Giải pháp sợi carbon cho thiết bị sản xuất bán dẫn

Sợi carbon trong thiết bị sản xuất bán dẫn là một trong những ứng dụng vật liệu đòi hỏi nhiều nhất trong ngành công nghiệp hiện đại, bởi vì các công cụ tạo ra chip được đánh giá bằng dung sai đo bằng nanomet. Một giai đoạn lithography, một robot xử lý wafer, một dòng chùm cấy ghép ion hoặc một khung đo lường không thể chịu đựng sự trôi dạt nhiệt, rung động hoặc ô nhiễm hạt mà các vật liệu cấu trúc thông thường mang theo chúng. Polyme tăng cường sợi carbon (CFRP), kết hợp với các thành phần sợi aramid và sợi oxy hóa trước, đã trở thành chất cho phép yên tĩnh đằng sau các máy chính xác nhất trên trái đất. Hướng dẫn này kiểm tra cách thiết bị bán dẫn sợi carbon hoạt động trong thực tế - từng phần, từ giai đoạn wafer đến trần phòng sạch - và tại sao sợi hiệu suất cao đã trở thành một lựa chọn kỹ thuật tiêu chuẩn trong công cụ fab thay vì một lựa chọn kỳ lạ.

1. Tại sao thiết bị bán dẫn thiết lập các yêu cầu vật liệu khó khăn nhất

Sản xuất bán dẫn là một ngành công nghiệp được xác định bởi một nghịch lý: nó hoạt động trên quy mô rất lớn và tuy nhiên hầu hết mọi chiều quan trọng là nhỏ bé. Một wafer duy nhất có thể chứa hàng chục tỷ transistor, và mỗi bước tạo mẫu phải sắp xếp với lớp trước trong vòng một phần nhỏ của một nanomet. Lớp phủ, kích thước quan trọng và năng suất đều suy giảm khi hình học của máy thay đổi, và hình học thay đổi bất cứ khi nào một cấu trúc mở rộng, rung hoặc mất độ cứng.

Điều đó tạo ra bốn yêu cầu vật liệu mà kim loại thông thường phải vật lộn để đáp ứng cùng một lúc:

• Sự ổn định chiều: công cụ phải giữ hình dạng của nó qua sự dao động nhiệt độ, chu kỳ nhiệt và giờ hoạt động dài. Hệ số mở rộng nhiệt (CTE) phải gần 0 hoặc ít nhất phù hợp với tham khảo đo lường.

• Độ cứng cụ thể cao: cấu trúc phải chống lại sự lệch hướng và rung động mà không cần thêm khối lượng làm chậm sân khấu, tải servo hoặc định cư vào cộng hưởng tần số thấp.

• Sạch sẽ: không xả khí, không đổ, không mảnh vỡ kim loại có thể trở thành một khuyết tật hạt trên bề mặt wafer.

• Độ giảm rung và băng thông điều khiển: máy phải giải quyết nhanh chóng sau mỗi chuyển động để thông lượng và độ chính xác không được giao dịch với nhau.

CFRP trả lời tất cả bốn. Độ cứng cụ thể của nó gấp nhiều lần so với thép hoặc nhôm, CTE của nó có thể được thiết kế đến gần 0 hoặc phù hợp với silicon, nó không ăn mòn trong môi trường hóa học phòng sạch và sự giảm tốc bên trong của nó giết chết chuông tần số cao mà nếu không sẽ làm mờ phơi nhiễm hoặc đo lường.

2. Nơi sợi carbon xuất hiện bên trong một công cụ Fab

Thiết bị bán dẫn là một hệ thống của các hệ thống, và sợi carbon đã di chuyển vào hầu hết mọi hệ phụ nơi chuyển động, ổn định nhiệt hoặc kinh tế cấu trúc quan trọng.

2.1 Giai đoạn Wafer và nền tảng định vị

Giai đoạn wafer là trung tâm của bất kỳ công cụ khắc hoặc kiểm tra nào. Nó tăng tốc ở nhiều lực g, di chuyển hàng trăm milimet trong miligiây, và phải định vị đến độ chính xác nanomet sau đó. Mỗi kilogram khối lượng giai đoạn phải được tăng tốc và sau đó phanh, vì vậy khối lượng được chuyển đổi trực tiếp thành thông lượng bị mất và năng lượng lãng phí. Cấu trúc giai đoạn sợi carbon, thường được xây dựng từ tấm sợi carbon và ống sợi carbon liên kết với CTE phù hợp, cung cấp độ cứng mà vòng điều khiển cần trong khi cắt khối lượng di chuyển. Bởi vì hợp chất có thể được thiết kế để sự mở rộng nhiệt của nó phù hợp với khung tham chiếu interferometer, đo lường của giai đoạn không trôi khi công cụ nóng lên.

