Виробництво напівпровідників, мабуть, є найвимогливішим середовищем, в якому може працювати будь-який механічний компонент. Необхідні допуски позиціонування вимірюються в нанометрах. Стандарти чистоти — зазвичай чисті приміщення ISO класу 1–4 — дозволяють лише кілька частинок на кубічний метр повітря. Хімічне середовище включає агресивні технологічні гази, надчисту воду та агресивні розчинники. А наслідком забруднення або помилки позиціонування є не косметичний дефект, а руйнування кремнієвої пластини вартістю тисячі доларів або компрометація всієї партії продукції.
У цьому середовищі кожен механічний компонент системи руху ретельно перевіряється на наявність частинок, виділення газів, хімічну сумісність та точність позиціонування. Олдхемське зчеплення витримує цю перевірку, оскільки його унікальне поєднання нульового люфту, нульового навантаження на підшипник, електричної ізоляції та доступності в матеріалах з наднизьким газовиділенням задовольняє вимоги, яким жоден інший поширений тип з'єднання не може одночасно відповідати. У цій статті розглядаються конкретні застосування, вимоги до матеріалів та стандарти продуктивності, що регулюють специфікацію з'єднання Oldham у напівпровідниковому обладнанні.
Проблема забруднення чистих приміщень
Потрапляння однієї частинки розміром більше 0,1 мікрона на поверхню пластини під час фотолітографії може спричинити критичний дефект у виготовленій інтегральній схемі. Молекула органічної сполуки, що виділяється з полімерного компонента, може осідати на поверхні пластини та змінювати поверхневу енергію таким чином, що це впливає на адгезію фоторезисту, однорідність травлення або осадження тонкої плівки. Це не теоретичні проблеми — це щоденні проблеми управління забрудненням, з якими стикаються інженери-технологи напівпровідникових технологій.
Кожен механічний компонент на шляху обробки пластин — роботи, лінійні платформи, обертові платформи та муфти, що з'єднують їхні приводи — має бути оцінений на:
- Швидкість генерації частинок: Скільки частинок певного розміру викидає компонент за одиницю часу під час нормальної роботи? Це вимірюється в контрольованій камері та виражається в кількості частинок за хвилину на одиницю площі або об'єму.
- Швидкість дегазації: Яка швидкість виділення летких органічних сполук (ЛОС) з компонента за робочої температури у вакуумі або близьких до вакууму умовах? Цей параметр, що вимірюється в Па·м³/с на одиницю площі, визначає придатність матеріалів для використання у вакуумних технологічних камерах.
- Хімічна сумісність: Чи стійкий матеріал до технологічних хімічних речовин, присутніх у його робочій зоні — парів фтористого водню, озону, ізопропілового спирту, гідроксиду амонію, перекису водню та інших, залежно від етапу процесу?
- Іонне забруднення: Чи вивільняє матеріал іони металів або інші іонні частинки, які можуть осідати на поверхні пластин та змінювати електричні характеристики пристрою?
Чому ковзний диск муфти Oldham є одночасно проблемою та рішенням
Ковзний рух центрального диска є джерелом здатності муфти Oldham компенсувати неспіввісність, але він також є потенційним джерелом утворення частинок. Кожен ковзний контакт створює сміття від зносу, і в середовищі чистого приміщення ці частинки сміття необхідно контролювати.
Ключовим є вибір матеріалу. Стандартний ацеталь під час роботи генерує вимірювані частинки, які є прийнятними в промисловому середовищі, але мають занадто високу кількість частинок та розподіл розмірів для використання в чистих приміщеннях класу ISO 3 або вище. PEEK, і зокрема PEEK, наповнений PTFE або вуглецевим волокном, генерує значно менше та дрібніших частинок за тих самих умов ковзання, з розподілом розмірів частинок, який більш сприятливо відповідає стандартам класифікації чистих приміщень.
Для найвимогливіших напівпровідникових застосувань — усередині технологічних камер або в середовищах класу ISO 1–2 — використовуються надчисті марки PEEK з контрольованою чистотою (низький вміст іонів металів, відсутність пластифікаторів або наповнювачів, які можуть виділяти гази). Ці матеріали виготовляються в контрольованих умовах з задокументованою стабільністю швидкості виділення газів та профілів утворення частинок від партії до партії. Вартість значно вища, ніж у стандартного PEEK, але пакет кваліфікаційних даних, що постачається з ними, є важливим для виробників обладнання, які прагнуть отримати схвалення технологічного інструменту від виробників мікросхем.
