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?

Why the Oldham Coupling’s Sliding Disc Is Both the Challenge and the Solution

The centre disc’s sliding motion is the source of the Oldham coupling’s misalignment accommodation capability — but it is also a potential source of particle generation. Every sliding contact produces wear debris, and in a cleanroom environment those debris particles must be managed.

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

The requirements here are exacting. The robot must position a 300 mm wafer to within ±0.1 mm at the process chamber entrance slot, repeated millions of times over the tool’s service life. Any coupling backlash at the joint produces an end-effector positioning error amplified by the robot’s kinematic chain. Zero backlash at every joint is a non-negotiable requirement.

The lateral offset tolerance of the Oldham coupling absorbs the small but unavoidable shaft misalignments between the motor and harmonic drive in the compact, stacked joint assembly — misalignments that cannot be corrected by shimming in the confined space of a robot joint housing. The alternative — a bellows coupling — would impose radial loads on the harmonic drive’s input bearing, reducing its service life in a component that is expensive and time-consuming to replace in a robot that may be installed in a process tool under a multi-year service contract.

แท่นวางเชิงเส้นความแม่นยำสูง

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

In ballscrew-driven precision stages, the Oldham coupling between the servo motor and the ballscrew serves the same function as in any CNC machine — zero-backlash torque transmission with lateral offset accommodation — but to higher performance standards. The coupling must maintain zero backlash for the full qualified service life of the stage, typically 5 to 10 years of daily use, with disc replacement performed as part of the stage’s planned maintenance schedule. Precision-grade Oldham couplings for these applications are manufactured to tighter tenon width tolerances than standard industrial couplings, minimising the initial backlash from assembly tolerance stack-up.

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

The Oldham coupling’s electrical isolation property — provided by the non-conducting polymer disc — prevents shaft currents generated by servo drive switching from propagating through the drive chain into the robot structure and potentially to the wafer. In some tool designs, this isolation is deliberately engineered into the drive train using an Oldham coupling specifically to break the electrical continuity between the servo amplifier and the robot’s conductive end-effector and wafer handling surfaces.

Conversely, in tools where the robot structure must be grounded throughout for ESD management, a metallic coupling is specified to maintain electrical continuity. The coupling specification must match the equipment’s grounding architecture, which requires understanding the tool’s ESD management strategy before selecting between polymer-disc and metal-disc Oldham couplings.

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