2.2 Cấu trúc gantry và cầu

Trên sân khấu nằm cổng: một chùm dài mang một đầu quang học, một cảm biến kiểm tra hoặc một mảng dò trên chiều rộng đầy đủ của wafer. Đó là một vấn đề cứng đối với trọng lượng cổ điển. Một chùm gantry sợi carbon, thường là một cấu hình phun hoặc cuộn cuộn phần lớn, nâng tần số tự nhiên đầu tiên của cấu trúc và đẩy cộng hưởng ra khỏi băng thông servo. Sự thay đổi duy nhất đó cho phép các kỹ sư chạy công cụ nhanh hơn mà không có rung cấu trúc thú vị, và nó giữ cho khoảng cách đầu-wafer ổn định trên toàn bộ quét.

2.3 Khung đo lường và cấu trúc tham chiếu

Khung đo lường xác định hình học mà mọi thứ khác được đo lường, vì vậy sự ổn định của chúng là sự ổn định của toàn bộ máy. Khung CFRP hấp dẫn bởi vì sự mở rộng của chúng có thể được điều chỉnh hướng không, phù hợp với sự mở rộng thấp của bản thân wafer silicon. Khi khung phải giao diện với thang kính, máy can thiệp laser hoặc cảm biến điện dung, tấm sợi carbon mở rộng phù hợp giữ cho các bài đọc trung thực khi công cụ làm nóng và làm mát thông qua sự thay đổi sản xuất.

2.4 Robot xử lý wafer và hiệu ứng cuối

Robot chuyển wafer di chuyển các wafer tinh tế, đắt tiền giữa các buồng quy trình với tốc độ cao, và hiệu ứng cuối của chúng phải nhẹ, cứng và sạch sẽ hoàn hảo. Một lưỡi tác động cuối sợi carbon đủ cứng để giữ một tấm wafer 300 mm phẳng dưới tốc độ, đủ nhẹ để tránh rơi và rung, và không có sự mòn mài tạo ra hạt mà một lưỡi kim loại gia công có thể sản xuất tại các điểm tiếp xúc của nó. Cùng một logic áp dụng cho các pin nâng, lưỡi giữ và cánh tay chuyển trong suốt công cụ cụm.

2.5 Phòng chân không, dòng chùm và phần cứng cấy ghép ion

Bên trong môi trường chân không và đường chùm, sợi carbon và các thành phần hợp chất lai làm giảm khối lượng di chuyển gần các cảm biến tinh tế và cung cấp các cấu trúc hỗ trợ không từ tính, ổn định về chiều. Hệ thống cấy ghép ion và chùm điện tử nhạy cảm với bất kỳ cấu trúc từ hoặc dẫn điện nào có thể làm gián đoạn chùm điện, và với bất kỳ sự trôi dạt nhiệt nào có thể chênh lệch sai khẩu độ. Các cấu trúc tổng hợp với kiến trúc sợi được kiểm soát cẩn thận cho phép các thỏa hiệp này được quản lý mà không bị phạt trọng lượng của một lắp ráp kim loại.

3. Các vật liệu và vai trò cụ thể của chúng

Không có dạng sợi duy nhất nào giải quyết vấn đề thiết bị bán dẫn. Câu trả lời đúng thường là sự kết hợp, và hiểu các vai trò là điều tách biệt một thiết kế làm việc từ một thiết kế đắt tiền.

3.1 Tấm sợi carbon cho cấu trúc chính xác

Tấm sợi carbon được gia công và gần đồng nhiệt là vật liệu phù hợp cho các giai đoạn, dấu khung, khối khoảng cách và các thành viên đo lường. Các bố trí gần đồng nhiệt cung cấp độ cứng có thể dự đoán được, trong phẳng với CTE thấp và có thể kiểm soát được, và tấm có thể được gia công, khoan và liên kết với độ chính xác công cụ tương tự như nhôm - nhưng không mở rộng nhiệt và không có nguy cơ ô nhiễm kim loại.

3.2 ống sợi carbon và hồ sơ Pultruded

ống sợi carbon kéo và cấu trúc cấu trúc cung cấp các thành viên dài, phần không đổi cho gantries, cánh tay robot và đường ray hỗ trợ. Pultrusion tạo ra một cắt chéo được chứng nhận, có thể lặp lại, điều quan trọng khi một công cụ được xây dựng theo loạt và mỗi đơn vị phải hành vi giống nhau. Các ống cũng được sử dụng cho các liên kết nhẹ, cứng nhắc và cho khung thiết bị xử lý vật liệu tự động bên trong nhà máy.

