Trong thiết bị sản xuất chất bán dẫn, các thành phần gốm chính xác (chẳng hạn như mâm cặp tĩnh điện (ESC), vòng lấy nét, giá đỡ cách điện, lớp lót buồng chân không và các vị trí lõi khác) được sử dụng rộng rãi ở các vị trí lõi nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao vượt trội, chống xói mòn plasma, cách nhiệt cao và đặc tính biến dạng nhiệt thấp. Tuy nhiên, vật liệu gốm vốn là vật liệu giòn, có độ cứng cao, không có khả năng biến dạng dẻo và có tính chất vật lý cực kỳ nhạy cảm với ứng suất nhiệt và sốc nhiệt. Điều này có nghĩa là tư duy thiết kế cơ học truyền thống cho kim loại hoặc nhựa hoàn toàn thất bại trong lĩnh vực gốm sứ - kim loại có thể hấp thụ nồng độ ứng suất thông qua sự chảy dẻo cục bộ, trong khi gốm sứ chỉ bị gãy giòn khi vượt quá giới hạn đàn hồi của chúng. Do đó, để thiết kế các bản vẽ gốm chính xác thực sự tính đến các yêu cầu chức năng và tính khả thi của quá trình xử lý, thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) phải được tích hợp vào toàn bộ quy trình về cấu hình hình học, hệ thống dung sai, giao diện lắp ráp và tính chất vật liệu.

1. Hạn chế về cấu hình hình học và công nghệ xử lý

Từ góc độ tối ưu hóa cấu hình hình học, thiết kế bản vẽ phải tuân thủ ở mức độ lớn nhất các giới hạn quy trình của công nghệ xử lý gốm sứ hiện đại (như mài kim cương, xử lý siêu âm, cắt laser và gia công xanh). Trong thiết kế kết cấu, việc loại bỏ các nguồn tập trung ứng suất là nguyên tắc đầu tiên. Nên tránh các góc nhọn bên trong (chẳng hạn như chuyển tiếp góc vuông) trên bản vẽ, vì các khu vực này có thể dễ dàng trở thành nguồn gây ra vết nứt vi mô và giãn nở dưới trường ứng suất nhiệt trong quá trình thiêu kết và xử lý cơ học tiếp theo, dẫn đến sứt mẻ cạnh xử lý hoặc gãy dịch vụ. Tất cả các góc bên trong phải được thiết kế càng lớn càng tốt các góc chuyển tiếp (góc R); nếu phải giữ lại các góc vuông do yêu cầu lắp ráp thì phải thêm các rãnh cắt dưới hoặc rãnh giảm nhẹ vào kết cấu. Đồng thời, độ đồng đều của tường là yếu tố quyết định chất lượng của quá trình thiêu kết gốm. Do gốm công nghiệp được hình thành từ bột và được cô đặc bằng quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao, nên sự chênh lệch lớn về độ dày mặt cắt sẽ dẫn đến độ co ngót không đều, gây biến dạng cong vênh nghiêm trọng, ứng suất dư bên trong và thậm chí là nứt. Ngoài ra, các khoang sâu, lỗ mù sâu và cấu trúc tỷ lệ khung hình cao phải được hạn chế nghiêm ngặt trong thiết kế tính năng, bởi vì điều này không chỉ khiến đầu mài kim cương và các công cụ gia công siêu âm phải đối mặt với tình trạng không đủ độ cứng và mài mòn dụng cụ mà còn làm xấu đi đáng kể các điều kiện làm mát và thoát phoi.

2. Sự cân bằng khoa học giữa hệ dung sai và chất lượng bề mặt

Khi cần xác định hệ thống dung sai và chất lượng bề mặt, các kỹ sư phải từ bỏ suy nghĩ quán tính rằng “độ chính xác càng cao thì càng tốt”. Dung sai quá mức là nguyên nhân khiến chi phí gia công tăng cao và tỷ lệ phế liệu cao của các bộ phận gốm kỹ thuật. Mặc dù gốm sứ tiên tiến (chẳng hạn như nhôm oxit, nhôm nitrit, cacbua silic) có thể đạt được độ chính xác kích thước dưới micron thông qua quá trình mài chính xác, nhưng các bản vẽ không được áp đặt dung sai nghiêm ngặt trên tất cả các kích thước mà không có sự phân biệt. Các kích thước không liên quan đến bề mặt tiếp xúc, bề mặt tự do hoặc vị trí lắp ráp phải được nới lỏng đủ để cho phép chúng tuân theo dung sai đúc màu xanh lá cây hoặc thiêu kết thông thường đối với gốm sứ. Việc ghi nhãn độ nhám bề mặt (Ra) phải được nhắm mục tiêu - bề mặt ban đầu thiêu kết chưa qua xử lý thường có độ nhám cao hơn, trong khi các bề mặt chức năng (như bề mặt hấp phụ chân không wafer, bề mặt căn chỉnh chính xác của con dấu động, bề mặt cách điện tần số cao và điện áp cao) cần xác định rõ ràng các yêu cầu đối với quá trình mài hoặc đánh bóng kim cương chính xác và cân nhắc chính xác tác động thực tế của chúng đến hiệu suất ma sát, tốc độ tạo hạt và đặc tính niêm phong chân không.