Роботизовані з'єднання для обробки пластин
Роботи для обробки пластин в атмосфері — SCARA та декартові роботи, які переносять пластини між касетами, шлюзами навантаження та технологічними камерами — мають кілька обертових шарнірів, кожен з яких приводиться в рух серводвигуном через гармонійний привід або редуктор. З'єднання між вихідним валом двигуна та входом гармонійного приводу у більшості сучасних конструкцій являє собою з'єднання Олдхема.
Вимоги тут суворі. Робот повинен розташувати пластину розміром 300 мм з точністю ±0,1 мм у вхідному отворі технологічної камери, повторюючи це мільйони разів протягом терміну служби інструменту. Будь-який люфт муфти в місці з'єднання створює похибку позиціонування кінцевого ефектора, яка посилюється кінематичним ланцюгом робота. Нульовий люфт у кожному з'єднанні є невід'ємною вимогою.
Допуск поперечного зміщення муфти Oldham поглинає невеликі, але неминучі перекоси валів між двигуном та гармонійним приводом у компактному, багатошаровому з'єднаному вузлі — перекоси, які неможливо виправити за допомогою прокладок у обмеженому просторі корпусу з'єднання робота. Альтернатива — сильфонна муфта — створюватиме радіальні навантаження на вхідний підшипник гармонійного приводу, скорочуючи термін його служби в компоненті, заміна якого є дорогою та трудомісткою в роботу, який може бути встановлений у технологічному інструменті за багаторічним сервісним контрактом.
Лінійні прецизійні етапи
Фотолітографічні крокові машини та сканери, системи контролю пластин та метрологічні інструменти використовують надточні лінійні платформи з роздільною здатністю позиціонування в нанометровому діапазоні. Плата приводиться в рух лінійним двигуном або кульковим гвинтом, а контур сервокерування замикається на показниках лазерного інтерферометра або оптичного енкодера. Будь-яка механічна податливість або люфт у ланцюзі приводу безпосередньо проявляється як похибка позиціонування в контурі зворотного зв'язку.
У прецизійних платформах з кульковим гвинтом муфта Oldham між серводвигуном і кульковим гвинтом виконує ту саму функцію, що й у будь-якому верстаті з ЧПК — передачу крутного моменту без люфту з боковим зміщенням — але відповідно до вищих стандартів продуктивності. Муфта повинна підтримувати нульовий люфт протягом повного терміну служби платформи, зазвичай від 5 до 10 років щоденного використання, із заміною диска, що виконується в рамках планового графіка технічного обслуговування платформи. Прецизійні муфти Oldham для цих застосувань виготовляються з меншими допусками ширини шипа, ніж стандартні промислові муфти, що мінімізує початковий люфт від накопичення допусків при складанні.
Сумісність з вакуумом: критично важлива додаткова вимога
Багато етапів виробництва напівпровідників відбуваються у вакуумі — фізичне осадження з парової фази, хімічне осадження з парової фази, іонна імплантація та травлення — всі вони працюють за тиску від атмосферного до 10⁻⁹ Торр. Механічні компоненти у вакуумних камерах або поблизу них не повинні виділяти гази зі швидкістю, яка б погіршувала вакуум процесу.
Стандартні полімерні матеріали, включаючи ацеталь стандартного класу, нейлон і навіть стандартний PEEK, містять залишкові мономери, пластифікатори та технологічні добавки, які виділяють гази у вакуумі зі швидкістю, неприйнятною для високовакуумних напівпровідникових процесів. Вакуумно-сумісні марки PEEK виготовляються з контрольованою швидкістю виділення газів, зазвичай відповідно до стандартів NASA щодо виділення газів (ASTM E595): загальна втрата маси менше 1,0 відсотка та вміст летких конденсованих речовин менше 0,1 відсотка після 24 годин при 125°C у вакуумі.
