식각, 박막 증착, 이온 주입 등 핵심 반도체 공정에서 장비 내부 구성 요소는 극한의 플라즈마 환경, 고전압, 부식성 가스 및 잦은 열 순환에서도 장기간 안정적으로 작동해야 합니다. 알루미나, 질화알루미늄, 탄화규소, 질화규소 등의 고급 세라믹 소재는 높은 경도, 높은 저항률, 뛰어난 플라즈마 내식성, 우수한 열 매칭을 갖추고 있어 대체할 수 없는 핵심 소재가 되었습니다. 그러나 높은 경도, 높은 취성 및 낮은 파괴 인성도 제조상의 문제를 야기합니다. 더욱이, 다운스트림 산업이 소형화, 집적화, 다기능화를 향해 나아가면서 반도체 세라믹에 대한 형상 요구사항은 단순한 판, 블록, 봉에서 불규칙한 형상, 다공성 형상, 얇은 벽, 복잡한 곡면과 같은 복잡한 구조로 진화했습니다. 반도체 장비에 필요한 일반적인 복잡한- 형태의 세라믹 부품의 예는 다음과 같습니다.
(1) 정전척(ESC): 균일한 웨이퍼 지지를 위한 고밀도 마이크로-홀 어레이, 복잡한 가스 채널 경로 및 마이크로{3}}범프 어레이를 포함합니다.
(2) 에칭 챔버 절연 부품: 가스 샤워헤드, 포커스 링, 절연 링 등과 같은 곡선 프로파일, 불균일한-두께 플랜지 구조, 다수의 미세한 미세-구멍 및 불규칙한 연결 홈을 특징으로 하는 경우가 많습니다.
(3) 정밀 센서 하우징: 얇은 벽, 폐쇄형 또는 반{1}}밀폐형 내부 공동, 나사식 인터페이스 및 작은 리드 구멍 등이 있습니다.
이러한 복잡한 모양은 기존 구조 부품을 훨씬 뛰어넘는 세라믹 제조 공정에 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 다음 섹션에서는 성형, 소결, 정밀 가공의 세 가지 주요 단계에서 기술적 과제와 가능한 솔루션을 분석합니다.
1. 성형
성형은 복잡한-모양의 반도체 세라믹을 생산하는 데 있어서 중요한 첫 번째 단계입니다. 정전 척, 에칭 챔버 절연 부품, 정밀 센서 하우징과 같은 구성 요소에는 균일한 내부 구조와 거의-순 모양 정확도가 필요합니다. 건식 프레싱 및 슬립 캐스팅과 같은 기존 성형 방법은 금형 형상에 의해 제한되며 복잡한 형상에 대한 다양하고 개별화된 요구를 충족할 수 없습니다. 더욱이, 복잡한- 모양의 성형체를 형성하는 동안 서로 다른 영역에서 불균일한 로딩 및 충전 속도로 인해 종종 불균일한 밀도 분포, 치수 편차, 박리 및 탈형 중 응력 집중으로 인한 균열이 발생합니다. 현재 복잡한- 모양의 반도체 세라믹에 적합한 주요 성형 공정은 다음과 같습니다.
1.1 젤 캐스팅
이 공정에는 저-점도, 고형-고체-장입 세라믹 슬러리를 금형에 주입하고 유기 단량체, 가교제 및 개시제를 첨가하여 현장 중합을 유도하고 성형체를 형성하는 과정이 포함됩니다.- 복잡한- 모양의 부품을 직접 형성할 수 있으며, 성형체는 건조 및 소결 중에 변형이 최소화되어 치수 정확도가 높아지고 후속 가공 비용이 절감됩니다. 현장 중합은 3차원 네트워크에서 세라믹 입자를 균일하게 분산 및 고정시켜 입자 침강 또는 고르지 못한 분포로 인한 밀도 구배를 방지하므로 특히 대형-크기의 얇은 벽으로 구성된 복잡한 구성 요소에 적합합니다.
