エッチング、薄膜堆積、イオン注入などのコア半導体プロセスでは、装置内のコンポーネントは、極端なプラズマ環境、高電圧、腐食性ガス、頻繁な熱サイクル下で長期間安定して動作する必要があります。{0}アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの先進的なセラミック材料は、高硬度、高抵抗率、優れた耐プラズマ浸食性、優れた熱整合性を備え、かけがえのない主要材料となっています。ただし、硬度が高く、脆性が高く、破壊靱性が低いため、製造上の課題も生じます。さらに、下流産業が小型化、集積化、多機能化に向かうにつれて、半導体セラミックスの形状要件は、単純なプレート、ブロック、ロッドから、不規則な形状、多孔質の特徴、薄壁、複雑な曲面などの複雑な構造へと進化しています。半導体装置に必要な典型的な複雑な-形状のセラミック部品の例は次のとおりです。
(1) 静電チャック (ESC): 高密度のマイクロホール アレイ、複雑なガス チャネル パス、均一なウエハ サポートのためのマイクロ バンプ アレイを備えています。--。
(2) エッチング チャンバー絶縁コンポーネント: ガス シャワーヘッド、フォーカス リング、絶縁リングなど。多くの場合、湾曲したプロファイル、不均一な厚さのフランジ構造、多数の微細な微細孔、不規則な接続溝などを特徴とします。-
(3) 高精度センサー ハウジング: 薄い壁、閉じたまたは半閉じた内部空洞、ネジ付きインターフェース、小さなリード穴などを備えています。-
これらの複雑な形状は、従来の構造部品をはるかに超えた厳しい要件をセラミック製造プロセスに課します。次のセクションでは、成形、焼結、精密機械加工という 3 つの主要な段階における技術的課題と考えられる解決策を分析します。
1. 成形
成形は、複雑な形状の半導体セラミックを製造する際の最初の重要なステップです。{0}静電チャック、エッチング チャンバー絶縁部品、高精度センサー ハウジングなどのコンポーネントには、均一な内部構造とニアネット形状精度が必要です。-乾式プレスやスリップキャスティングなどの従来の成形方法は、金型の形状によって制限され、複雑な形状に対する多様で個別の要求を満たすことができません。さらに、複雑な-形状のグリーンボディの成形中、異なる領域で不均一な荷重と充填速度が発生すると、脱型時の応力集中による不均一な密度分布、寸法偏差、層間剥離、亀裂が発生することがよくあります。-現在、複雑な形状の半導体セラミックに適した主な成形プロセスは次のとおりです。-
1.1 ゲルのキャスト
このプロセスには、低粘度、高固形分充填セラミック スラリーを金型に注入し、有機モノマー、架橋剤、開始剤を加えてその場重合を誘導してグリーン ボディを形成することが含まれます。-複雑な形状の部品を直接形成でき、グリーンボディは乾燥および焼結中に最小限の変形を示すため、高い寸法精度が得られ、その後の機械加工コストが削減されます。その場重合は、セラミック粒子を三次元ネットワーク内で均一に分散および固定化し、粒子の沈降や不均一な分布によって引き起こされる密度勾配を回避するため、大型で薄肉の複雑な部品に特に適しています。-
1.2 セラミック射出成形（CIM）
CIM はニアネット シェイプ プロセスでもあります。{0}この手順では、セラミック粉末を有機結合剤および可塑剤と混合して原料を形成し、それを溶融状態まで加熱し、圧力下で金型に注入し、冷却して固化させ、脱型し、その後、脱脂および焼結して最終製品を得ることが含まれます。従来のスリップキャスティングと比較して、CIM は硬い金型内でプレスされた可塑化材料を使用するため、組成の偏析が回避されます。乾式プレスと比較して、CIM は流動充填により、密度、微細構造、および性能の不均一性を克服し、より均一なグリーン密度を提供します。センサー ハウジングや小さな絶縁リングなど、複雑な形状の小型高性能部品のコスト効率の高い大量生産に適しています。-
1.3 静水圧プレス
フォーカスリングのような軸対称の複雑な部品には静水圧プレスが使用できます。粉末は柔軟な型に密閉され、高圧容器内の液体または気体媒体に浸されます。-外部加圧システム (油圧ポンプなど) が液体に高圧を加えます。液体や気体は非圧縮性であるため、金型内の材料表面に均一に圧力が伝わり、全方向に均一な圧力が得られ、圧力勾配による密度ムラが発生しません。
1.4 3D 印刷
非常に複雑な内部チャネルを持つ部品 (冷却回路を備えた ESC プロトタイプなど) の場合、デジタル ライト プロセッシング (DLP) または直接インク書き込みにより、従来の金型では不可能な相互接続されたチャネルを作成できます。しかし、この技術は現在、スラリーの固体添加量が低いため制限されており、その結果、焼結密度が低くなり、収縮が大きくなります。
2. 焼結
