ข้อต่อแบบ Oldham ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์: ระบบการเคลื่อนย้ายเวเฟอร์และระบบการเคลื่อนที่ในห้องปลอดเชื้อ

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์นั้นอาจกล่าวได้ว่าเป็นสภาพแวดล้อมที่ต้องการความแม่นยำสูงที่สุดเท่าที่ชิ้นส่วนเชิงกลใดๆ จะต้องเผชิญ ค่าความคลาดเคลื่อนในการวางตำแหน่งที่ต้องการนั้นวัดได้เป็นนาโนเมตร มาตรฐานความสะอาด—โดยทั่วไปคือห้องคลีนรูม ISO Class 1 ถึง ISO Class 4—อนุญาตให้มีอนุภาคเพียงไม่กี่อนุภาคต่อลูกบาศก์เมตรของอากาศเท่านั้น สภาพแวดล้อมทางเคมีประกอบด้วยก๊าซกระบวนการที่มีฤทธิ์กัดกร่อน น้ำบริสุทธิ์พิเศษ และตัวทำละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และผลที่ตามมาจากการปนเปื้อนหรือข้อผิดพลาดในการวางตำแหน่งไม่ใช่เพียงแค่ความบกพร่องทางด้านความสวยงาม แต่เป็นการทำลายแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีมูลค่าหลายพันดอลลาร์ หรือการทำให้ล็อตการผลิตทั้งหมดเสียหาย

ในสภาพแวดล้อมนี้ ชิ้นส่วนเชิงกลทุกชิ้นในระบบการเคลื่อนที่ได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนในด้านการเกิดอนุภาค การปล่อยก๊าซ ความเข้ากันได้ทางเคมี และความแม่นยำของตำแหน่ง ข้อต่อโอลด์แฮม ข้อต่อแบบโอลด์แฮมผ่านการตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนได้ เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัวที่รวมกันอย่างลงตัว ได้แก่ การไม่มีการคลายตัว การรับน้ำหนักเป็นศูนย์ การแยกทางไฟฟ้า และความพร้อมใช้งานในวัสดุที่มีการปล่อยก๊าซต่ำมาก ซึ่งตรงตามข้อกำหนดที่ข้อต่อแบบอื่นทั่วไปไม่สามารถตอบสนองได้พร้อมกัน บทความนี้จะตรวจสอบการใช้งานเฉพาะ วัสดุที่ต้องการ และมาตรฐานประสิทธิภาพที่ควบคุมข้อกำหนดของข้อต่อแบบโอลด์แฮมในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ความท้าทายด้านการปนเปื้อนในห้องปลอดเชื้อ

อนุภาคขนาดใหญ่กว่า 0.1 ไมครอนเพียงอนุภาคเดียวที่ตกลงบนพื้นผิวเวเฟอร์ระหว่างกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี อาจก่อให้เกิดข้อบกพร่องร้ายแรงในวงจรรวมที่กำลังผลิตได้ โมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์ที่ระเหยออกมาจากส่วนประกอบโพลีเมอร์อาจตกตะกอนบนพื้นผิวเวเฟอร์และเปลี่ยนแปลงพลังงานพื้นผิวในลักษณะที่ส่งผลต่อการยึดเกาะของโฟโตเรซิสต์ ความสม่ำเสมอของการกัด หรือการตกตะกอนของฟิล์มบาง นี่ไม่ใช่ปัญหาเชิงทฤษฎี แต่เป็นความท้าทายในการจัดการการปนเปื้อนในชีวิตประจำวันของวิศวกรกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ส่วนประกอบเชิงกลทุกชิ้นในเส้นทางการเคลื่อนย้ายแผ่นเวเฟอร์ ไม่ว่าจะเป็นหุ่นยนต์ แท่นวางเชิงเส้น แท่นวางแบบหมุน และข้อต่อที่เชื่อมต่อไดรฟ์ต่างๆ จะต้องได้รับการประเมินในด้านต่างๆ ดังนี้:

