Sinterprozesse von Halbleiterkeramikbauteilen

Halbleitergeräte erfordern den Einsatz von Halbleitergeräten wie Ätzmaschinen, Fotolithographiemaschinen und Ionenimplantationsmaschinen. Im Inneren dieser Halbleiterbauelemente kommen zahlreiche keramische Bauteile zum Einsatz. Keramische Materialien bieten hervorragende Eigenschaften, darunter Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Präzision und hohe Festigkeit, wodurch sie sich gut für den Einsatz in Halbleitergeräten eignen. Viele Keramikkomponenten sind Schlüsselkomponenten in Halbleiterprozessen und stehen in direktem Kontakt mit den Wafern. Sie können eine präzise Steuerung der Waferoberflächentemperatur und ein schnelles Aufheizen oder Abkühlen erreichen.

Halbleiter-Keramikkomponenten gehören zu Hochleistungskeramik, typischerweise aus hochreinen, ultrafeinen anorganischen Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Yttriumoxid (Y₂O₃). Zu den Arten von Halbleiterkeramikkomponenten gehören: Halbleiter-Roboterarme, Keramikdüsen, Keramikfenster, Hohlraumabdeckungen aus Keramik, poröse Keramik-Vakuumsaugnäpfe und andere.

Der Vorbereitungsprozess für Halbleiterkeramikkomponenten umfasst hauptsächlich Pulvervorbereitung, Pulverformen, Hochtemperatursintern, Präzisionsbearbeitung, Qualitätsprüfung und Oberflächenbehandlung.

Bei den Sinterprozessen werden einige Keramikkomponenten entbindert und anschließend gesintert, während bei anderen die Entbinderung und das Sintern gleichzeitig durchgeführt werden. Typischerweise ist die Entbinderungstemperatur niedriger als die Sintertemperatur und übersteigt 1000 °C nicht. Hochtemperatur-Sinterverfahren umfassen hauptsächlich druckloses Sintern, Vakuumsintern und Atmosphärensintern. Durch das Sintern wird die Keramik von einem Grünkörper in eine dichte Struktur umgewandelt.

Die wichtigsten Sinterprozesse sind wie folgt:

1. Druckloses Sintern
   Unter drucklosem Sintern versteht man den Prozess, bei dem das Material unter Atmosphärendruck ohne die Anwendung von zusätzlichem Druck gesintert wird. Dies ist die am häufigsten verwendete Sintermethode, die typischerweise in einer Sauerstoffatmosphäre oder einer speziellen Gasatmosphäre durchgeführt wird. Beim drucklosen Sintern wird der geformte Grünkörper keinem äußeren Druck ausgesetzt, und die Pulverpartikel aggregieren und bilden unter normalem Atmosphärendruck kristalline Bindungen.

2. Vakuumsintern
   Beim Vakuumsintern werden keramische Grünkörper in einer Vakuumumgebung gesintert. Durch physikalische und chemische Einwirkungen wird der Grünkörper in einen dichten und harten Sinterkörper umgewandelt. Bei oxidkeramischen Körpern sind die Poren überwiegend mit Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff gefüllt, die beim Sintern entweichen. Gase wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und insbesondere Stickstoff können jedoch nur schwer durch die Poren entweichen, was zu einer verringerten Dichte des Endprodukts führt. Vakuumsintern stellt sicher, dass alle Gase ausgetrieben werden, wodurch die Dichte des Produkts verbessert wird.

3. Atmosphärensintern
   Für Keramiken, die beim drucklosen Sintern schwer zu sintern sind, wird üblicherweise das Sintern unter Atmosphärendruck eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden bestimmte Gase in den Ofen eingeleitet, um die erforderliche Atmosphäre zum Sintern der Keramikkomponenten zu schaffen. Je nach Material können unterschiedliche Atmosphären wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff oder Argon verwendet werden.

4.  

5.