焼結によりグリーンボディは緻密なセラミックに変化し、通常 15 ～ 25% の線形収縮が伴います。複雑な形状の部品の場合、厚さの変化により異方性収縮が発生します。これに不均一な温度や応力場が加わると、フィーチャの寸法精度が低下し、さらに深刻な場合は、反り、亀裂、または崩壊が発生する可能性があります。したがって、焼結プロセスの最適化では、収縮率の差の低減、異常な粒子成長の抑制、温度場の均一化、熱応力の最小化に焦点を当てます。複雑な形状に適した焼結方法には次のものがあります。
2.1 ホットプレス
焼結中に未焼結体に一軸圧力または等静圧を加えると、さらなる緻密化推進力が得られ、焼結温度が低下し、異常な粒子成長が抑制され、複雑な形状の維持に役立ちます。静電チャックやシャワーヘッドに最適です。
2.2 ガス圧焼結
高温焼結中に不活性ガス（窒素など）の圧力を加えると、材料の分解と揮発が抑制され、密閉気孔率が大幅に減少し、ガス状媒体による材料表面への均一な圧力が確保されます。複雑な形状のセラミック部品の焼結に適しています。{4}
2.3 放電プラズマ焼結（SPS）
SPS中、パルスDC電流が瞬間的なスパークプラズマを生成し、均一なジュール加熱と個々の粒子の表面活性化を引き起こします。異なる厚さにわたる緻密化がほぼ同時に起こり、温度場が極めて均一であるため、SPS は収縮率の差を大幅に低減します。ただし、現在の制限はチャンバーのサイズであるため、センサーのハウジングや小型の絶縁部品に適しています。
2.4 マイクロ波焼結
マイクロ波焼結では、電磁場を使用して材料内の電子、イオン、または双極子の分極を誘導し、誘電損失、伝導損失、または磁気損失を通じてマイクロ波エネルギーを熱に変換し、均一な体積加熱を実現します。従来の伝導加熱とは異なり、マイクロ波焼結は急速な温度上昇率と小さな温度勾配で内部から加熱するため、熱勾配によって引き起こされる変形や亀裂などの欠陥が減少します。
3. 精密加工
焼結セラミック部品では、半導体-グレードのアプリケーションでサブミクロンの寸法公差とナノメートルの表面粗さを達成するために、研削、ラッピング、研磨、さらにはレーザー加工が必要になることがよくあります。{0}{1}しかし、セラミックは硬度が高く脆いため、工具 (砥石、切削工具) が急速に摩耗し、加工コストが高くなります。さらに、この材料は研削力によってエッジの欠け、表面の微小亀裂、および表面下の損傷が発生しやすいです。 ESC バンプ アレイやシャワーヘッドの数千の微細穴など、高いエッジ品質を必要とする高密度で微細なフィーチャ-の場合、従来の研削やラッピング方法では不十分なことがよくあります。{6}過度の接触力によりエッジ欠けが発生したり、内壁やオリフィスに均一に到達できなかったりします。その結果、砥粒流研磨、レーザー穴あけ/研磨、磁気粘性流体研磨、プラズマ支援研磨など、複雑な形状のセラミックス向けに非接触または低接触-力によるさまざまな超精密加工技術が開発されました。-
3.1 砥粒流動研磨
ESC の背面に数百から数千の微細穴と深いガス チャネルがあるシャワーヘッドの底面の場合、研磨フロー研磨では、超微細研磨材を含む半固体の粘弾性研磨媒体を使用します。{{1}{2}}流体は油圧で駆動され、穴を通って繰り返し流れます。オリフィスで媒体が絞り出され、均一な滑り摩耗が生じ、バリが除去され、滑らかな丸みを帯びたエッジが形成されます。
3.2 レーザー加工と研磨
焼結後に閉塞したり形状に偏りがある微細穴の場合は、フェムト秒レーザーまたはピコ秒レーザーを使用して正確な穴修正を行います。{0}フェムト秒レーザーのパルス幅は非常に短いです。エネルギーの吸収と放出が非常に速いため、熱が周囲に拡散せず、その結果、0.01 μm 以下の熱影響ゾーンが形成され、穴壁には微小亀裂や再鋳造層が発生しません。-レーザー研磨では、低密度のレーザー ビームを使用してセラミック表面を急速にスキャンし、表面を浅く溶解させて高精度の研磨を実現します。これにより、従来の研磨での摩擦や圧力によって引き起こされる表面の傷、変形、摩耗を回避できます。-複雑な 3D 曲面、微細構造、または局所領域を簡単に処理できるため、研磨工具がアクセスできないセンサー ハウジングの内部キャビティに特に適しています。
3.3 磁気粘性流体の研磨
磁気粘性流体研磨は、ミクロンサイズのカルボニル鉄粉と研磨粒子をキャリア流体内に分散させ、強力な磁場下で粘度を制御可能な「柔軟な研磨ツール」を形成します。-磁場がセラミックワークピースの表面に局所的に適用されると、磁気粘性流体が研磨ゾーンで急速に凝固し、圧力とせん断流の組み合わせによって材料の除去が行われます。この方法は、高い表面精度と良好なプロセス制御性を実現し、複雑な曲面、薄壁、内壁、その他の届きにくい表面や、高い表面完全性と低い表面下の損傷を必要とする精密機械加工シナリオに特に適しています。--
3.4 プラズマ支援研磨（PAP）-
PAP は、最初にプラズマを使用してセラミック表面を改質してより柔らかい改質層を形成し、次に穏やかな研磨研磨を行って効率的な材料除去を達成する研磨方法です。高い除去効率、原子的に平坦な表面、および表面下の損傷がありません。ガスの流れと電場を制御することで、従来の研磨では困難であった複雑な曲面や内部空洞、微細穴などを均一に加工することができ、オールラウンドな加工を実現します。-