Решения от въглеродни влакна за производствено оборудване за полупроводници

Въглеродните влакна в оборудването за производство на полупроводници са едно от най-изискващите материални приложения в съвременната промишленост, защото инструментите, които правят чипове, се оценяват по толеранциите, измерени в нанометри. Литографският етап, роботът за обработка на пластинки, линията за йонна имплантация или метрологичната рамка не могат да понасят топлинния дрейф, вибрациите или замърсяването на частиците, които обикновените конструктивни материали носят с тях. Полимерът, укрепен с въглеродни влакна (CFRP), съчетан с арамид и предварително окислени компоненти от влакна, се превърна в спокойния механизъм зад най-прецизните машини на земята. Това ръководство разглежда как работят на практика полупроводниковите оборудвания от въглеродни влакна - част по част, от етапа на пластината до тавана на чистата стая - и защо високопроизводителните влакна са станали стандартен инженерен избор в фабричните инструменти, а не екзотични.

1. Защо полупроводниковото оборудване определя най-трудните материални изисквания

Производството на полупроводници е индустрия, определена от парадокс: тя работи в огромен мащаб и все пак почти всяко критично измерение е малко. Една пластинка може да съдържа десетки милиарди транзистори и всяка стъпка на моделиране трябва да се подравнява с предишния слой в рамките на част от нанометъра. Напокриването, критичното измерение и производителността се влошават в момента, в който геометрията на машината се променя, а геометрията се променя всеки път, когато структурата се разширява, вибрира или губи твърдост.

Това създава четири материални изисквания, които конвенционалните метали се борят да отговарят едновременно:

• Размерна стабилност: инструментът трябва да поддържа формата си през температурните колебания, топлинния цикъл и дългите работни часове. Коефициентът на топлинно разширение (CTE) трябва да е близо до нулата или поне да съответства на метрологичната референтна стойност.

• Висока специфична твърдост: структурата трябва да устоява на отклонение и вибрации, без да добавя маса, която би забавила етапа, натоварила сервото или се установила в нискочестотен резонанс.

• Чистота: без изхвърляне на газ, без разливане, без метални отпадъци от износване, които биха могли да се превърнат в дефект на частици на повърхността на пластината.

• Амортизация на вибрациите и контролна честотна лента: машината трябва да се установи бързо след всяко движение, така че пропускната способност и точността да не се търгуват помежду си.

CFRP отговаря на всички четири. Специфичната му твърдост е няколко пъти по-голяма от тази на стоманата или алуминия, неговият CTE може да бъде проектиран до близо нула или да се съчетае със силиция, не кородира в химическата среда на чистата стая и вътрешното му амортизиране убива високочестотното звънене, което иначе би замъглило експозицията или измерването.

2. Където въглеродните влакна се появяват вътре в Fab Tool

Полупроводниковото оборудване е система от системи, а въглеродните влакна са се преместили в почти всяка подсистема, където движението, топлинната стабилност или структурната икономика имат значение.

2.1 Ваферни етапи и платформи за позициониране

Етапът на пластината е сърцето на всеки литографски или инспекционен инструмент. Ускорява се с множество g-сили, пътува стотици милиметри за милисекунди и след това трябва да се установи до нанометрова точност. Всеки килограм маса на етапа трябва да се ускори и след това да се спира, така че масата се преобразува директно в загубена пропускна способност и загубена енергия. Структурата на етапа от въглеродни влакна, обикновено изградена от плоча от въглеродни влакна и свързани тръби от въглеродни влакна с съответстваща CTE, дава твърдостта, от която се нуждае контролната циклус, докато рязва движещата се маса. Тъй като композитът може да бъде проектиран така, че топлинното му разширение да съответства на референтната рамк

2.2 Портални и мостови конструкции

Над сцената се намира портала: дълъг лъч, който носи оптична глава, сензор за инспекция или масив от сонди през цялата ширина на пластината. Това е класически проблем с твърдостта към теглото. Въглеродни влакна портален гред, често голяма секция pultruded или ролка увити профил, повишава първата естествена честота на структурата и отблъсква резонанса далеч от серво честотна лента. Тази промяна позволява на инженерите да работят с инструмента по-бързо без вълнуващи структурни вибрации и поддържа разстоянието от глава до пластина стабилно през цялото сканиране.

2.3 Метрологични рамки и референтни структури

Метрологичните рамки определят геометрията, срещу която се измерва всичко останало, така че тяхната стабилност е стабилността на цялата машина. CFRP рамките са привлекателни, защото тяхното разширение може да бъде настроено към нула, което съответства на ниското разширение на самата силициева пластина. Когато рамката трябва да се свързва със стъклени везни, лазерни интерферометри или капацитивни сензори, плочата от въглеродни влакна с съответно разширение поддържа показанията честни, докато инструментът се нагрява и охлажда през промяна на производството.