• อัตราการเกิดอนุภาค: ในระหว่างการทำงานปกติ ชิ้นส่วนดังกล่าวปล่อยอนุภาคที่มีขนาดที่กำหนดไว้จำนวนเท่าใดต่อหน่วยเวลา? วัดได้ในห้องควบคุมอุณหภูมิและแสดงผลเป็นจำนวนอนุภาคต่อนาทีต่อหน่วยพื้นที่หรือปริมาตร
• อัตราการปล่อยก๊าซ: อัตราการปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOC) จากชิ้นส่วนที่อุณหภูมิการทำงานในสภาวะสุญญากาศหรือใกล้สุญญากาศเป็นเท่าใด? พารามิเตอร์นี้วัดเป็น Pa·m³/s ต่อหน่วยพื้นที่ และเป็นตัวกำหนดความเหมาะสมของวัสดุสำหรับการใช้งานในห้องกระบวนการสุญญากาศ
• ความเข้ากันได้ทางเคมี: วัสดุนี้ทนต่อสารเคมีในกระบวนการผลิตที่อยู่ในบริเวณที่ใช้งานหรือไม่ เช่น ไอระเหยของไฮโดรเจนฟลูออไรด์ โอโซน ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และสารอื่นๆ ขึ้นอยู่กับขั้นตอนของกระบวนการ?
• การปนเปื้อนของไอออน: วัสดุดังกล่าวปล่อยไอออนโลหะหรือไอออนชนิดอื่น ๆ ที่อาจตกตะกอนบนพื้นผิวเวเฟอร์และเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอุปกรณ์หรือไม่?

เหตุใดแผ่นเลื่อนของข้อต่อโอลด์แฮมจึงเป็นทั้งความท้าทายและทางออก

การเคลื่อนที่แบบเลื่อนของแผ่นดิสก์ตรงกลางเป็นที่มาของความสามารถในการรองรับการเยื้องศูนย์ของข้อต่อโอลด์แฮม แต่ก็เป็นแหล่งที่มาของการเกิดอนุภาคได้เช่นกัน การสัมผัสแบบเลื่อนทุกครั้งจะก่อให้เกิดเศษสึกหรอ และในสภาพแวดล้อมห้องปลอดเชื้อ อนุภาคเศษสึกหรอเหล่านั้นจะต้องได้รับการจัดการ

หัวใจสำคัญอยู่ที่การเลือกวัสดุ อะซีทัลมาตรฐานจะสร้างอนุภาคที่วัดได้ระหว่างการใช้งาน ซึ่งเป็นที่ยอมรับได้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม แต่มีจำนวนอนุภาคและการกระจายขนาดอนุภาคสูงเกินไปสำหรับการใช้งานในห้องปลอดเชื้อ ISO Class 3 หรือสูงกว่านั้น PEEK และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง PEEK ที่เติมด้วย PTFE หรือเส้นใยคาร์บอน จะสร้างอนุภาคจำนวนน้อยกว่าและมีขนาดเล็กกว่าอย่างมากภายใต้สภาวะการเลื่อนเดียวกัน โดยมีการกระจายขนาดอนุภาคที่เหมาะสมกว่าตามมาตรฐานการจำแนกประเภทห้องปลอดเชื้อ

สำหรับงานด้านเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการความแม่นยำสูงที่สุด — เช่น ภายในห้องกระบวนการผลิต หรือในสภาพแวดล้อม ISO Class 1 ถึง 2 — จะมีการกำหนดให้ใช้ PEEK เกรดพิเศษที่มีความบริสุทธิ์สูง (ปริมาณไอออนโลหะต่ำ ไม่มีสารทำให้พลาสติกอ่อนตัวหรือสารเติมแต่งที่อาจปล่อยก๊าซออกมา) วัสดุเหล่านี้ผลิตภายใต้สภาวะควบคุม โดยมีเอกสารยืนยันความสม่ำเสมอของอัตราการปล่อยก๊าซและลักษณะการเกิดอนุภาคในแต่ละล็อต ต้นทุนสูงกว่า PEEK มาตรฐานอย่างมาก แต่ชุดข้อมูลการรับรองคุณภาพที่มาพร้อมกับวัสดุเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์ที่ต้องการขออนุมัติเครื่องมือจากผู้ผลิตชิป

