V zařízeních pro výrobu polovodičů jsou přesné keramické součásti (jako jsou elektrostatické upínače (ESC), zaostřovací kroužky, izolační podpěry, obložení vakuové komory a další polohy jádra) široce používány v polohách jádra kvůli jejich vynikající odolnosti vůči vysokým teplotám, odolnosti proti plazmové erozi, vysoké izolaci a nízkým charakteristikám tepelné deformace. Keramické materiály jsou však ze své podstaty křehké materiály s vysokou tvrdostí, bez schopnosti plastické deformace a fyzikálními vlastnostmi, které jsou extrémně citlivé na tepelné namáhání a teplotní šok. To znamená, že tradiční mechanické konstrukční myšlení pro kovy nebo plasty v oblasti keramiky zcela selhává – kovy mohou absorbovat koncentrace napětí prostřednictvím lokalizované plastické poddajnosti, zatímco keramika podléhá křehkému lomu pouze při překročení jejich meze pružnosti. Proto, aby bylo možné navrhnout přesné keramické výkresy, které skutečně zohledňují funkční požadavky a proveditelnost zpracování, musí být design pro vyrobitelnost (DFM) integrován do celého procesu geometrické konfigurace, tolerančního systému, rozhraní sestavy a vlastností materiálu.

1. Omezení geometrické konfigurace a technologie zpracování

Z hlediska optimalizace geometrické konfigurace musí výkresový návrh v co největší míře odpovídat procesním limitům moderních technologií zpracování keramiky (jako je broušení diamantem, ultrazvukové zpracování, řezání laserem a zelené obrábění). Při navrhování konstrukcí je prvním principem eliminace zdrojů koncentrace napětí. Na výkresech je třeba se vyvarovat ostrých vnitřních rohů (jako jsou pravoúhlé přechody), protože tyto oblasti se mohou snadno stát zdrojem iniciace a expanze mikrotrhlin pod polem teplotního namáhání během procesu slinování a následného mechanického zpracování, což vede k vylamování ostří nebo provoznímu lomu. Všechny vnitřní rohy musí být navrženy co největší přechodové zaoblení (R rohy); musí-li být zachovány pravé úhly z důvodu montážních požadavků, musí být do konstrukce přidány podříznuté drážky nebo odlehčovací drážky. Rovnoměrnost tloušťky stěny je zároveň zásadní pro určení kvality slinování keramiky. Vzhledem k tomu, že průmyslová keramika je tvořena z prášku a zhušťována vysokoteplotním slinováním, obrovský rozdíl v tloušťce průřezu povede k nerovnoměrnému smrštění, což způsobí silnou deformaci deformace, vnitřní zbytkové napětí a dokonce i praskání. Kromě toho by měly být v konstrukci prvků přísně omezeny hluboké dutiny, hluboké slepé díry a struktury s vysokým poměrem stran, protože to nejenže způsobí, že diamantové brusné hlavy a ultrazvukové obráběcí nástroje budou čelit vážné nedostatečné tuhosti a opotřebení nástroje, ale také se výrazně zhorší odvod třísek a podmínky chlazení.

2. Vědecký kompromis mezi tolerančním systémem a kvalitou povrchu

Pokud jde o definování tolerančních systémů a kvality povrchu, musí inženýři opustit inerciální myšlení, že „čím vyšší přesnost, tím lépe“. Přílišné tolerance jsou zodpovědné za stoupající náklady na obrábění a vysokou míru zmetkovitosti součástí technické keramiky. Přestože pokročilá keramika (jako je oxid hlinitý, nitrid hliníku, karbid křemíku) může dosáhnout přesnosti submikrometrových rozměrů díky přesnému broušení, výkresy nesmí ukládat přísné tolerance na všechny rozměry bez rozdílu. Rozměry, které nesouvisejí s lícujícími plochami, volnými plochami nebo polohováním sestavy, by měly být dostatečně uvolněné, aby jim umožnily dodržet konvenční tolerance syrového lití nebo slinování pro keramiku. Označení drsnosti povrchu (Ra) musí být cílené - neopracovaný slinutý původní povrch má obvykle vyšší drsnost, zatímco u funkčních povrchů (jako je vakuový adsorpční povrch plátku, povrch s precizním vyrovnáním dynamického těsnění, vysokofrekvenční a vysokonapěťový izolační povrch) je třeba jasně specifikovat požadavky na přesné vlastnosti diamantového broušení nebo leštění a na přesné zvážení jejich skutečného výkonu ve vakuu.