2.4 Роботи за обработка на вафли и крайни ефекти

Роботите за прехвърляне на пластинки преместват деликатни, скъпи пластинки между процесните камери с висока скорост и техните крайни ефекти трябва да бъдат леки, твърди и безупречно чисти. Острието на крайния ефектор от въглеродни влакна е достатъчно твърдо, за да задържи плоска пластина от 300 мм при ускорение, достатъчно леко, за да избегне падане и вибрации, и свободно от износването, генериращо частици, което металното острие може да произведе в своите контактни точки. Същата логика се отнася и за повдигащите щифтове, държателите на острията и прехвърлящите ръце в целия инструмент за кластер.

2.5 Вакуумни камери, лъчи и хардуер за йонна имплантация

Вътре във вакуумните и лъчевите среди въглеродните влакна и хибридните композитни компоненти намаляват движещата се маса в близост до деликатните сензори и осигуряват немагнитни, измерно стабилни опорни структури. Системите за йонна имплантация и електронни лъчи са чувствителни към всякакви магнитни или проводни структури, които биха могли да смущават лъча, и към всякакъв топлинен дрейф, който би могъл да погрешно изравни отворите. Композитните конструкции с внимателно контролирана архитектура от влакна позволяват тези компромиси да се управляват без наказанието за теглото на металната сглобка.

3. Материалите и техните специфични роли

Нито една форма на влакно не решава проблем с полупроводниковото оборудване. Правилният отговор обикновено е комбинация, а разбирането на ролите е това, което отделя работещия дизайн от скъпия.

3.1 Плоча от въглеродни влакна за прецизни конструкции

Обработената и квази-изотропна плоча от въглеродни влакна е идеалният материал за етапи, скоби, блокове за разстояние и метрологични членове. Квази-изотропните разположения осигуряват предсказуема твърдост в равнината с ниска и контролируема CTE, а плочата може да бъде обработена, пробивана и свързана със същата прецизност на инструментирането като алуминия, но без топлинно разширение и без риск от метално замърсяване.

3.2 Тръби от въглеродни влакна и пултрудни профили

Пултрудните тръби от въглеродни влакна и структурните профили осигуряват дълги членове с постоянно сечение за портали, роботни ръце и опорни релси. Pultrusion произвежда сертифицирано, повтаряемо напречно сечение, което е важно, когато инструментът е изграден серийно и всяка единица трябва да се държи идентично. Тръбите се използват и за леки, твърди връзки и за рамките на автоматизирано оборудване за обработка на материали в фабриката.

3.3 Въглеродни влакна и тъкан

Когато геометрията е сложна или еднократна оформена обвивка, корпус на сензора, контурна поддръжка препрегът от въглеродни влакна, разположен върху форма, дава най-високата и най-последователна фракция на обема на влакната и най-строгия контрол на ламинатната архитектура. Суха въглеродна тъкан с инфузия от смола предлага по-икономичен маршрут за по-големи, по-малки обемни части. И двете позволяват ламината да бъде настроен локално, добавяйки твърдост точно там, където пътят на натоварването го изисква.

3.4 Арамидови влакна за издръжливост и изолация

Арамидното влакно носи устойчивост на удар и износване, когато композитните части срещат оборудване за обработка или човешки оператори, и е естествено електрически изолиращо и топлинно стабилно. Арамидната тъкан и арамидната нишка често се използват в хибридни ламинати за защита на композитната повърхност от раздробяване и като изолиращи елементи, където се изисква електрическа изолация близо до чувствителна електроника. Когато дизайнът се нуждае от повърхност, която да устоява на удар, без да хвърля проводни частици, външен слой, богат на арамид, е практически отговор.

3.5 Предокислени влакна за топлинна и пожарна защита

Полупроводниковите инструменти съдържат нагреватели, клапани и процесни камери, които достигат високи температури, а околните структури се нуждаят от защита, която е както топлинно стабилна, така и електрически непровождаща. Предварително окислени влакна (PANOX) филц, тъкан и прежда осигуряват устойчива на пламък, високотемпературна изолация без въглищане и разграждане на обикновените органични текстили. Предварително окислените компоненти от влакна се използват около отоплени клапани, в топлинни бариери и като пожарна защита за кабелиране и пневматични линии вътре в плитката на инструмента.

4. Матрица за избор на приложения

Таблицата по-долу картографира общите точки на работа на полупроводниковото оборудване към препоръчителната форма на продукта от влакна и основното свойство, което предоставя. Той е предназначен като ръководство за първи преминаване; крайният избор на материал трябва да бъде потвърден спрямо действителния път на натоварване, топлинния бюджет и спецификациите за чистота.

Матрицата е отправна точка, а не заместител на инженерството. Две работни точки, които изглеждат сходни, могат да изискват различни архитектури на влакна, след като се вземат предвид формите на режима на вибрация, топлинните градиенти и класа на чистота.

5. Инженерният случай: Защо композитът бие метала тук

Купувачите на полупроводниково оборудване рядко избират въглеродни влакна, за да спестят пари за материал. Те го избират, защото производителността на машината не може да бъде достигната по друг начин.