Для муфт Oldham, що використовуються у вакуумному середовищі, вказуйте матеріали дисків із задокументованими даними про газовиділення від виробника. Стандартні каталожні муфти не розраховані на використання у вакуумі; вакуумно-сумісні версії вимагають спеціальної сертифікації матеріалів та часто процедур випалювання перед встановленням у технологічній камері. Матеріали втулок для вакуумного застосування зазвичай виготовлені з нержавіючої сталі 304 або 316L з електрополірованими поверхнями — низьке співвідношення площі поверхні до об'єму полірованої поверхні мінімізує шар адсорбованого газу, який десорбується у вакуумі.
Електричні аспекти напівпровідникового обладнання
Напівпровідникові пластини чутливі до електростатики — накопичення заряду на поверхні пластини під час обробки може пошкодити шари оксиду затвора внаслідок електростатичного розряду (ESD), який не залишає видимих слідів, але руйнує функціональність пристрою. Заземлення обладнання та електростатичне управління є самостійними інженерними дисциплінами в розробці напівпровідникових інструментів.
Властивість електричної ізоляції муфти Олдхема, що забезпечується непровідним полімерним диском, запобігає поширенню струмів вала, що генеруються перемиканням сервоприводу, через ланцюг приводу в конструкцію робота та потенційно на пластину. У деяких конструкціях інструментів ця ізоляція навмисно вбудована в трансмісію за допомогою муфти Олдхема, спеціально для розриву електричної безперервності між сервопідсилювачем та провідним кінцевим ефектором робота та поверхнями обробки пластин.
І навпаки, в інструментах, де конструкція робота повинна бути повністю заземлена для управління електростатичним розрядом (ЕСР), для забезпечення безперервності електричного кола визначається металева муфта. Специфікація муфти повинна відповідати архітектурі заземлення обладнання, що вимагає розуміння стратегії управління електростатичним розрядом інструменту перед вибором між полімерно-дисковими та металево-дисковими муфтами Олдхема.
Контрольний список специфікацій для напівпровідникових муфт Oldham
| Вимога | Специфікація | Обґрунтування |
|---|---|---|
| Матеріал диска | Ультрачистий композит PEEK або PTFE | Низький рівень утворення частинок, низьке газоутворення, хімічна стійкість |
| Матеріал маточини | Нержавіюча сталь 316L, електрополірована | Корозійна стійкість, низький адсорбований газовий шар, поверхня, сумісна з чистими приміщеннями |
| Сертифікація дегазації | ASTM E595 (TML <1.0%, CVCM <0.1%) | Необхідно для вакуумних технологічних середовищ |
| Стиль хаба | Затискач (роздільний отвір) | Відсутність пошкодження поверхні вала, повторювана концентричність, відсутність ризику потрапляння частинок на стопорний гвинт |
| Змащення | Немає (сухий хід) | Пари мастила є джерелом забруднення в чистих приміщеннях та вакуумних середовищах |
| Зворотна реакція | Нуль (номінальне значення 0 кутових хвилин) | Вимоги до точності позиціонування пластини |
| Сумісність з очищенням | Протирання водою IPA, DI | Стандартна процедура очищення компонентів чистого приміщення |
Висновок
Напівпровідникове обладнання являє собою найвимогливіше робоче середовище, з яким стикається муфта Oldham у будь-якому діапазоні свого застосування. Поєднання вимог до позиціонування на нанометровому рівні, обмежень на утворення субмікронних частинок, стандартів вакуумної дегазації, вимог до управління електростатичним розрядом (ESD) та агресивних вимог до хімічної сумісності повністю виключає більшість типів муфт з розгляду. Муфта Oldham витримує цей процес кваліфікації — за умови використання правильного надчистого диска з PEEK, електрополірованих нержавіючих маточин та документальної сертифікації дегазації — оскільки її принцип роботи забезпечує нульове навантаження на підшипник, нульовий люфт та сухий хід, що точно відповідає вимогам середовища напівпровідникового процесу. Інженерні інвестиції в правильну специфікацію на етапі проектування багаторазово окупаються завдяки зменшенню втрат пластин, збільшенню часу безвідмовної роботи інструменту та спрощеним процедурам обслуговування в чистих приміщеннях.
Зв'яжіться з нашими інженерна команда для отримання специфікацій з'єднання Oldham напівпровідникового класу, включаючи документацію щодо дегазації, або перегляньте наші діапазон прецизійного зчеплення для застосування в чистих приміщеннях.
