Углеродоволоконные решения для оборудования для производства полупроводников

Углеродное волокно в оборудовании для производства полупроводников является одним из самых требовательных материалов в современной промышленности, потому что инструменты, которые производят чипы, оцениваются по допускам, измеряемым в нанометрах. Литографический этап, робот для обработки пластин, линия ионной имплантации или метрологическая рамка не могут переносить термический дрейф, вибрацию или загрязнение частиц, которые приводят с собой обычные конструктивные материалы. Полимер, усиленный углеродным волокном (CFRP), в сочетании с арамидными и предокисленными компонентами волокна, стал спокойным стимулятором самых точных машин на земле. В этом руководстве рассматривается, как на практике работает углеродно-волокнное полупроводниковое оборудование - частично, от стадии пластинки до потолка чистой комнаты - и почему высокопроизводительное волокно стало стандартным инженерным выбором в фабричном инструментировании, а не экзотическим.

1. Почему полупроводниковое оборудование устанавливает самые жесткие материальные требования

Производство полупроводников - это отрасль, определенная парадоксом: она работает в огромном масштабе, но почти все критические измерения крошечны. Одна пластинка может содержать десятки миллиардов транзисторов, и каждый шаг моделирования должен выравниваться с предыдущим слоем в пределах части нанометра. Накладка, критические размеры и производительность все ухудшаются в момент изменения геометрии машины, и геометрия меняется каждый раз, когда структура расширяется, вибрирует или теряет жесткость.

Это создает четыре материальных требования, которые обычные металлы пытаются удовлетворить одновременно:

• Размерная стабильность: инструмент должен сохранять свою форму через колебания температуры, тепловый цикл и длительные рабочие часы. Коэффициент теплового расширения (CTE) должен быть близок к нулю или, по крайней мере, соответствовать метрологическому эталону.

• Высокая специфическая жесткость: Структура должна сопротивляться отклонению и вибрации без добавления массы, которая замедлит этап, нагрузит серво или оседет в низкочастотный резонанс.

• Чистота: отсутствие выхода газа, отсутствие проливания, отсутствие металлического износа мусора, который мог бы стать дефектом частиц на поверхности пластинки.

• Амортизация вибрации и пропускная способность управления: машина должна быстро устанавливаться после каждого движения, чтобы пропускная способность и точность не обменивались друг с другом.

CFRP отвечает на все четыре. Его специфическая жесткость в несколько раз превышает жесткость стали или алюминия, его CTE может быть сконструирован почти до нуля или сопоставлен с кремнием, он не коррозирует в химической среде чистой комнаты, а его внутреннее амортизация убивает высокочастотное кольцо, которое в противном случае размывало бы воздействие или измерение.

2. Где углеродное волоконо появляется внутри Fab Tool

Полупроводниковое оборудование представляет собой систему систем, и углеродное волоконо переехало практически в каждую подсистему, где движение, тепловая стабильность или структурная экономия имеют значение.

2.1 Ваферные этапы и платформы позиционирования

Пластинная стадия является сердцем любого литографического или инспекционного инструмента. Он ускоряется с несколькими g-силами, перемещается сотнями миллиметров за миллисекунды, и впоследствии должен достичь нанометровой точности. Каждый килограмм массы этапа должен быть ускорен, а затем тормозен, поэтому масса непосредственно преобразуется в потерянную пропускную способность и потерянную энергию. Структура этапа из углеродного волокна, обычно построенная из пластины углеродного волокна и прикрепленных труб из углеродного волокна с соответствующей CTE, обеспечивает жесткость, необходимую цикле управления при резке движущейся массы.

2.2 Портальные и мостовые конструкции

Над сценой находится портал: длинный луч, который несет оптическую головку, инспекционный датчик или массив зондов по всей ширине пластинки. Это классическая проблема жесткости к весу. Углеродоволоконный портальный пучок, часто большой полтрудный или рулонный профиль, поднимает первую естественную частоту структуры и отталкивает резонанс от сервополосной пропускной способности. Это одно изменение позволяет инженерам запускать инструмент быстрее без возбуждающих структурных вибраций, и это поддерживает стабильное расстояние от головы к пластинке на протяжении всего сканирования.

2.3 Метрологические рамки и референтные структуры

Метрологические рамки определяют геометрию, против которой измеряется все остальное, поэтому их стабильность является стабильностью всей машины. Рамы из ХФРП привлекательны, потому что их расширение может быть настроено на нуль, соответствуя низкому расширению самой кремниевой пластины. В тех случаях, когда рама должна взаимодействовать со стеклянными весами, лазерными интерферометрами или емкостными датчиками, пластина из углеродного волокна с сопоставимым расширением поддерживает честные показания, поскольку инструмент нагревается и охлаждается в ходе смены производства.

