Nelle apparecchiature per la produzione di semiconduttori, i componenti ceramici di precisione (come mandrini elettrostatici (ESC), anelli di messa a fuoco, supporti isolanti, rivestimenti di camere a vuoto e altre posizioni del nucleo) sono ampiamente utilizzati nelle posizioni del nucleo grazie alla loro resistenza superiore alle alte temperature, alla resistenza all'erosione del plasma, all'elevato isolamento e alle caratteristiche di bassa deformazione termica. Tuttavia, i materiali ceramici sono materiali intrinsecamente fragili con elevata durezza, nessuna capacità di deformazione plastica e proprietà fisiche estremamente sensibili allo stress termico e allo shock termico. Ciò significa che il tradizionale pensiero di progettazione meccanica per metalli o plastica fallisce completamente nel campo della ceramica: i metalli possono assorbire le concentrazioni di stress attraverso uno snervamento plastico localizzato, mentre le ceramiche subiscono fratture fragili solo quando viene superato il loro limite elastico. Pertanto, per progettare disegni ceramici di precisione che tengano veramente conto dei requisiti funzionali e della fattibilità della lavorazione, la progettazione per la producibilità (DFM) deve essere integrata nell'intero processo di configurazione geometrica, sistema di tolleranza, interfaccia di assemblaggio e proprietà del materiale.

1. Configurazione geometrica e limitazioni della tecnologia di elaborazione

Dal punto di vista dell'ottimizzazione della configurazione geometrica, il disegno del disegno deve rispettare nella massima misura i limiti di processo delle moderne tecnologie di lavorazione della ceramica (come la molatura del diamante, la lavorazione ad ultrasuoni, il taglio laser e la lavorazione ecologica). Nella progettazione strutturale, l’eliminazione delle fonti di concentrazione delle tensioni è il primo principio. Angoli interni acuti (come le transizioni ad angolo retto) dovrebbero essere evitati sui disegni, perché queste aree possono facilmente diventare la fonte di inizio ed espansione di micro-fessure sotto il campo di stress termico durante il processo di sinterizzazione e la successiva lavorazione meccanica, portando alla scheggiatura dei bordi di lavorazione o alla frattura del servizio. Tutti gli angoli interni devono essere progettati con raccordi di transizione quanto più grandi possibile (angoli R); se per esigenze di montaggio è necessario mantenere gli angoli retti, è necessario aggiungere alla struttura scanalature in sottosquadro o scanalature in rilievo. Allo stesso tempo, l’uniformità dello spessore delle pareti è fondamentale per determinare la qualità della sinterizzazione della ceramica. Poiché le ceramiche industriali sono formate da polvere e densificate mediante sinterizzazione ad alta temperatura, l'enorme differenza nello spessore della sezione trasversale porterà a un restringimento non uniforme, causando gravi deformazioni, stress residui interni e persino fessurazioni. Inoltre, le cavità profonde, i fori ciechi profondi e le strutture ad alto rapporto d'aspetto dovrebbero essere strettamente limitati nella progettazione delle caratteristiche, perché ciò non solo farà sì che le teste di rettifica diamantate e gli utensili di lavorazione a ultrasuoni si trovino ad affrontare una rigidezza insufficiente e l'usura degli utensili, ma peggioreranno anche notevolmente le condizioni di evacuazione dei trucioli e di raffreddamento.

2. Compromesso scientifico tra sistema di tolleranza e qualità della superficie

Quando si tratta di definire i sistemi di tolleranza e la qualità della superficie, gli ingegneri devono abbandonare il pensiero inerziale secondo cui “maggiore è la precisione, meglio è”. Tolleranze eccessive sono responsabili dell'aumento vertiginoso dei costi di lavorazione e dell'elevato tasso di scarto dei componenti tecnici in ceramica. Sebbene le ceramiche avanzate (come l'ossido di alluminio, il nitruro di alluminio, il carburo di silicio) possano raggiungere una precisione dimensionale inferiore al micron attraverso la rettifica di precisione, i disegni non devono imporre tolleranze rigorose su tutte le dimensioni senza distinzioni. Le dimensioni che non sono correlate alle superfici di accoppiamento, alle superfici libere o al posizionamento dell'assemblaggio devono essere sufficientemente rilassate per consentire loro di seguire le tolleranze convenzionali di stampaggio verde o sinterizzazione per la ceramica. L'etichettatura della ruvidità superficiale (Ra) deve essere mirata: la superficie originale sinterizzata non lavorata di solito ha una ruvidità maggiore, mentre le superfici funzionali (come la superficie di assorbimento del vuoto del wafer, la superficie di allineamento di precisione della tenuta dinamica, la superficie di isolamento ad alta frequenza e alta tensione) devono specificare chiaramente i requisiti per la rettifica di precisione del diamante o la lavorazione di lucidatura e valutare accuratamente il loro impatto effettivo sulle prestazioni tribologiche, sulla velocità di generazione delle particelle e sulle proprietà di sigillatura del vuoto.