1.2 세라믹 사출성형(CIM)
CIM은 또한 거의-순 형태 프로세스입니다. 이 절차에는 세라믹 분말을 유기 결합제 및 가소제와 혼합하여 공급원료를 형성하고, 이를 용융 상태로 가열하고, 압력을 가해 금형에 주입하고, 냉각하여 응고하고, 탈형한 다음, 탈지 및 소결하여 최종 제품을 얻는 과정이 포함됩니다. 기존 슬립 캐스팅과 비교하여 CIM은 견고한 금형에 압축된 가소화된 재료를 사용하여 구성 분리를 방지합니다. 건식 프레싱에 비해 CIM은 흐름 충진, 밀도, 미세 구조 및 성능 불균일성 극복으로 인해 더욱 균일한 그린 밀도를 제공합니다. 이는 센서 하우징 및 소형 절연 링과 같이 모양이 복잡한 소형 고성능 부품을 비용 효율적으로 대량 생산하는 데 적합합니다.-
1.3 등방성 프레싱
초점 링과 같은 축대칭의 복잡한 부품의 경우 등방압 프레싱을 사용할 수 있습니다. 분말을 유연한 주형에 밀봉하고 고압 용기 내부의 액체 또는 기체 매질에 담급니다.- 외부 가압 시스템(예: 유압 펌프)은 액체에 높은 압력을 가합니다. 액체나 기체는 비압축성이므로 압력이 금형 내부의 재료 표면에 균일하게 전달되어 모든 방향에서 균일한 압력을 달성하고 압력 구배로 인한 밀도 불균일을 방지합니다.
1.4 3D 인쇄
매우 복잡한 내부 채널이 있는 부품(예: 냉각 회로가 있는 ESC 프로토타입)의 경우 디지털 조명 처리(DLP) 또는 직접 잉크 쓰기를 통해 기존 금형으로는 불가능했던 상호 연결된 채널을 만들 수 있습니다. 그러나 이 기술은 현재 슬러리의 낮은 고체 부하로 인해 제한되어 소결 밀도가 낮아지고 수축이 커집니다.
2. 소결
소결은 압분체를 조밀한 세라믹으로 변형시키며 일반적으로 15~25%의 선형 수축을 동반합니다. 복잡한- 모양의 부품의 경우 두께 변화로 인해 이방성 수축이 발생합니다. 이는-균일하지 않은 온도 또는 응력 장과 결합하여 형상 치수 정확도를 저하시키고 더 심각하게는 뒤틀림, 균열 또는 붕괴를 유발할 수 있습니다. 따라서 소결 공정 최적화는 수축률 차이 감소, 비정상적인 입자 성장 억제, 온도 장 균질화 및 열 응력 최소화에 중점을 둡니다. 복잡한 형상에 적합한 소결 방법은 다음과 같습니다.
2.1 핫 프레싱
소결 중 성형체에 일축 또는 등방압을 가하면 치밀화 추진력이 추가로 제공되고, 소결 온도가 낮아지며, 비정상적인 입자 성장이 억제되고, 복잡한 형태를 유지하는 데 도움이 됩니다. 정전 척 및 샤워헤드에 적합합니다.
2.2 가스압력 소결
고온 소결 중에 불활성 가스(예: 질소) 압력을 가하면 재료의 분해 및 휘발이 억제되고 폐쇄 다공성이 크게 감소하며 가스 매질로 인해 재료 표면에 균일한 압력이 보장됩니다. 복합- 형태의 세라믹 부품 소결에 적합합니다.
2.3 스파크 플라즈마 소결(SPS)
SPS 동안 펄스형 DC 전류는 순간적인 스파크 플라즈마를 생성하여 균일한 줄 가열과 개별 입자의 표면 활성화를 유발합니다. 서로 다른 두께에 걸쳐 치밀화가 거의 동시에 발생하고 온도 장이 매우 균일하기 때문에 SPS는 수축률의 차이를 크게 줄입니다. 그러나 전류 제한은 챔버 크기이므로 센서 하우징이나 소형 절연 부품에 적합합니다.
2.4 마이크로파 소결
마이크로파 소결은 전자기장을 사용하여 재료 내에서 전자, 이온 또는 쌍극자의 분극을 유도하고, 유전체, 전도성 또는 자기 손실을 통해 마이크로파 에너지를 열로 변환하여 균일한 체적 가열을 달성합니다. 기존의 전도성 가열과 달리 마이크로파 소결은 빠른 램프 속도와 작은 온도 구배로 내부에서 가열되므로 열 구배로 인한 변형 및 균열과 같은 결함을 줄입니다.