3.3 Sợi carbon Prepreg và vải

Khi hình học phức tạp hoặc một lần - một tấm vỏ hình dạng, một vỏ cảm biến, một hỗ trợ đường viền - sợi carbon prepreg đặt trên một khuôn cung cấp tỷ lệ khối lượng sợi cao nhất và nhất quán nhất và kiểm soát chặt chẽ nhất của kiến trúc laminate. Vải sợi carbon khô với nhựa truyền cung cấp một tuyến đường kinh tế hơn cho các bộ phận lớn hơn, khối lượng thấp hơn. Cả hai đều cho phép laminate được điều chỉnh tại địa phương, thêm độ cứng chính xác nơi đường dẫn tải yêu cầu nó.

3.4 Sợi Aramid cho độ bền và cách nhiệt

Sợi aramid mang lại khả năng chống tác động và mài mòn nơi các bộ phận tổng hợp đáp ứng thiết bị xử lý hoặc người vận hành, và nó cách điện tự nhiên và ổn định nhiệt. Vải aramid và sợi aramid thường được sử dụng trong lớp laminate lai để bảo vệ bề mặt tổng hợp khỏi bị vỡ, và làm các yếu tố cô lập nơi cần phải đứng điện gần các thiết bị điện tử nhạy cảm. Khi một thiết kế cần một bề mặt chống lại tác động mà không đổ các hạt dẫn điện, một lớp bên ngoài giàu aramid là một câu trả lời thực tế.

3.5 Sợi oxy hóa trước để bảo vệ nhiệt và cháy

Các công cụ bán dẫn chứa máy sưởi ấm, chuck và buồng xử lý đạt nhiệt độ cao, và các cấu trúc xung quanh cần bảo vệ ổn định nhiệt và không dẫn điện. Sợi oxy hóa trước (PANOX) cảm thấy, vải và sợi cung cấp chống cháy, cách nhiệt nhiệt độ cao mà không bị than và phân hủy của dệt hữu cơ phổ biến. Các thành phần sợi oxy hóa trước được sử dụng xung quanh các chuck nóng, trong rào cản nhiệt và làm bảo vệ chống cháy cho cáp và đường dẫn khí nén bên trong bao bì công cụ.

4. Ma trận lựa chọn ứng dụng

Bảng dưới đây lập bản đồ các điểm nhiệm vụ thiết bị bán dẫn phổ biến cho hình thức sản phẩm sợi được đề xuất và thuộc tính chính mà nó cung cấp. Nó được thiết kế như một hướng dẫn đầu tiên; sự lựa chọn vật liệu cuối cùng nên được xác nhận đối với con đường tải thực tế, ngân sách nhiệt và thông số kỹ thuật độ sạch sẽ.

Ma trận là một điểm khởi đầu, không phải là một sự thay thế cho kỹ thuật. Hai điểm nhiệm vụ trông tương tự có thể yêu cầu các kiến trúc sợi khác nhau một khi hình dạng chế độ rung, dốc nhiệt và lớp độ sạch sẽ được tính đến.

5. Trường hợp kỹ thuật: Tại sao Composite Beats Metal ở đây

Người mua thiết bị bán dẫn hiếm khi chọn sợi carbon để tiết kiệm tiền cho vật liệu. Họ chọn nó bởi vì phong bì hiệu suất của máy không thể đạt được bằng bất kỳ cách nào khác.

5.1 Sự ổn định nhiệt giữ cho lớp phủ trung thực

Lỗi overlay là lớp lỗi đắt nhất trong lithography tiên tiến. Một cấu trúc phát triển thậm chí vài micromet trên một biến động nhiệt độ sẽ thay đổi hình ảnh mà nó chiếu. Bằng cách thiết kế laminate để CTE tiếp cận không, hoặc phù hợp với lưới hoặc tham chiếu wafer, sợi carbon loại bỏ toàn bộ thuật ngữ lỗi từ ngân sách thay vì cố gắng sửa nó trong phần mềm sau khi thực tế xảy ra.

5.2 Độ cứng và giảm dần cho thông lượng

Công cụ thông lượng được điều khiển bởi tốc độ một giai đoạn có thể di chuyển và sau đó giải quyết. Độ cứng cụ thể cao cho phép cấu trúc vẫn cứng rắn ở khối lượng thấp, và sự giảm tốc vốn có của hợp chất ức chế độ rung còn lại mà nếu không sẽ buộc sự chậm trễ định cư lâu hơn. Kết quả là một máy nhanh hơn và chính xác hơn, đó chính xác là sự kết hợp mà ngành công nghiệp trả tiền.

5.3 Sạch sẽ và hành vi không từ tính

Bên trong một phòng sạch, một vật liệu thoát khí, ăn mòn hoặc đổ các hạt là một trách nhiệm bất kể tính chất cơ học của nó. CFRP với hệ thống nhựa phù hợp và bề mặt hoàn thiện là vô tính, không rỉ sét và không tạo ra các mảnh vỡ mài mòn kim loại mà các bộ phận di chuyển thép có thể tạo ra. Tính chất không từ của nó cũng cần thiết gần các cột chùm electron và ion, nơi một cấu trúc ferromagnetic sẽ biến dạng chùm.

