Da sich Halbleiterfertigungsprozesse in Richtung Knoten im Nanometerbereich bewegen, werden Kernprozessgeräte wie Ätzanlagen und Dünnschichtabscheidungssysteme immer strengeren Anforderungen an Verarbeitungspräzision, Reinheit und Ausbeute ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund sind Präzisionskeramikkomponenten zum Schlüsselfaktor für die Gewährleistung der Prozessstabilität geworden. Unter diesen machen Strukturteile aus Aluminiumoxidkeramik etwa 45 % des Marktes für Präzisionskeramikkomponenten aus und sind damit die am weitesten verbreiteten. Wie wird Aluminiumoxidkeramik, scheinbar ein Grundmaterial, zu einem unverzichtbaren „Standardmaterial“ für zahlreiche Halbleitergeräte?
Kernanforderungen der Halbleiterfertigung für Aluminiumoxidkeramik
Die Halbleiterfertigung ist eine „heikle Aufgabe, die unter extremen Bedingungen durchgeführt wird“, die hohe Temperaturen, starke Korrosion, hohe Spannung und präzise Reibung erfordern. Strukturteile aus Aluminiumoxidkeramik zeichnen sich durch eine Kombination schwer zu erreichender Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Sauberkeit und hohe Isolierung aus, die perfekt auf die strengen Anforderungen der Halbleiterindustrie abgestimmt sind:
Plasmaerosionsbeständigkeit: Bei Ätzprozessen widersteht es stark korrosivem Plasma und vermeidet eine Partikelkontamination.
Thermoschockbeständigkeit und Dimensionsstabilität: Bei Abscheidungsprozessen mit häufigen Temperaturänderungen bleibt die Präzision im Mikrometerbereich erhalten und gewährleistet so eine genaue Waferpositionierung.
Hohe Sauberkeit: In ultrareinen Umgebungen wie Fotolithografie und Inspektion werden nahezu keine Partikel freigesetzt, wodurch die Ausbeute gesichert wird.
Derzeit liegt die Reinheit von Aluminiumoxidkeramiken, die in Halbleitergeräten verwendet werden, im Allgemeinen über 99,5 %, wobei Aluminiumoxidkeramiken in Ätzqualität Reinheiten über 99,8 % erreichen und sogar den 4N-Grad (99,99 %) erreichen. Diese Materialien erscheinen transparent oder halbtransparent, wobei die Leistungsindikatoren mit denen von einkristallinem Saphir vergleichbar sind. Darüber hinaus können bestimmte Eigenschaften wie Biegefestigkeit und Druckfestigkeit aufgrund ihrer feinen -Kornstruktur sogar die von einkristallinem Saphir übertreffen.
Vorbereitungsprozesse und Entwicklungstrends
Die Herstellung von Aluminiumoxid-Keramikkomponenten ist ein multidisziplinärer systemtechnischer Prozess, der hauptsächlich die Pulvervorbereitung, Formung, Sintern, Präzisionsbearbeitung, Qualitätsprüfung und Oberflächenbehandlung umfasst. Unter diesen haben Form- und Sinterprozesse einen entscheidenden Einfluss auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramikmaterialien und machen sie zu zwei kritischen Schritten bei der Herstellung von Aluminiumoxidkeramik.
(1) Pulverzubereitung
Hochreine Aluminiumoxid-Rohstoffe werden chargiert, mechanisch in der Kugelmühle gemahlen und sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver mit gleichmäßiger Partikelgröße und guter Fließfähigkeit herzustellen.
(2) Umformprozess
Beim Formen wird das Aluminiumoxidpulver zu einem keramischen Grünkörper geformt. Je nach Form und Präzisionsanforderungen des Bauteils werden Verfahren wie Trockenpressen, isostatisches Pressen, Foliengießen oder Spritzgießen gewählt. Zur Herstellung von Aluminiumoxidrohlingen wird derzeit hauptsächlich Trockenpressen in Kombination mit kaltisostatischem Pressen eingesetzt.
(3) Sintern bei hoher-Temperatur
Beim Sintern wird das Pulver erhitzt, um eine Partikelbindung herbeizuführen, was zu Materialmigration, Verdichtung und Rekristallisation führt. Zur Verdichtung des Grünkörpers kommen Verfahren wie druckloses Sintern, Heißpressen oder heißisostatisches Pressen zum Einsatz. Hochreines Aluminiumoxid erfordert typischerweise Sintertemperaturen von 1600–1800 Grad.
(4) Präzisionsbearbeitung
Mithilfe von CNC-Drehmaschinen und Schleifmaschinen wird der Sinterkörper geschnitten, gedreht, geschliffen, gefräst und gebohrt, um die gewünschten Keramikkomponenten herzustellen. Unter Keramik-CNC-Bearbeitung versteht man den subtraktiven Herstellungsprozess, der von Computern gesteuert wird, um Maschinen und Schneidwerkzeuge zu bedienen und zu manipulieren, wobei eine Maßgenauigkeit im Mikrometerbereich- erreicht und die Konsistenz über mehrere Teile hinweg sichergestellt wird.
(5) Oberflächenbehandlung und Qualitätsprüfung
In der Halbleiterindustrie werden extrem hohe Sauberkeitsanforderungen gestellt. Nach bestandener Qualitätsprüfung werden Halbleiterkeramikkomponenten einer weiteren Oberflächenreinigung unterzogen, typischerweise unter Verwendung von Methoden wie Säurereinigung, Alkalireinigung oder Reinigung mit organischen Lösungsmitteln. Nach der Reinigung und Trocknung werden die Produkte erneut-auf ihre Qualität geprüft. Qualifizierte Produkte werden dann in einem Reinraum verpackt.
Bei Keramikbauteilen mit besonderen Anforderungen können zusätzliche Oberflächenbehandlungen wie Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, elektrostatisches Spritzen, Aufdampfen, Ultra-Clean-Reinigung, Eloxieren oder Metallisieren angewendet werden, um betriebliche Standards zu erfüllen.