2.4 Роботы для обработки пластинок и конечные эффекторы

Роботы для передачи пластин перемещают деликатные, дорогие пластины между процессными камерами с высокой скоростью, и их конечные эффекторы должны быть легкими, жесткими и безупречно чистыми. Лезвие конечного эффектора из углеродного волокна достаточно жесткое, чтобы удерживать пластинку плоскостью 300 мм при ускорении, достаточно легкое, чтобы избежать падения и вибрации, и свободное от износа, генерирующего частицы, который может производить обрабатываемое металлическое лезвие в его контактных точках. То же самое относится и к подъемным штифтам, держателям лезвий и переносным рукам по всему инструменту кластера.

2.5 Вакуумные камеры, лучевые линии и оборудование для ионной имплантации

Внутри вакуумных и лучевых сред углеродное волокно и гибридные композитные компоненты уменьшают движущуюся массу в близости к деликатным датчикам и обеспечивают немагнитные, размерно стабильные опорные структуры. Системы ионной имплантации и электронного луча чувствительны к любой магнитной или проводящей структуре, которая может нарушить луч, и к любому тепловому дрейфу, который может неправильно выравнивать диафрагмы. Композитные конструкции с тщательно контролируемой волоконной архитектурой позволяют управлять этими компромиссами без наказания за вес металлической сборки.

3. Материалы и их конкретные роли

Ни одна форма волокна не решает проблему полупроводникового оборудования. Правильным ответом обычно является сочетание, и понимание ролей является тем, что отделяет рабочий дизайн от дорогого.

3.1 Углеродоволоконная пластина для точных конструкций

Обработанная и квази-изотропная пластина из углеродного волокна является идеальным материалом для ступеней, скобков, блоков дистанционных и метрологических элементов. Квази-изотропные расположения обеспечивают предсказуемую жесткость в плоскости с низким и контролируемым CTE, а пластину можно обрабатывать, сверлять и связывать с той же точностью инструментирования, что и алюминий, но без теплового расширения и без риска загрязнения металлом.

3.2 Углеродоволоконные трубы и пультрудные профили

Пультрудные трубы из углеродного волокна и конструктивные профили обеспечивают длинные элементы постоянного сечения для порталов, роботических рук и опорных рельсов. Пультрузия производит сертифицированный, повторяемый поперечный сечение, что имеет значение, когда инструмент построен в серии и каждый блок должен вести себя одинаково. Трубы также используются для легких, жестких связей и для рам автоматизированного оборудования для переработки материалов внутри фабрики.

3.3 Углеродное волокно Препрег и ткань

В тех случаях, когда геометрия сложна или одноразовая — формовая обвивка, корпус датчика, контурная опора — углеродное волокно препрегрегировано, расположенное над формой, дает самую высокую и последовательную фракцию объема волокна и самый жесткий контроль архитектуры ламината. Сухая ткань из углеродного волокна с настоем смолы предлагает более экономичный маршрут для больших, меньших объемных частей. Оба позволяют наладить ламинат локально, добавляя жесткость именно там, где ее требует путь нагрузки.

3.4 Арамидное волокно для прочности и изоляции

Арамидное волокно обеспечивает устойчивость к удару и абразии, когда композитные детали встречаются с оборудованием для обработки или человеческими операторами, и оно естественно электроизолирует и теплово стабильно. Арамидная ткань и арамидная нить часто используются в гибридных ламинатах для защиты композитной поверхности от расщепления, а также в качестве изолирующих элементов, где требуется электрическая изоляция вблизи чувствительной электроники. Когда конструкции нужна поверхность, которая сопротивляется удару, не проливая проводящих частиц, практическим ответом является наружный слой, богатый арамидом.

3.5 Предокисленное волокно для тепловой и пожарной защиты

Полупроводниковые инструменты содержат нагреватели, клапаны и процессные камеры, которые достигают высоких температур, а окружающие структуры нуждаются в защите, которая является как теплово стабильной, так и электрически непроводительной. Фильц, ткань и пряжа из предокисленного волокна (PANOX) обеспечивают огнестойкую, высокотемпературную изоляцию без углевания и деградации обычных органических текстилей. Предокисленные компоненты волокна используются вокруг нагреваемых патронов, в тепловых барьерах и в качестве противопожарной защиты для кабельных и пневматических линий внутри конверта инструмента.

4. Матрица выбора приложения

В таблице ниже отображены общие точки службы полупроводникового оборудования для рекомендованной формы продукта волокна и основных свойств, которые оно обеспечивает. Он предназначен для первого прохода; окончательный выбор материала должен быть подтвержден по фактическому пути нагрузки, тепловому бюджету и спецификации чистоты.

Матрица является отправной точкой, а не заменой инженерии. Две точки работы, которые выглядят похожими, могут потребовать разных архитектур волокна, когда принимаются во внимание формы режима вибрации, тепловые градиенты и класс чистоты.

5. Инженерный случай: почему композит бит металл здесь

Покупатели полупроводникового оборудования редко выбирают углеродное волокно, чтобы сэкономить деньги на материале. Они выбирают его, потому что производительность конверта машины не может быть достигнута каким-либо другим способом.