ข้อต่อหุ่นยนต์สำหรับจัดการเวเฟอร์

หุ่นยนต์เคลื่อนย้ายเวเฟอร์ในบรรยากาศปกติ—หุ่นยนต์ SCARA และ Cartesian ที่ใช้เคลื่อนย้ายเวเฟอร์ระหว่างตลับ ล็อกโหลด และห้องประมวลผล—มีข้อต่อหมุนได้หลายจุด แต่ละจุดขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เซอร์โวผ่านชุดขับฮาร์มอนิกหรือตัวลดเกียร์ การเชื่อมต่อระหว่างเพลาส่งออกของมอเตอร์และอินพุตของชุดขับฮาร์มอนิกคือข้อต่อแบบ Oldham ในการออกแบบสมัยใหม่ส่วนใหญ่

ข้อกำหนดที่นี่เข้มงวดมาก หุ่นยนต์ต้องวางแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ให้อยู่ในตำแหน่งที่ช่องทางเข้าของห้องกระบวนการด้วยความคลาดเคลื่อนไม่เกิน ±0.1 มม. โดยต้องทำซ้ำหลายล้านครั้งตลอดอายุการใช้งานของเครื่องมือ การคลายตัวของข้อต่อใดๆ ก็ตามจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวางตำแหน่งของปลายแขนหุ่นยนต์ ซึ่งจะถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นโดยโซ่จลศาสตร์ของหุ่นยนต์ การคลายตัวเป็นศูนย์ที่ทุกข้อต่อเป็นข้อกำหนดที่ไม่สามารถต่อรองได้

ค่าความคลาดเคลื่อนด้านข้างของข้อต่อแบบ Oldham ช่วยดูดซับความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยแต่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของเพลาที่เกิดขึ้นระหว่างมอเตอร์และชุดขับฮาร์มอนิกในชุดประกอบข้อต่อแบบเรียงซ้อนขนาดกะทัดรัด ซึ่งความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้แผ่นรองในพื้นที่จำกัดของตัวเรือนข้อต่อหุ่นยนต์ ทางเลือกอื่นคือข้อต่อแบบสูบลม ซึ่งจะทำให้เกิดแรงกดในแนวรัศมีบนแบริ่งอินพุตของชุดขับฮาร์มอนิก ลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนดังกล่าว ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่มีราคาแพงและใช้เวลานานในการเปลี่ยนในหุ่นยนต์ที่อาจติดตั้งอยู่ในเครื่องมือในกระบวนการผลิตภายใต้สัญญาบริการหลายปี

แท่นวางเชิงเส้นความแม่นยำสูง

เครื่องมือสำหรับการพิมพ์ภาพด้วยแสง (Photolithography) เช่น สเต็ปเปอร์และสแกนเนอร์ ระบบตรวจสอบเวเฟอร์ และเครื่องมือวัดทางมาตรวิทยา ใช้แท่นวางเชิงเส้นที่มีความแม่นยำสูงมาก โดยมีความละเอียดในการกำหนดตำแหน่งในระดับนาโนเมตร แท่นวางนี้ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เชิงเส้นหรือบอลสกรู โดยมีวงจรควบคุมเซอร์โวที่ทำงานตามการอ่านค่าจากเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมตรหรือออปติคอลเอนโคเดอร์ ความยืดหยุ่นทางกลหรือการคลายตัวใดๆ ในโซ่ขับจะปรากฏเป็นข้อผิดพลาดในการกำหนดตำแหน่งในวงจรป้อนกลับโดยตรง

ในแท่นวางชิ้นงานความแม่นยำสูงที่ขับเคลื่อนด้วยบอลสกรู ข้อต่อโอลด์แฮมระหว่างมอเตอร์เซอร์โวและบอลสกรูทำหน้าที่เช่นเดียวกับในเครื่อง CNC ทั่วไป คือ การส่งแรงบิดแบบไร้การคลายตัวพร้อมรองรับการเยื้องศูนย์ด้านข้าง แต่มีมาตรฐานประสิทธิภาพที่สูงกว่า ข้อต่อต้องรักษาการคลายตัวเป็นศูนย์ตลอดอายุการใช้งานที่ได้รับการรับรองของแท่นวางชิ้นงาน ซึ่งโดยทั่วไปคือ 5 ถึง 10 ปีของการใช้งานประจำวัน โดยมีการเปลี่ยนแผ่นดิสก์เป็นส่วนหนึ่งของตารางการบำรุงรักษาตามแผนของแท่นวางชิ้นงาน ข้อต่อโอลด์แฮมเกรดความแม่นยำสูงสำหรับการใช้งานเหล่านี้ผลิตขึ้นด้วยความคลาดเคลื่อนของความกว้างเดือยที่แคบกว่าข้อต่ออุตสาหกรรมมาตรฐาน ซึ่งช่วยลดการคลายตัวเริ่มต้นจากความคลาดเคลื่อนในการประกอบสะสม

