Производство полупроводников, пожалуй, является наиболее требовательной средой, в которой может работать любой механический компонент. Необходимые допуски на позиционирование измеряются в нанометрах. Стандарты чистоты — как правило, чистые помещения класса ISO от 1 до 4 — допускают лишь небольшое количество частиц на кубический метр воздуха. Химическая среда включает в себя коррозионные технологические газы, сверхчистую воду и агрессивные растворители. И следствием загрязнения или ошибки позиционирования является не просто косметический дефект, а уничтожение кремниевой пластины, стоимость которой исчисляется тысячами долларов, или порча всей партии продукции.
В таких условиях каждый механический компонент системы перемещения тщательно проверяется на предмет образования частиц, выделения газов, химической совместимости и точности позиционирования. Олдхэмская пара Этот тип муфты выдерживает такую проверку благодаря уникальному сочетанию нулевого люфта, нулевой нагрузки на подшипники, электрической изоляции и возможности использования материалов со сверхнизким газовыделением, что удовлетворяет требованиям, которым не может одновременно соответствовать ни один другой распространенный тип муфты. В данной статье рассматриваются конкретные области применения, требования к материалам и стандарты производительности, определяющие спецификацию муфт Олдхема в полупроводниковом оборудовании.
Проблема загрязнения чистых помещений
Даже одна частица размером более 0,1 микрона, попавшая на поверхность подложки во время фотолитографии, может вызвать критический дефект в изготавливаемой интегральной схеме. Молекула выделяющегося органического соединения из полимерного компонента может осаждаться на поверхности подложки и изменять поверхностную энергию таким образом, что это влияет на адгезию фоторезиста, равномерность травления или осаждение тонких пленок. Это не теоретические проблемы — это повседневные задачи по управлению загрязнениями, с которыми сталкиваются инженеры-технологи в полупроводниковой промышленности.
Каждый механический компонент на пути перемещения пластин — роботы, линейные и поворотные платформы, а также соединительные муфты, связывающие их приводы, — должен быть проверен на соответствие следующим требованиям:
- Скорость генерации частиц: Сколько частиц заданного размера выделяет компонент за единицу времени во время нормальной работы? Это измеряется в контролируемой камере и выражается в частицах в минуту на единицу площади или объема.
- Скорость дегазации: Какова скорость выброса летучих органических соединений (ЛОС) из компонента при рабочей температуре в вакууме или условиях, близких к вакууму? Этот параметр, измеряемый в Па·м³/с на единицу площади, определяет пригодность материалов для использования в вакуумных технологических камерах.
- Химическая совместимость: Устойчив ли материал к воздействию технологических химикатов, присутствующих в рабочей зоне, — паров фтороводорода, озона, изопропилового спирта, гидроксида аммония, перекиси водорода и других, в зависимости от этапа процесса?
- Ионное загрязнение: Выделяет ли материал ионы металлов или другие ионные частицы, которые могут осаждаться на поверхности пластин и изменять электрические характеристики устройства?
Почему скользящий диск муфты Олдхэма является одновременно и проблемой, и решением
Скользящее движение центрального диска является источником способности муфты Олдхема компенсировать несоосность, но оно также является потенциальным источником образования частиц. Каждый скользящий контакт приводит к образованию продуктов износа, и в условиях чистого помещения эти частицы необходимо контролировать.
Ключевым моментом является выбор материала. Стандартный ацетал в процессе эксплуатации образует измеримые частицы, что приемлемо в промышленных условиях, но слишком велико по количеству и размеру для использования в чистых помещениях класса ISO 3 или выше. Полиэфирэфиркетон (PEEK), и в частности PEEK, наполненный ПТФЭ или углеродным волокном, образует значительно меньше частиц меньшего размера при тех же условиях скольжения, а его распределение по размерам более благоприятно соответствует стандартам классификации чистых помещений.
Для самых требовательных полупроводниковых применений — внутри технологических камер или в средах классов ISO 1–2 — используются сверхчистые марки PEEK с контролируемой чистотой (низкое содержание металлических ионов, отсутствие пластификаторов и наполнителей, которые могут выделять газы). Эти материалы производятся в контролируемых условиях с документально подтвержденной стабильностью от партии к партии по скорости газовыделения и профилям образования частиц. Стоимость значительно выше, чем у стандартного PEEK, но прилагаемый к ним пакет квалификационных данных имеет важное значение для производителей оборудования, стремящихся получить одобрение технологического оборудования от производителей микросхем.
