航空宇宙産業と半導体産業の大部分におけるセラミック3Dプリントの応用

3Dプリントはハイエンドの需要アプリケーションにとって重要な生産ツールとなっている

宇宙および航空宇宙分野における現在および将来の光学機器は、技術的およびコスト的要件により、構造的に高度に統合される傾向があります。部品の複雑さが増すため、積層造形 (AM) は破壊的な生産方法となります。さらに、光学システムは、性能要件の増加に伴ってますます強力になり、期待される性能を保証するために新しい製造プロセスの開発が必要になります。半導体産業は、セラミック材料に対する需要が高く、厳しい要件が求められるもう一つの重要な分野です。

これらの製品の製造プロセス全体は非常に困難であり、特殊な化学的、熱的、電子的特性を持つ材料の使用が必要となるため、セラミック材料が最適な選択肢となります。さらに、柔軟で複雑な形状に対する需要により、3D プリントが便利な対応策となります。したがって、航空宇宙および電子機器の用途は、今後 10 年間で 3D プリントセラミック技術部品の最も重要な応用方向になる可能性が高く、2030 年末までに約 7 億 6,400 万米ドルに達すると予想されます。

宇宙用途向け光学機器の積層造形

宇宙応用光学機器の主な技術的特徴は次のとおりです。
• 視力の安定性
• 過酷な機械的および熱的環境に対する強度
• ミッションコンポーネントとしての高い光学性能

セラミック材料は、特殊な機械的特性（剛性、強度、安定性）により、これらの要件を満たします。しかし、セラミック製品は伝統的製造方法に制限されることが多く、その使用は大型で軽い負荷がかかる部品に限定されます。しかし、宇宙用途向けに最適化された大型光学機器のニーズは高まっています。たとえば、衛星のミラーは可能な限り軽量でなければなりません。積層造形だけが、こうした新しいミラーの設計と製造を最適化できます。

図 1: CERAMAKER C3600 Ultimate プリンターでわずか 13 時間で印刷された焼結衛星ミラー。高まる需要に応えるため、3DCERAM は、600 mm x 600 mm x 300 mm (長さ x 幅 x 高さ) の印刷プラットフォームを備えた C3600 Ultimate 3D プリンターを開発しました。これは同社最大のステレオリソグラフィープリンターです。

C3600 Ultimate 3D プリンタを使用して光学部品を製造すると、次のような多くの利点があります。
• リードタイムの短縮: 光学部品の従来の製造プロセスは、6 つのステップ (ブランクの製造 - 機械加工による軽量化 - 研削 - 研磨 - コーティング - 表面統合) で構成されています。 3Dプリントは機械加工や研削の工程を省くことができる
• セラミック材料の節約: 通常、ビレット重量の90%が機械加工によって除去されるため、過剰なスクラップが発生し、割れのリスクが高くなります。
• 破壊的デザイン：より複雑なデザインと軽量化が考慮される
• 機能統合：内部チャネル、電気トラック、フィーダーなど
• 大型部品の印刷：図2に示すように

図2: 直径500mmの衛星ミラーは、閉じた構造を使用して、C3600プリンターで1日以内に印刷されました。
3DCERAM プロセスは製造プロセスを簡素化し、削減することができます。これにより、冷却光学システム、アクティブ光学システム、または自由形状光学システムの開発への新たな道が開かれます。 3D プリントの成形機能により、統合/接合プロセスの品質もより正確に向上します。したがって、CERAMAKER C3600 プリンターを使用すると、「カスタム」の大規模なセラミック光学基板を製造できるようになり、製造プロセスにおけるリスクが軽減されます。さらに、新しい反射鏡の設計には、重量を軽減するための半密閉構造と統合インターフェースの検討が含まれています (図 2)。

3D CERAM プロセスは、次世代機器の新たな展望も開きます。
• 統合機能（断熱材、冷却チャネルなど）を備えたコンパクトなソリューション
• 機械的および熱的インターフェースの制限
• 光学機能を構造デバイスに統合する

3DCERAM C3600 Ultimate プリンターは、最も過酷な環境に適応したさまざまな大型で複雑な光学基板や構造を製造するという航空宇宙産業のニーズを満たすことができるようになりました。

電子アプリケーション

近年、半導体製造工場では、ニーズを満たすために特殊な設備を必要とする、ますます複雑なプロセスが開発されています。さらに、マイクロ回路の容量に対する市場の需要の高まりにより、直径 1 ～ 12 インチ (25 ～ 300 mm) のシリコンウェーハの使用が増加し、必要な堆積物を得るためにそれらを処理するための装置が開発されました。