5.1 Термична стабилност, която поддържа накладването честно

Грешката при покриване е най-скъпият клас дефекти в напредналата литография. Структура, която расте дори с няколко микрометра над температурно колебание, ще промени изображението, което проектира. Чрез инженериране на ламината, така че CTE да се приближи до нулата или да съответства на ретикулата или референтната пластина, въглеродните влакна премахват цял термин за грешка от бюджета, вместо да се опитват да го коригират в софтуера след факта.

5.2 Твърдост и амортизация за пропускна способност

Пропускността на инструмента се управлява от това колко бързо може да се движи етап и след това да се установи. Високата специфична твърдост позволява на структурата да остане твърда при ниска маса, а присъщото амортиране на композита потиска остатъчната вибрация, която в противен случай би принудила по-дълго забавяне на осаждането. Резултатът е машина, която е едновременно по-бърза и по-точна, което е точно комбинацията, за която индустрията плаща.

5.3 Чистота и немагнитното поведение

Вътре в чиста стая материал, който изпуска газове, корозира или хвърля частици, е отговорност независимо от неговите механични свойства. CFRP с правилната система за смола и повърхностно завършване е инертен, не ръждее и не произвежда метални отломки от износване, които могат да генерират движещи се стоманени части. Немагнитният му характер също е от съществено значение близо до електронните и ионните лъчи, където феромагнитната структура би изкривила лъча.

5.4 Разходите за жизнения цикъл през цялото поколение инструменти

Очаква се Fab инструмент да работи в продължение на много години, често в няколко процесни възла, а времето за спиране се измерва при загубени стартове на пластинки. Структура, която поддържа своята геометрия, не кородира и не се нуждае от периодична рекалибрация срещу топлинен дрейф, намалява разходите за собственост далеч отвъд покупната си цена. За машина, която може да струва милиони долари, икономиката на стабилността е решаваща.

6. Производство и качество

Композитните части за полупроводниково оборудване се придържат към толеранти и стандарти за документация, които са много по-строги от общата промишлена работа, а производственият маршрут е важен толкова, колкото и материалът.

• Дизайн на оформлението: потвърдете, че ламинатът е предназначен за реалния път на натоварване и топлинен градиент, а не просто копиран от металната част, която заменя.

• Съпоставяне на CTE: проверява, че разширяването на композита съответства на референтната структура или пластината в пълната работна температурна лента.

• Смила и изгазяване: изберете система от смола с ниско изпускане на газ и я проверете срещу изискванията за чиста стая и вакуум.

• Чистота и финишът: уточнете уплътняването на ръбовете, повърхностната обработка и контрола на частиците, така че частта да не се превърне в източник на дефекти.

• Метрология и проследимост: изискват документирано съдържание на влакна, график на оформяне и проверка на размерите, проследима до доставената част.

• Свързване и закрепване: проектиране на стави, за да се избегне галванично свързване с метали и за да се поддържа предварителното натоварване на болта стабилно през топлинния цикъл.

• Ремонтна способност: план за ремонт на лепени пластири, където е възможно, така че случай на незначителни щети не изхвърля скъпа сглобка.

7. Тенденции, които оформят следващото поколение инструменти

Няколко сили бутат въглеродните влакна по-дълбоко в полупроводниковото оборудване. Първото е неуморното свиване на процесните възли, което затяга бюджетите за покриване и критични измерения всяко поколение и прави топлинната стабилност неотговаряща. Втората е възходът на високо-NA EUV литография, чиято по-голяма оптика и по-строги толеранти поставят още по-големи изисквания към твърдостта на сцената и рамката. Третото е растежът на напредналите опаковки и 3D интеграция, което умножава стъпките за обработка и инспекция на пластинки и следователно търсенето на лек, бърз и чист хардуер за обработка. Накрая, разширяването на производството на съединени полупроводници и захранващи устройства носи нови температури на процеса и нови камерни среди, разширявайки ролята на предварително окислените влакна и арамидната изолация заедно със структурите от въглеродни влакна. Във всеки случай темата е една и съща: материал, който е твърд, лек, размерно стабилен и чист.

Shanghai Tanchain New Material Technology доставя пълния стек от влакна зад напреднали програми за оборудване прекурсор и нишка от въглеродни влакна, нишка от въглеродни влакна, тъкан, препрег, плоча, тръба, пултрудирани профили и готови композитни части, заедно с арамидна нишка, арамидна тъкан и пълната гама от предварително окислени влакна от нишка, нишка, прежда, филц и тъкан. Независимо дали задачата е прототипен етап на пластината, препроектиране на метрологичната рамка или производствена програма за обработка на хардуер, нашият екип може да консултира за формата на материала, архитектурата на влакната и системата на смолата, която отговаря на работния цикъл. Разгледайте нашата гама от продукти от въглеродни влакна или изпратете запитване за обсъждане на спецификациите за следващия си проект за полупроводниково оборудване.