3. Montážní rozhraní a přizpůsobení tepelné roztažnosti

Kromě toho extrémní pracovní podmínky polovodičových zařízení určují, že keramické díly musí být smontovány s kovovými konstrukčními díly, což představuje vážné problémy pro konstrukci montážního a upevňovacího rozhraní na výkresech. Vzhledem k tomu, že tvrdou keramiku nelze přímo závitovat pro vytvoření spolehlivých závitů (přímé řezání závitů může snadno vést k prasknutí profilu zubu nebo sklouznutí zubu), je třeba se na výkresech zcela vyhnout provedení přímého řezání vnitřních závitů na keramickém tělese. Mezi rozumné alternativy patří: navržení průchozích otvorů se zapuštěnou hlavou nebo schody a použití kovových průchozích šroubů pro upnutí a upevnění; použití vysokoteplotních anorganických lepidel nebo horkých návleků s vloženými kovovými vložkami; nebo pomocí přesných přítlačných desek a přírubových konstrukcí k lisování keramických dílů na kovovou základnu. Ještě důležitější je, že velké rozdíly v koeficientech tepelné roztažnosti musí být kompenzovány ve výkresech a tolerancích lícování. Koeficient tepelné roztažnosti keramiky (jako je oxid hlinitý, karbid křemíku) je mnohem nižší než u konstrukčních kovů, jako je nerezová ocel, slitiny hliníku nebo slitiny titanu. Pokud nejsou během návrhu vyhrazeny dostatečné tepelné dilatační mezery mezi protilehlými otvory nebo kolíky, když dutina polovodiče prochází vysokoteplotními procesy (jako je CVD, efekt horké stěny leptací dutiny nebo vysokoteplotní vypalování), protože rychlost roztažnosti kovu je mnohem větší než u keramiky, bude na keramických částech nevyhnutelně generováno vytlačovací napětí bez varování, že dojde ke katastrofálnímu lomu.

4. Definice klíčových technických požadavků

Konečně, vyzrálý a standardizovaný technický výkres polovodičové keramiky musí mít naprosto jednoznačné definice materiálových vlastností a procesů následného zpracování v technických požadavcích nebo v záhlaví. To zahrnuje především následující čtyři základní dimenze:

• Kvalita a čistota materiálu: Například 6% nebo 99,9% vysoce čistý oxid hlinitý a reakční slinutý karbid křemíku se používají k přísné kontrole rizika kontaminace pokročilých polovodičových procesů stopovými nečistotami, jako jsou alkalické kovy.
• Indikátory kompaktnosti a vzduchotěsnosti: Jasně definujte, zda součást musí být absolutně hustá s nulovými otevřenými póry (pro splnění požadavků prostředí s ultravysokým vakuem), nebo zda je povolena struktura se specifickou porézností.
• Specifikace mikroprocesoru Edge: Je povinné, aby všechny ostré hrany byly mírně zkosené nebo otupené (např. v rozsahu 2 × 45° nebo R0,2), aby se odstranily mikroskopické otřepy a zabránilo se tvorbě mikroskopických částic během manipulace a montáže v čisté místnosti.
• Specifikace čištění a balení: Konečný produkt musí projít ultrazvukovým čištěním a sušením vysoce čistou deionizovanou vodou a musí být zabalen do vakuového dvouvrstvého obalu, který splňuje standardy pro čisté prostory pro polovodiče.