ความเข้ากันได้กับระบบสุญญากาศ: ข้อกำหนดเพิ่มเติมที่สำคัญ

ขั้นตอนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์หลายขั้นตอนเกิดขึ้นในสภาวะสุญญากาศ เช่น การตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพ การตกตะกอนไอระเหยทางเคมี การฝังไอออน และกระบวนการกัดเซาะ ซึ่งทั้งหมดนี้ดำเนินการที่ความดันตั้งแต่ระดับบรรยากาศลงไปจนถึง 10⁻⁹ Torr ชิ้นส่วนเชิงกลภายในหรือใกล้ห้องสุญญากาศจะต้องไม่ปล่อยก๊าซในอัตราที่สูงจนทำให้สุญญากาศของกระบวนการเสียหาย

วัสดุพอลิเมอร์มาตรฐาน เช่น อะซีทัล ไนลอน และแม้แต่ PEEK มาตรฐาน ล้วนมีโมโนเมอร์ พลาสติไซเซอร์ และสารช่วยในการผลิตตกค้างอยู่ ซึ่งจะระเหยออกมาในสภาวะสุญญากาศในอัตราที่ไม่สามารถยอมรับได้สำหรับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในสภาวะสุญญากาศสูง PEEK เกรดที่เหมาะสมกับสภาวะสุญญากาศนั้นผลิตขึ้นโดยควบคุมอัตราการระเหย โดยทั่วไปจะตรงตามมาตรฐานการระเหยของ NASA (ASTM E595): การสูญเสียมวลรวมต่ำกว่า 1.0 เปอร์เซ็นต์ และวัสดุที่ควบแน่นได้ระเหยได้ที่เก็บสะสมไว้ต่ำกว่า 0.1 เปอร์เซ็นต์ หลังจาก 24 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 125°C ในสภาวะสุญญากาศ

สำหรับข้อต่อ Oldham ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ให้ระบุวัสดุของแผ่นดิสก์ที่มีข้อมูลการปล่อยก๊าซที่ได้รับการรับรองจากผู้ผลิต ข้อต่อมาตรฐานในแคตตาล็อกไม่ได้ออกแบบมาสำหรับใช้งานในสุญญากาศ ข้อต่อที่ใช้งานร่วมกับสุญญากาศได้นั้นต้องมีการรับรองวัสดุเฉพาะ และมักต้องผ่านกระบวนการอบไล่ก๊าซก่อนการติดตั้งในสภาพแวดล้อมห้องกระบวนการ วัสดุของดุมสำหรับงานสุญญากาศโดยทั่วไปคือสแตนเลส 304 หรือ 316L ที่มีพื้นผิวขัดเงาด้วยไฟฟ้า — อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรต่ำของพื้นผิวขัดเงาช่วยลดชั้นก๊าซที่ดูดซับซึ่งจะระเหยออกไปในสุญญากาศ

ข้อควรพิจารณาทางไฟฟ้าในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

แผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์มีความไวต่อไฟฟ้าสถิต การสะสมประจุบนพื้นผิวเวเฟอร์ระหว่างการขนส่งอาจทำให้ชั้นออกไซด์ของเกตเสียหายด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) ซึ่งแม้จะไม่ทิ้งร่องรอยที่มองเห็นได้ แต่ก็ทำลายการทำงานของอุปกรณ์ การต่อสายดินของอุปกรณ์และการจัดการไฟฟ้าสถิตเป็นศาสตร์ทางวิศวกรรมเฉพาะด้านในการออกแบบเครื่องมือเซมิคอนดักเตอร์