3. Interfaccia di montaggio e adattamento all'espansione termica

Inoltre, le condizioni di lavoro estreme delle apparecchiature a semiconduttore determinano che le parti in ceramica debbano essere assemblate con parti strutturali in metallo, il che pone gravi sfide alla progettazione dell'interfaccia di assemblaggio e fissaggio nei disegni. Poiché la ceramica dura non può essere maschiata direttamente per creare filettature affidabili (la maschiatura diretta può facilmente portare alla rottura del profilo del dente o allo slittamento del dente), la progettazione di maschiatura diretta delle filettature interne sul corpo in ceramica dovrebbe essere completamente evitata nei disegni. Alternative ragionevoli includono: la progettazione di fori passanti con teste o gradini svasati e l'utilizzo di bulloni metallici a foro passante per il serraggio e il fissaggio; utilizzo di adesivi inorganici ad alta temperatura o maniche calde con inserti metallici incorporati; oppure utilizzando piastre di pressione di precisione e strutture a flangia per premere le parti in ceramica sulla base metallica. In modo più critico, le grandi differenze nei coefficienti di dilatazione termica devono essere compensate nei disegni e nelle tolleranze di adattamento. Il coefficiente di dilatazione termica delle ceramiche (come l'allumina, il carburo di silicio) è molto inferiore a quello dei metalli strutturali come l'acciaio inossidabile, le leghe di alluminio o le leghe di titanio. Se durante la progettazione non vengono riservati sufficienti spazi di dilatazione termica tra i fori di accoppiamento o i perni, quando la cavità del semiconduttore viene sottoposta a processi ad alta temperatura (come CVD, effetto parete calda della cavità Etch o cottura ad alta temperatura), poiché il tasso di espansione del metallo è molto maggiore di quello della ceramica, si genererà inevitabilmente stress da estrusione sulle parti in ceramica, provocandone la frattura catastrofica senza preavviso.

4. Definizione dei requisiti tecnici chiave

Infine, un disegno tecnico di ceramica semiconduttrice maturo e standardizzato deve contenere definizioni assolutamente inequivocabili delle proprietà del materiale e dei processi di post-elaborazione nei requisiti tecnici o nella colonna del titolo. Ciò include principalmente le seguenti quattro dimensioni fondamentali:

• Grado e purezza del materiale: Ad esempio, l'allumina ad elevata purezza al 6% o al 99,9% e il carburo di silicio sinterizzato per reazione vengono utilizzati per controllare rigorosamente il rischio di contaminazione dei processi avanzati dei semiconduttori da parte di tracce di impurità come i metalli alcalini.
• Indicatori di compattezza e tenuta all’aria: Definire chiaramente se la parte deve essere assolutamente densa e senza pori aperti (per soddisfare i requisiti degli ambienti ad altissimo vuoto) o se è consentita una struttura con una porosità specifica.
• Specifiche del microprocessore Edge: È obbligatorio che tutti gli spigoli vivi siano leggermente smussati o smussati (ad esempio entro 2 × 45° o R0.2) per eliminare bave microscopiche e prevenire la generazione di particelle microscopiche durante la movimentazione e l'assemblaggio in camera bianca.
• Specifiche di pulizia e imballaggio: Il prodotto finale deve essere sottoposto a pulizia a ultrasuoni e asciugatura con acqua deionizzata ad elevata purezza e confezionato in una confezione sottovuoto a doppio strato che soddisfa gli standard delle camere bianche dei semiconduttori.