5.1 Термическая стабильность, которая сохраняет честность накладки

Ошибка накладки является самым дорогим классом дефектов в продвинутой литографии. Структура, которая растет даже на несколько микрометров при колебании температуры, изменит изображение, которое она проектирует. Инженерируя ламинат таким образом, чтобы CTE приближался к нулю или соответствовал ссылке на сетку или пластинку, углеродное волокно удаляет целый термин ошибки из бюджета, а не пытается исправить его в программном обеспечении после того, как это произошло.

5.2 Жесткость и амортизация для пропускной способности

Пропускная способность инструмента регулируется тем, насколько быстро этап может двигаться, а затем устояться. Высокая специфическая жесткость позволяет структуре оставаться жесткой при низкой массе, а присущее композиту амортизация подавляет остаточную вибрацию, которая в противном случае привела бы к более длительной задержке осаждения. Результатом является машина, которая является как быстрее, так и более точной, что является именно сочетанием, за которое платит отрасль.

5.3 Чистота и немагнитное поведение

Внутри чистой комнаты материал, который выделяет газы, коррозию или выбрасывает частицы, несет ответственность независимо от его механических свойств. ХФРП с правильной смолой системой и поверхностной отделкой инертна, не ржавит и не производит металлический износ, который могут генерировать подвижные части стали. Его немагнитный характер также имеет важное значение вблизи колонн электронного и ионного луча, где ферромагнитная структура искажает луч.

5.4 Стоимость жизненного цикла на протяжении всего поколения инструмента

Ожидается, что инструмент Fab будет работать в течение многих лет, часто через несколько процессных узлов, и время простоя измеряется в запуске потерянных пластинок. Структура, сохраняющая свою геометрию, не коррозии и не нуждающаяся в периодической перекалибрации против термического дрейфа, снижает стоимость владения далеко за ее покупную цену. Для машины, которая может стоить миллионы долларов, решающее значение имеет экономия стабильности.

6. Производство и качество

Композитные детали для полупроводникового оборудования соблюдают допуски и стандарты документации, которые гораздо более жесткие, чем обычные промышленные работы, и маршрут производства имеет столь же значение, как и материал.

• Дизайн макета: подтвердить, что ламинат предназначен для реального пути нагрузки и теплового градиента, а не просто скопирован из металлической части, которую он заменяет.

• Соответствие CTE: проверить, что расширение композита соответствует эталонной структуре или пластинке в полном диапазоне рабочих температур.

• Смола и газообразование: выбрать смолу с низким выбросом газа и проверить ее в соответствии с требованиями чистой комнаты и вакуума.

• Чистота и отделка: указать уплотнение края, обработку поверхности и контроль частиц, чтобы часть не стала источником дефектов.

• Метрология и отслеживаемость: требуют документального содержания волокон, графика размещения и проверки размеров, отслеживаемой до поставленной части.

• Склеивание и крепление: конструкция соединений, чтобы избежать гальванического соединения с металлами и сохранить предварительную нагрузку болта стабильной над тепловым циклом.

• Ремонтность: план ремонта приклеиваемых патчей, где это возможно, так что незначительное повреждение события не сломает дорогой сборки.

7. Тенденции, формирующие следующее поколение инструментов

Несколько сил толкают углеродное волоконо глубже в полупроводниковое оборудование. Первым является неустанное сокращение узлов процесса, что ужесточает бюджеты на перекрытие и критические размеры каждого поколения и делает термическую стабильность неопределимой. Второй - рост литографии EUV высокого NA, чья большая оптика и более жесткие допуски ставят еще большие требования к жесткости сцены и кадра. Третьим является рост передовой упаковки и 3D-интеграции, которая умножает этапы обработки и инспекции пластинок и, следовательно, спрос на легкое, быстрое и чистое оборудование для обработки. Наконец, расширение производства компонентных полупроводников и энергетических устройств приводит к новым температурам процесса и новым камерным условиям, расширяя роль предокисленного волокна и арамидной изоляции наряду со структурами углеродного волокна. Во всех случаях тема является одной и той же: жесткий, легкий, стабильный по размерам и чистый материал.

Shanghai Tanchain New Material Technology поставляет полный стек волокон за передовыми программами оборудования - углеродное волоконо прекурсор и нить, углеродное волоконо стейп, ткань, прегрег, пластина, трубка, пультрудированные профили и готовые композитные части, вместе с арамидной нитью, арамидной тканью и полным диапазоном предокисленных волокон нити, стейп, пряжа, филц и ткань. Независимо от того, является ли задача прототипом стадии пластинки, перепроектированием метрологической рамы или производственной программой для обращения с оборудованием, наша команда может консультировать по форме материала, архитектуре волокон и системе смолы, которая соответствует рабочему циклу. Просмотрите наш ассортимент продукции из углеродного волокна или отправьте запрос для обсуждения спецификации вашего следующего проекта полупроводникового оборудования.