半導体業界におけるセラミック材料の役割をより深く理解するために、集積回路チップの製造に関わる主な手順を簡単に紹介します。
• ウェーハ加工とは、シリコンまたはガリウムヒ素でできた単結晶柱をスライスして円形のウェーハを得る工程です。
• 酸化プロセスは、ウェーハ表面に保護膜を形成するために必要なステップです。
• フォトリソグラフィープロセスは、ウェハ上に回路パターンを「印刷」するために使用されます。
• エッチング工程で余分な酸化膜を除去し、半導体回路パターンのみを残す
• 薄膜堆積は、ウェーハ表面上に導電膜と絶縁膜を交互に積層した多層構造を形成するために使用されます。
• 相互接続プロセスにより、電力と信号の伝送が可能になります。
• 組み立て、梱包、最終テスト

これらすべてのステップは、機器の寿命を延ばし、運用コストを削減するように設計されています。極めてクリーンな条件下で作業する必要があることに加え、CVD、PECVD、ALD などの複数の堆積技術では、これらの高性能製品を生産するために必要な完璧な条件を実現し維持するために、特定の特性を持つ材料も必要です。

セラミック材料の中で最も需要が高いのは以下のものです。
• 一般的な酸化物：アルミナ、ジルコニア、シリカ、コーディエライトなど、市場の主要部分を占めていますが、三酸化イットリウムなど、付加価値の高い酸化物もあります。
• 窒化物：窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素
• 炭化物：炭化ケイ素

半導体業界で使用されるセラミック部品の例をいくつか示します。

図 3: この大きな部品を CERAMAKER C3600 プリンターで印刷するのに 21 時間 49 分かかりました。
• セラミック材料は、ウェハ搬送トレイ、チャック/吸引カップ（図3）、およびウェハ洗浄工程中のロボットアームに使用されています。
• 熱拡散および化学蒸着プロセスでは、放射管、ウェーハボート、ガス入口などの多くの部品がセラミックで作られています。
• プラズマエッチングプロセスでは、チャンバー、静電チャック、ノズル、リングにセラミックが使用されます。
• セラミックは熱処理時のヒーターとしても使用可能

さらに、3D 印刷プロセスは、柔軟性と応答性、および複雑な形状の印刷の実現可能性により、これらのハイテク部品の製造にとって有望な技術的選択肢であると思われます。

2018年、Alumina Systems Ltd.はセラミック3Dプリントを通じて半導体業界で大きな成功を収めました。同社は、PEALD（プラズマ強化原子層堆積）プロセス用の直径380 mmのセラミックガス分配リングの開発により、ドイツ・ミュンヘンのCERAMITECから最優秀コンポーネント賞を受賞しました。巧妙な形状のおかげで、リングには両方のガスを同時に、または順番に供給することができます。 PEALD は、重要な技術的進歩を示し、大きな経済的可能性を秘めた半導体製造の革新的なプロセスです。

図 4: Alumina Systems の CEO、Holger Wampers 博士が、CERAMAKER C3600 プリンターで印刷した部品を手に持っています。当初、アルミナリングは、ガラスはんだで接続された多数の個別の部品から作られていました。しかし、Alumina Systems が CERAMAKER C3600 プリンターを購入してからは、1 回の実行で完全に印刷できるようになりました (図 4)。

3DMIXスラリー

3DCERAM は、CERAMAKER 装置での印刷用に、アルミナ、ジルコニア、コーディエライトなどの酸化物から、窒化ケイ素や窒化アルミニウムなどの非酸化物まで、幅広い技術セラミックを提供しています。 3DCERAM の専門家は、お客様が CERAMAKER を使用して得たい特性に基づいて、お客様のニーズに適したセラミックの配合とプロセスパラメータを決定します。

光学および半導体用途の材料の選択は非常に重要であり、使用するセラミックを決定する際には、次の材料特性を考慮する必要があります。
• 機械的および熱的特性
• 剛性と密度
• 熱膨張係数（CTE）
• 耐薬品性/耐腐食性。

図5: 航空宇宙および半導体用途における3DMIX材料の性能
要約する

付加製造は、光学機器や半導体機器の工業生産プロセスに新たな可能性をもたらします。時間の節約と材料損失の削減に加えて、この技術には次のような利点もあります。
• 画期的なデザインを創造する
• 剛性対質量比の向上
• 冷却チャネルや断熱材などの新機能を統合する
• 設計プロセスを簡素化し、最適化する

すべての積層製造プロセスの中で、ステレオリソグラフィーは、印刷品質、空間解像度、材料特性の点で最も最適化された結果を可能にするため、これらのアプリケーションに最も適していると考えられています。今後、半導体・光デバイスの製造プロセスは、その性能と寿命を向上させるために、さらに高速化、革新化していくでしょう。そうですね、特定のセラミック材料との組み合わせと産業用3Dプリンターの商品化は、これらの分野における将来の課題に対応するために欠かせない資産です。

----この記事はCERAMIC APPLICATIONS 2022年10月号より抜粋したものです。

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