Шарниры робота для перемещения пластин
Роботы для работы с кремниевыми пластинами в атмосферных условиях — роботы SCARA и декартовы роботы, перемещающие пластины между кассетами, шлюзами и технологическими камерами, — имеют множество вращающихся шарниров, каждый из которых приводится в движение серводвигателем через гармонический привод или редуктор. В большинстве современных конструкций соединение между выходным валом двигателя и входом гармонического привода представляет собой муфту Олдхема.
Требования здесь очень строгие. Робот должен позиционировать 300-миллиметровую пластину с точностью до ±0,1 мм у входного отверстия технологической камеры, и эта процедура повторяется миллионы раз в течение всего срока службы инструмента. Любой люфт в шарнире приводит к ошибке позиционирования концевого манипулятора, которая усиливается кинематической цепью робота. Отсутствие люфта в каждом шарнире является обязательным требованием.
Допуск на боковое смещение муфты Олдхэма компенсирует небольшие, но неизбежные смещения валов между двигателем и гармоническим приводом в компактном, многослойном шарнирном узле — смещения, которые невозможно исправить с помощью прокладок в ограниченном пространстве корпуса шарнира робота. Альтернативный вариант — сильфонная муфта — создавал бы радиальные нагрузки на входной подшипник гармонического привода, сокращая срок его службы, а замена этого компонента в роботе, который может быть установлен в технологическом инструменте в рамках многолетнего сервисного контракта, является дорогостоящей и трудоемкой.
Линейные прецизионные столики
В фотолитографических степперах и сканерах, системах контроля пластин и метрологических инструментах используются сверхточные линейные столики с разрешением позиционирования в нанометровом диапазоне. Столик приводится в движение линейным двигателем или шариковинтовой передачей, а контур сервоуправления замыкается на показания лазерного интерферометра или оптического энкодера. Любая механическая податливость или люфт в приводной цепи напрямую проявляются как ошибка позиционирования в контуре обратной связи.
В прецизионных станках с шариковинтовой передачей муфта Олдхема между серводвигателем и шариковинтовой передачей выполняет ту же функцию, что и в любом станке с ЧПУ — передачу крутящего момента без люфта с компенсацией бокового смещения — но с более высокими стандартами производительности. Муфта должна сохранять нулевой люфт в течение всего срока службы станка, обычно от 5 до 10 лет ежедневной эксплуатации, при этом замена диска производится в рамках планового технического обслуживания станка. Прецизионные муфты Олдхема для таких применений изготавливаются с более жесткими допусками по ширине шипа, чем стандартные промышленные муфты, что минимизирует начальный люфт, возникающий из-за накопления допусков при сборке.
Совместимость с пылесосами: важнейшее дополнительное требование.
Многие этапы полупроводниковых технологических процессов происходят в вакууме — физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы, ионная имплантация и травление — все они работают при давлении от атмосферного до 10⁻⁹ Торр. Механические компоненты, находящиеся в вакуумных камерах или вблизи них, не должны выделять газы со скоростью, которая нарушает вакуум в процессе производства.
Стандартные полимерные материалы, включая стандартный ацеталь, нейлон и даже стандартный PEEK, содержат остаточные мономеры, пластификаторы и технологические добавки, которые выделяют газы в вакууме со скоростью, неприемлемой для высоковакуумных полупроводниковых процессов. Вакуумно-совместимые марки PEEK производятся с контролируемой скоростью выделения газов, как правило, соответствующей стандартам НАСА по выделению газов (ASTM E595): общая потеря массы ниже 1,0 процента и количество собранного летучего конденсируемого вещества ниже 0,1 процента после 24 часов при 125°C в вакууме.