5.4 Chi phí vòng đời trong một thế hệ công cụ

Một công cụ fab dự kiến ​​sẽ chạy trong nhiều năm, thường xuyên trên một số nút quy trình, và thời gian ngừng hoạt động được đo trong khởi động wafer bị mất. Một cấu trúc giữ hình học của nó, không ăn mòn và không cần hiệu chuẩn lại định kỳ chống lại trôi nhiệt làm giảm chi phí sở hữu xa hơn giá mua của nó. Đối với một máy có thể tốn hàng triệu đô la, kinh tế của sự ổn định là quyết định.

6. Sản xuất và cân nhắc chất lượng

Các bộ phận tổng hợp cho thiết bị bán dẫn được giữ theo các tiêu chuẩn khoan dung và tài liệu chặt chẽ hơn nhiều so với công việc công nghiệp nói chung, và tuyến đường sản xuất quan trọng như vật liệu.

• Thiết kế layout: xác nhận laminate được thiết kế cho đường dẫn tải thực sự và gradient nhiệt, không chỉ đơn giản là sao chép từ phần kim loại mà nó thay thế.

• CTE phù hợp: xác minh sự mở rộng của hợp chất phù hợp với cấu trúc tham chiếu hoặc wafer trên băng nhiệt độ hoạt động đầy đủ.

• Nhựa và khí thải: chọn một hệ thống nhựa với khí thải thấp và xác nhận nó đối với các yêu cầu phòng sạch và chân không.

• Sạch sẽ và kết thúc: chỉ định niêm phong cạnh, xử lý bề mặt và kiểm soát hạt để bộ phận không trở thành nguồn lỗi.

• Metrology và traceability: yêu cầu nội dung sợi được ghi chép, lịch trình bố trí và kiểm tra kích thước có thể theo dõi được phần được giao.

• Liên kết và dính: thiết kế khớp để tránh nối mạ kẽm với kim loại và giữ cho tải trước bu lông ổn định trên chu kỳ nhiệt.

• Sửa chữa: kế hoạch sửa chữa bản vá liên kết khi có thể, vì vậy một sự kiện thiệt hại nhỏ không phế thải một lắp ráp đắt tiền.

7. Xu hướng định hình thế hệ công cụ tiếp theo

Một số lực đang đẩy sợi carbon sâu hơn vào thiết bị bán dẫn. Đầu tiên là sự co lại không ngừng của các nút quy trình, làm chặt chẽ ngân sách lớp phủ và kích thước quan trọng mỗi thế hệ và làm cho sự ổn định nhiệt không thể đàm phán được. Thứ hai là sự gia tăng của lithography EUV NA cao, có quang học lớn hơn và dung sai chặt chẽ hơn đặt ra yêu cầu thậm chí lớn hơn về độ cứng sân khấu và khung. Thứ ba là sự phát triển của bao bì tiên tiến và tích hợp 3D, nhân các bước xử lý và kiểm tra wafer và do đó nhu cầu về phần cứng xử lý nhẹ, nhanh, sạch. Cuối cùng, việc mở rộng sản xuất thiết bị bán dẫn hợp chất và điện mang lại nhiệt độ quy trình mới và môi trường buồng mới, mở rộng vai trò của cách nhiệt sợi oxy hóa trước và aramid cùng với cấu trúc sợi carbon. Trong mọi trường hợp, chủ đề cho phép là giống nhau: một vật liệu cứng, nhẹ, ổn định về chiều và sạch sẽ.

Công nghệ vật liệu mới Shanghai Tanchain cung cấp ngăn xếp sợi hoàn chỉnh đằng sau các chương trình thiết bị tiên tiến tiền chất và sợi carbon, sợi carbon, vải, prepreg, tấm, ống, hồ sơ pultruded và các bộ phận tổng hợp hoàn thành, cùng với sợi aramid, vải aramid và phạm vi sợi trước oxy hóa đầy đủ của sợi, sợi, cảm thấy và vải. Cho dù nhiệm vụ là giai đoạn wafer nguyên mẫu, thiết kế lại khung đo lường hoặc chương trình sản xuất để xử lý phần cứng, nhóm của chúng tôi có thể tư vấn về hình thức vật liệu, kiến trúc sợi và hệ thống nhựa phù hợp với chu kỳ nhiệm vụ. Xem phạm vi sản phẩm sợi carbon của chúng tôi hoặc gửi một yêu cầu để thảo luận thông số kỹ thuật về dự án thiết bị bán dẫn tiếp theo của bạn.