wird hauptsächlich ein geeignetes Pulver granuliert, in den Formhohlraum der Metallform gefüllt und anschließend mit einem Eindringkörper unter Druck gesetzt. Der Eindringkörper wird im Formhohlraum verschoben, wodurch der Druck auf die Pulverpartikel in der Form übertragen wird, sodass diese verdichtet werden und schließlich ein Keramikrohling mit einer bestimmten Form und Festigkeit entsteht.
3) Gießen ist ein komplexeres Verfahren. Es handelt sich um ein Nassformverfahren, mit dem Keramikrohlinge mit einer Dicke von einigen zehn Mikrometern bis zu Millimetern in einem Arbeitsgang geformt werden können. Die Keramikschlämme mit einer bestimmten Viskosität und guter Dispergierbarkeit fließt von der Schneide der Gießmaschine in die Schlämmrinne auf das Grundband und verteilt sich dort unter Einwirkung der Oberflächenspannung zu einem glatten Rohlingfilm. Dieser Rohlingfilm wird zusammen mit dem Grundband in den Trockenraum transportiert. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels bildet das organische Bindemittel ein Netzwerk zwischen den Keramikpartikeln, wodurch dem Rohling eine gewisse Festigkeit und Flexibilität verliehen wird. Der getrocknete Rohling wird vom Grundband abgetrennt und auf einem Band gelagert. Je nach Produktanforderungen kann er geschnitten, gestanzt, gelocht oder anderweitig bearbeitet und anschließend gebrannt werden.
4) Spritzgießen Beim Spritzgießen werden thermoplastisches Material und Keramikpulver in einer heißen Lösung vermischt und anschließend in eine relativ kalte Form eingespritzt. Nach dem Abkühlen kann der Formteil aus der Form herausgedrückt werden. Das Verfahren ermöglicht eine schnelle und automatische Massenproduktion und lässt sich präzise steuern. Es können keramische Produkte mit komplexen Formen hergestellt werden und findet breite Anwendung.
5) Gel-Spritzgießen Beim Gel-Spritzgießen wird eine geringe Konzentration an organischem Monomer in eine Keramikschlämme mit hohem Feststoffgehalt und niedriger Viskosität gegeben. Anschließend wird ein Initiator hinzugefügt und die Masse gegossen. Unter bestimmten Bedingungen findet dann eine In-situ-Polymerisationsreaktion des organischen Monomers in der Schlämme statt, wodurch eine starke vernetzte Struktur entsteht. Nach dem Erstarren der Schlämme erfolgt das Entformen, Trocknen, Entformen und Sintern, um die gewünschten Keramikteile zu erhalten.
1) Sintern unter Atmosphärendruck: Beim Sintern unter Atmosphärendruck wird das Material nicht unter Druck gesetzt, sondern unter atmosphärischem Druck gesintert. Es ist das am häufigsten angewandte Sinterverfahren und findet in der Regel unter Sauerstoffatmosphäre oder unter speziellen Gasatmosphären statt. Beim Sintern unter Atmosphärendruck wird der geformte Rohling nicht durch äußeren Druck beeinflusst; die Pulverpartikel werden jedoch unter Atmosphärendruck erhitzt und bilden so ein Korngefüge.
2) Vakuumsintern. Beim Vakuumsintern wird ein Keramikrohling unter Vakuum durch physikalische und chemische Einwirkungen zu einem dichten, harten Sinterkörper umgewandelt. Die Poren des oxidischen Keramikkörpers enthalten hauptsächlich Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff, die während des Sinterprozesses entweichen. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und insbesondere Stickstoff können jedoch nur schwer durch die Poren entweichen, was die Produktdichte verringert. Durch das Vakuumsintern können alle Gase abgeleitet werden, wodurch die Produktdichte erhöht wird.
3) Atmosphärensintern: Für Keramiken, die sich unter Normaldruck nur schwer sintern lassen, wird üblicherweise das Atmosphärensintern eingesetzt. Dabei wird ein bestimmtes Gas in den Ofen geleitet, um die gewünschte Atmosphäre zu erzeugen, in der die Keramikteile gesintert werden. Je nach Material können Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Argon und andere Gase verwendet werden.
Präzisionsbearbeitung
Die Abmessungen der Keramikteile nach dem Sintern des präzisionsbearbeiteten Grünlings haben noch nicht die gewünschte Größe erreicht. Daher ist eine Nachbearbeitung des gesinterten Keramikrohlings und der Keramikprodukte erforderlich. Üblicherweise werden CNC-Dreh- und Schleifmaschinen eingesetzt, um den Keramikrohling zu schneiden, zu drehen, zu schleifen, zu fräsen, zu schneiden und zu bohren und so die gewünschten Keramikprodukte herzustellen. Die CNC-Bearbeitung von Keramik bezeichnet ein reduzierendes Fertigungsverfahren, bei dem computergesteuerte Maschinen und Schneidwerkzeuge zur Formgebung der Keramikteile eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Härte, Festigkeit und Sprödigkeit erfordert die Bearbeitung von Keramikmaterialien besondere Aufmerksamkeit. Viele Keramikteile erfordern eine hohe Präzision und sind daher schwierig zu bearbeiten. Die Präzision lässt sich durch CNC-Bearbeitung gut steuern, um die Konsistenz der einzelnen Teile zu gewährleisten.
Qualitätsprüfung
Die in den oben genannten Schritten bearbeiteten Keramikteile müssen einer Sichtprüfung unterzogen werden, um festzustellen, ob Aussehen, Größe, Porosität, Rauheit und andere Eigenschaften den Anforderungen entsprechen. Für besonders anspruchsvolle Produkte werden Prüfgeräte eingesetzt, um die Qualität der Halbleiterkeramikteile sicherzustellen. Die geprüften Produkte durchlaufen den nächsten Bearbeitungsschritt, während die nicht qualifizierten Teile nachbearbeitet oder verschrottet werden.
Oberflächenbehandlung
Die Reinheitsanforderungen an Halbleiteranlagen sind sehr hoch. Qualifizierte Halbleiterkeramikbauteile müssen zusätzlich an der Oberfläche gereinigt werden, üblicherweise durch Beizen, Alkaliwaschen, Reinigung mit organischen Lösungsmitteln und andere Verfahren. Nach der Reinigung wird das Produkt getrocknet und seine Qualität erneut geprüft. Qualifizierte Produkte können dann für die Reinraumverpackung freigegeben werden.
Einige Keramikteile müssen besonderen Anforderungen genügen, aber es sind auch Lichtbogenfusion, Plasmaspritzen, elektrostatisches Spritzen, Dampfabscheidung, Ultra-Reinigung, Anodisieren, Metallisieren und andere weitere Oberflächenbehandlungen erforderlich, um den Verwendungsanforderungen gerecht zu werden.
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