คุณสมบัติการแยกทางไฟฟ้าของข้อต่อโอลด์แฮม ซึ่งเกิดจากแผ่นโพลีเมอร์ที่ไม่นำไฟฟ้า ช่วยป้องกันกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการสลับการทำงานของเซอร์โวไดรฟ์ไม่ให้แพร่กระจายผ่านโซ่ขับไปยังโครงสร้างของหุ่นยนต์และอาจถึงแผ่นเวเฟอร์ได้ ในการออกแบบเครื่องมือบางแบบ การแยกทางไฟฟ้านี้ได้รับการออกแบบมาโดยเจตนาในระบบขับเคลื่อนโดยใช้ข้อต่อโอลด์แฮมโดยเฉพาะเพื่อตัดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างตัวขยายสัญญาณเซอร์โวและปลายแขนกลที่นำไฟฟ้าของหุ่นยนต์ รวมถึงพื้นผิวที่ใช้ในการจับแผ่นเวเฟอร์

ในทางกลับกัน ในเครื่องมือที่โครงสร้างของหุ่นยนต์ต้องต่อลงดินตลอดทั้งระบบเพื่อการจัดการ ESD นั้น จะต้องมีการระบุให้ใช้ข้อต่อโลหะเพื่อรักษาความต่อเนื่องทางไฟฟ้า ข้อกำหนดของข้อต่อต้องตรงกับสถาปัตยกรรมการต่อลงดินของอุปกรณ์ ซึ่งจำเป็นต้องทำความเข้าใจกลยุทธ์การจัดการ ESD ของเครื่องมือก่อนที่จะเลือกใช้ข้อต่อ Oldham แบบแผ่นโพลีเมอร์หรือแบบแผ่นโลหะ

รายการตรวจสอบคุณสมบัติสำหรับข้อต่อ Oldham ของเซมิคอนดักเตอร์

บทสรุป

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นสภาพแวดล้อมการทำงานที่ต้องการความแม่นยำสูงที่สุดสำหรับข้อต่อแบบ Oldham ในช่วงการใช้งานทั้งหมด การผสมผสานระหว่างข้อกำหนดด้านการวางตำแหน่งระดับนาโนเมตร ข้อจำกัดในการสร้างอนุภาคขนาดเล็กกว่าไมครอน มาตรฐานการไล่ก๊าซในสุญญากาศ ข้อกำหนดด้านการจัดการ ESD และข้อกำหนดด้านความเข้ากันได้ทางเคมีที่เข้มงวด จะทำให้ข้อต่อประเภทอื่นๆ ส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้งานได้ แต่ข้อต่อแบบ Oldham ผ่านกระบวนการตรวจสอบคุณสมบัตินี้ได้ — เมื่อระบุรายละเอียดด้วยแผ่น PEEK ที่สะอาดเป็นพิเศษ ดุมสแตนเลสขัดเงาด้วยไฟฟ้า และเอกสารรับรองการไล่ก๊าซ — เนื่องจากหลักการทำงานของมันทำให้เกิดภาระแบริ่งเป็นศูนย์ การคลายตัวเป็นศูนย์ และการทำงานแบบแห้ง ซึ่งทั้งหมดนี้สอดคล้องกับสิ่งที่สภาพแวดล้อมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องการอย่างแม่นยำ การลงทุนด้านวิศวกรรมในการกำหนดรายละเอียดที่ถูกต้องในขั้นตอนการออกแบบจะได้รับผลตอบแทนหลายเท่าตัวในแง่ของการลดการสูญเสียเวเฟอร์ การยืดเวลาการใช้งานของเครื่องมือ และขั้นตอนการบำรุงรักษาห้องคลีนรูมที่ง่ายขึ้น

ติดต่อเรา ทีมวิศวกรรม สำหรับข้อมูลจำเพาะของข้อต่อ Oldham ระดับเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงเอกสารเกี่ยวกับการปล่อยก๊าซ หรือเรียกดูเว็บไซต์ของเรา ช่วงการเชื่อมต่อที่แม่นยำ สำหรับงานในห้องปลอดเชื้อ