3. 정밀가공
소결 세라믹 부품은 반도체 등급 응용 분야에 대해 미크론 미만의 치수 공차와 나노미터 표면 거칠기를 달성하기 위해 종종 연삭, 래핑, 연마 및 레이저 가공이 필요합니다.- 그러나 세라믹의 높은 경도와 취성으로 인해 공구(연삭 휠, 절삭 공구)가 빠르게 마모되고 가공 비용이 높아집니다. 더욱이 이 소재는 연삭력으로 인해 가장자리가 부서지고 표면 미세 균열이 발생하고 표면 아래가 손상되기 쉽습니다. ESC 범프 어레이 및 샤워헤드의 수천 개의 마이크로-구멍과 같이 높은 가장자리 품질이 요구되는 조밀하고 미세한 형상의 경우-기존의 그라인딩 및 래핑 방법은 종종 부적절합니다. 과도한 접촉력으로 인해 모서리 치핑이 발생하거나 내부 벽과 오리피스에 균일하게 도달할 수 없습니다. 결과적으로 연마 유동 연마, 레이저 드릴링/연마, 자기유변 유체 연마 및 플라즈마 보조 연마를 포함하여 복잡한-형상 세라믹을 위한 다양한 비{10}}또는 낮은{11}}접촉-힘 초-정밀 가공 기술이 개발되었습니다.
3.1 연마 흐름 연마
수백에서 수천 개의 미세 구멍이 있는 샤워헤드 바닥 표면과 ESC 후면에 깊은 가스 채널이 있는 경우 연마 흐름 연마에서는 초미세 연마제가 포함된 반고체 점탄성 연마 매체를-사용합니다. 유압식으로 구동되는 매체는 구멍을 통해 반복적으로 흐릅니다. 오리피스에서 매체가 압착되어 버를 제거하고 부드럽고 둥근 모서리를 형성하는 균일한 슬라이딩 마모가 발생합니다.
3.2 레이저 가공 및 연마
소결 후 막히거나 형태 편차가 있는 미세-구멍의 경우 펨토초 또는 피코초 레이저를 사용하여 구멍을 정밀하게 교정합니다. 펨토초 레이저는 펄스 폭이 매우 짧습니다. 에너지가 너무 빨리 흡수되고 방출되어 열이 주변 영역으로 확산되지 않아 열 영향 영역이 0.01μm 미만이 되고 구멍 벽에 미세 균열과 재주조 층이 없게 됩니다. 레이저 연마는 저-에너지-밀도 레이저 빔을 사용하여 세라믹 표면을 빠르게 스캔하여 얕은 표면 용융을 유발하여 고정밀 연마를 달성하고 기존 연마에서 마찰과 압력으로 인한 표면 긁힘, 변형 또는 마모를 방지합니다. 복잡한 3D 곡면, 미세 구조 또는 국부적인 영역을 쉽게 처리할 수 있으므로 연마 도구에 접근할 수 없는 센서 하우징의 내부 공동에 특히 적합합니다.
3.3 자기유변유체 연마
자기유변 유체 연마는 미크론{0}}크기의 카르보닐 철 분말과 연마 입자를 캐리어 유체에 분산시켜 강한 자기장 하에서 제어 가능한-점도의 '유연한 연마 도구'를 형성합니다. 자기장이 세라믹 가공물 표면에 국부적으로 적용되면 자기유변유체는 연마 영역에서 빠르게 응고되고 재료 제거는 압력과 전단 흐름이 결합되어 발생합니다. 이 방법은 높은 표면 정확도와 우수한 공정 제어성을 제공하며 특히 복잡한 곡면, 얇은 벽, 내부 벽 및 기타 닿기 어려운--표면은 물론 높은 표면 무결성과 낮은 표면 손상이 필요한 정밀 가공 시나리오에 적합합니다.
3.4 플라즈마-보조 연마(PAP)
PAP는 먼저 플라즈마를 사용하여 세라믹 표면을 수정하여 더 부드러운 개질 층을 형성한 다음 부드러운 연마 연마를 통해 효율적인 재료 제거를 달성하는 연마 방법입니다. 높은 제거 효율성, 원자적으로 평평한 표면, 표면 아래 손상 없음을 제공합니다. 가스의 흐름과 전기장을 제어함으로써 복잡한 곡면, 내부 공동, 미세{2}}홀 등 기존 연마로는 접근하기 어려운 부위를 균일하게 처리하여 만능-가공이 가능합니다.