3. Giao diện lắp ráp và thích ứng giãn nở nhiệt

Ngoài ra, điều kiện làm việc khắc nghiệt của thiết bị bán dẫn xác định rằng các bộ phận gốm phải được lắp ráp bằng các bộ phận kết cấu kim loại, điều này đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với việc thiết kế giao diện lắp ráp và buộc chặt trong bản vẽ. Vì gốm cứng không thể tarô trực tiếp để tạo ra các ren đáng tin cậy (việc gõ trực tiếp có thể dễ dàng dẫn đến nứt biên dạng răng hoặc trượt răng), nên tránh hoàn toàn việc thiết kế tarô trực tiếp các ren bên trong trên thân sứ trong bản vẽ. Các phương án hợp lý bao gồm: thiết kế lỗ xuyên có đầu hoặc bậc chìm và sử dụng bu lông xuyên lỗ bằng kim loại để kẹp và cố định; sử dụng chất kết dính vô cơ ở nhiệt độ cao hoặc ống bọc nóng có chèn kim loại; hoặc sử dụng các tấm áp lực và kết cấu mặt bích chính xác để ép các bộ phận gốm lên nền kim loại. Quan trọng hơn, sự khác biệt lớn về hệ số giãn nở nhiệt phải được bù đắp trong bản vẽ và dung sai lắp đặt. Hệ số giãn nở nhiệt của gốm sứ (như alumina, cacbua silic) thấp hơn nhiều so với các kim loại kết cấu như thép không gỉ, hợp kim nhôm hoặc hợp kim titan. Nếu không dành đủ khoảng trống giãn nở nhiệt giữa các lỗ giao tiếp hoặc chân trong quá trình thiết kế, khi khoang bán dẫn trải qua các quá trình nhiệt độ cao (chẳng hạn như CVD, hiệu ứng thành nóng của khoang Etch hoặc nướng ở nhiệt độ cao), do tốc độ giãn nở của kim loại lớn hơn nhiều so với gốm sứ, ứng suất đùn chắc chắn sẽ được tạo ra trên các bộ phận gốm, khiến chúng bị gãy nghiêm trọng mà không báo trước.

4. Xác định các yêu cầu kỹ thuật chính

Cuối cùng, một bản vẽ kỹ thuật gốm bán dẫn hoàn chỉnh và được tiêu chuẩn hóa phải có định nghĩa hoàn toàn rõ ràng về đặc tính vật liệu và quy trình xử lý hậu kỳ trong yêu cầu kỹ thuật hoặc cột tiêu đề. Điều này chủ yếu bao gồm bốn khía cạnh cốt lõi sau:

• Cấp vật liệu và độ tinh khiết: Ví dụ, alumina có độ tinh khiết cao 6% hoặc 99,9% và cacbua silic thiêu kết phản ứng được sử dụng để kiểm soát chặt chẽ nguy cơ ô nhiễm của các quy trình bán dẫn tiên tiến do các tạp chất dạng vết như kim loại kiềm.
• Chỉ số độ nén và độ kín khí: Xác định rõ ràng liệu bộ phận có cần mật độ tuyệt đối với lỗ chân lông mở bằng không (để đáp ứng các yêu cầu của môi trường chân không cực cao) hay liệu một cấu trúc có độ xốp cụ thể có được phép hay không.
• Thông số kỹ thuật vi xử lý cạnh: Điều bắt buộc là tất cả các cạnh sắc phải được vát hoặc cùn một chút (chẳng hạn như trong phạm vi 2 × 45° hoặc R0.2) để loại bỏ các gờ cực nhỏ và ngăn chặn việc tạo ra các hạt cực nhỏ trong quá trình xử lý và lắp ráp trong phòng sạch.
• Thông số kỹ thuật làm sạch và đóng gói: Sản phẩm cuối cùng phải trải qua quá trình làm sạch và sấy khô bằng sóng siêu âm bằng nước khử ion có độ tinh khiết cao và được đóng gói trong bao bì chân không hai lớp đáp ứng tiêu chuẩn phòng sạch bán dẫn.