Для муфт Олдхэма, используемых в вакуумной среде, следует указывать материалы дисков с документально подтвержденными данными о газовыделении от производителя. Стандартные муфты из каталога не рассчитаны на работу в вакууме; для вакуумно-совместимых версий требуется специальная сертификация материалов и часто процедуры термической обработки перед установкой в технологической камере. Материалы ступиц для вакуумных применений обычно представляют собой нержавеющую сталь 304 или 316L с электрополированной поверхностью — низкое отношение площади поверхности к объему полированной поверхности минимизирует слой адсорбированного газа, который десорбируется в вакууме.
Электрические аспекты полупроводникового оборудования
Полупроводниковые пластины чувствительны к электростатическому разряду — накопление заряда на поверхности пластины во время обработки может повредить слои затворного оксида в результате электростатического разряда (ЭСР), который не оставляет видимых следов, но разрушает функциональность устройства. Заземление оборудования и управление электростатическим разрядом являются самостоятельными инженерными дисциплинами в проектировании полупроводникового оборудования.
Электрическая изоляция муфты Олдхема, обеспечиваемая непроводящим полимерным диском, предотвращает распространение токов вала, генерируемых переключением сервопривода, по приводной цепи в конструкцию робота и, возможно, на пластину. В некоторых конструкциях инструментов эта изоляция специально заложена в приводной механизм с помощью муфты Олдхема, чтобы разорвать электрическую непрерывность между сервоусилителем и проводящими поверхностями концевого захвата и манипулятора пластины робота.
Напротив, в инструментах, где конструкция робота должна быть полностью заземлена для защиты от электростатического разряда, для поддержания электрической непрерывности используется металлическая муфта. Характеристики муфты должны соответствовать архитектуре заземления оборудования, что требует понимания стратегии защиты от электростатического разряда инструмента перед выбором между полимерно-дисковой и металлическо-дисковой муфтами Олдхема.
Контрольный список технических характеристик полупроводниковых соединений Олдхэма
| Требование | Спецификация | Обоснование |
|---|---|---|
| Материал диска | Сверхчистый композит PEEK или PTFE | Низкое образование частиц, низкое газовыделение, химическая стойкость |
| Материал ступицы | Нержавеющая сталь 316L, электрополированная | Коррозионная стойкость, низкий слой адсорбированного газа, поверхность, совместимая с чистыми помещениями. |
| Сертификация по дегазации | ASTM E595 (TML <1,0%, CVCM <0,1%) | Необходимо для работы в вакуумных технологических средах. |
| Хаб-стиль | Зажим (с разъемным отверстием) | Отсутствие повреждений поверхности вала, повторяемая соосность, отсутствие риска попадания частиц в установочный винт. |
| Смазка | Нет (сухой ход) | Пары смазочных материалов являются источником загрязнения в чистых помещениях и вакуумных средах. |
| Обратная реакция | Ноль (0 угловых минут, номинальное значение) | Требования к точности позиционирования пластины |
| Совместимость с чисткой | Протирка изопропиловым спиртом и дистиллированной водой. | Стандартная процедура очистки компонентов в чистых помещениях |
Заключение
Оборудование для производства полупроводников представляет собой наиболее технически сложную рабочую среду, с которой может столкнуться муфта Олдхэма в любом диапазоне ее применения. Сочетание требований к позиционированию на нанометровом уровне, ограничений по генерации субмикронных частиц, стандартов вакуумной дегазации, требований к управлению электростатическим разрядом и жестких требований к химической совместимости полностью исключило бы большинство типов муфт. Муфта Олдхэма проходит этот процесс квалификации — при условии использования правильного сверхчистого диска из PEEK, электрополированных ступиц из нержавеющей стали и документально подтвержденной сертификации дегазации — потому что ее принцип работы обеспечивает нулевую нагрузку на подшипники, нулевой люфт и работу всухую, что точно соответствует требованиям, предъявляемым к условиям полупроводниковых технологических процессов. Инженерные инвестиции в правильную спецификацию на этапе проектирования многократно окупаются за счет снижения потерь пластин, увеличения времени безотказной работы оборудования и упрощения процедур технического обслуживания в чистых помещениях.
Свяжитесь с нами инженерная команда Для получения информации о технических характеристиках полупроводниковых соединений Олдхэма, включая документацию по дегазации, или ознакомьтесь с нашим ассортиментом. диапазон прецизионной муфты для использования в чистых помещениях.
