Sản xuất chất bán dẫn có thể nói là môi trường khắc nghiệt nhất mà bất kỳ linh kiện cơ khí nào phải hoạt động. Dung sai định vị yêu cầu được đo bằng nanomet. Tiêu chuẩn độ sạch – thường là phòng sạch ISO Class 1 đến ISO Class 4 – chỉ cho phép một số ít hạt trên mỗi mét khối không khí. Môi trường hóa học bao gồm khí xử lý ăn mòn, nước siêu tinh khiết và dung môi mạnh. Và hậu quả của sự nhiễm bẩn hoặc sai sót định vị không chỉ là một khuyết điểm về hình thức mà là sự phá hủy một tấm silicon trị giá hàng nghìn đô la, hoặc làm ảnh hưởng đến toàn bộ lô sản xuất.
Trong môi trường này, mọi thành phần cơ khí trong hệ thống chuyển động đều được kiểm tra kỹ lưỡng về khả năng tạo hạt, sự thoát khí, tính tương thích hóa học và độ chính xác vị trí. Khớp nối Oldham Nó vượt qua được sự kiểm tra nghiêm ngặt này bởi vì sự kết hợp độc đáo giữa độ rơ bằng không, tải trọng ổ trục bằng không, cách điện và khả năng chế tạo bằng vật liệu có độ thoát khí cực thấp, đáp ứng được các yêu cầu mà không loại khớp nối thông thường nào khác có thể đáp ứng đồng thời. Bài viết này xem xét các ứng dụng cụ thể, yêu cầu vật liệu và tiêu chuẩn hiệu suất chi phối thông số kỹ thuật của khớp nối Oldham trong thiết bị bán dẫn.
Thử thách ô nhiễm phòng sạch
Một hạt nhỏ hơn 0,1 micron rơi xuống bề mặt tấm bán dẫn trong quá trình quang khắc có thể gây ra lỗi nghiêm trọng trong mạch tích hợp đang được chế tạo. Một phân tử hợp chất hữu cơ thoát khí từ thành phần polymer có thể lắng đọng trên bề mặt tấm bán dẫn và làm thay đổi năng lượng bề mặt theo những cách ảnh hưởng đến độ bám dính của chất cản quang, độ đồng nhất của quá trình khắc hoặc sự lắng đọng màng mỏng. Đây không phải là những vấn đề lý thuyết mà là những thách thức quản lý ô nhiễm hàng ngày đối với các kỹ sư quy trình bán dẫn.
Mọi thành phần cơ khí trong quy trình xử lý tấm bán dẫn — robot, bàn trượt tuyến tính, bàn trượt quay và các khớp nối truyền động của chúng — đều phải được đánh giá về các tiêu chí sau:
- Tốc độ tạo hạt: Trong điều kiện hoạt động bình thường, linh kiện đó thải ra bao nhiêu hạt có kích thước xác định mỗi đơn vị thời gian? Điều này được đo trong buồng kiểm soát và được biểu thị bằng số hạt mỗi phút trên mỗi đơn vị diện tích hoặc thể tích.
- Tốc độ thoát khí: Tốc độ phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) từ linh kiện ở nhiệt độ hoạt động trong điều kiện chân không hoặc gần chân không là bao nhiêu? Được đo bằng Pa·m³/s trên một đơn vị diện tích, thông số này quyết định tính phù hợp của vật liệu để sử dụng trong buồng xử lý chân không.
- Khả năng tương thích hóa học: Vật liệu này có khả năng chống lại các hóa chất có trong vùng hoạt động của nó hay không — hơi hydro florua, ozon, cồn isopropyl, amoni hydroxit, hydro peroxit và các chất khác tùy thuộc vào bước xử lý?
- Sự nhiễm bẩn ion: Vật liệu này có giải phóng các ion kim loại hoặc các loại ion khác có thể lắng đọng trên bề mặt tấm bán dẫn và làm thay đổi đặc tính điện của thiết bị không?
Vì sao đĩa trượt của khớp nối Oldham vừa là thách thức vừa là giải pháp
Chuyển động trượt của đĩa trung tâm là nguồn gốc khả năng bù sai lệch của khớp nối Oldham — nhưng nó cũng là nguồn tiềm tàng tạo ra các hạt bụi. Mỗi điểm tiếp xúc trượt đều tạo ra các mảnh vụn mài mòn, và trong môi trường phòng sạch, các hạt bụi này cần được xử lý.
Yếu tố then chốt nằm ở việc lựa chọn vật liệu. Acetat tiêu chuẩn tạo ra các hạt có thể đo được trong quá trình hoạt động, mức độ chấp nhận được trong môi trường công nghiệp nhưng lại quá cao về số lượng và kích thước hạt đối với phòng sạch đạt tiêu chuẩn ISO Class 3 hoặc cao hơn. PEEK, đặc biệt là PEEK được gia cường bằng PTFE hoặc sợi carbon, tạo ra ít hạt hơn đáng kể và kích thước hạt nhỏ hơn trong cùng điều kiện trượt, với sự phân bố kích thước hạt phù hợp hơn với các tiêu chuẩn phân loại phòng sạch.
Đối với các ứng dụng bán dẫn đòi hỏi khắt khe nhất — bên trong buồng xử lý hoặc trong môi trường ISO Loại 1 đến 2 — các loại PEEK siêu sạch với độ tinh khiết được kiểm soát (hàm lượng ion kim loại thấp, không có chất dẻo hóa hoặc chất độn có thể gây thoát khí) được chỉ định. Các vật liệu này được sản xuất trong điều kiện được kiểm soát với sự nhất quán được ghi chép đầy đủ giữa các lô về tỷ lệ thoát khí và hồ sơ tạo hạt. Chi phí cao hơn đáng kể so với PEEK tiêu chuẩn, nhưng gói dữ liệu chứng nhận đi kèm là rất cần thiết cho các nhà sản xuất thiết bị đang tìm kiếm sự chấp thuận công cụ xử lý từ các nhà sản xuất chip.
Các khớp robot xử lý wafer
Robot xử lý wafer trong môi trường khí quyển — các robot SCARA và Cartesian dùng để vận chuyển wafer giữa các khay, buồng khóa tải và buồng xử lý — có nhiều khớp quay, mỗi khớp được điều khiển bởi một động cơ servo thông qua bộ truyền động hài hòa hoặc bộ giảm tốc. Trong hầu hết các thiết kế hiện đại, khớp nối giữa trục đầu ra của động cơ và đầu vào của bộ truyền động hài hòa là khớp nối Oldham.
Các yêu cầu ở đây rất khắt khe. Robot phải định vị một tấm wafer 300 mm với độ chính xác ±0,1 mm tại khe vào buồng xử lý, lặp đi lặp lại hàng triệu lần trong suốt vòng đời hoạt động của thiết bị. Bất kỳ độ rơ nào tại khớp nối đều tạo ra sai số định vị đầu cuối, được khuếch đại bởi chuỗi động học của robot. Độ rơ bằng không tại mọi khớp nối là yêu cầu không thể thương lượng.
Khả năng dung sai lệch ngang của khớp nối Oldham hấp thụ các sai lệch trục nhỏ nhưng không thể tránh khỏi giữa động cơ và bộ truyền động hài trong cụm khớp nối nhỏ gọn, xếp chồng lên nhau — những sai lệch không thể khắc phục bằng cách chêm thêm miếng đệm trong không gian hạn hẹp của vỏ khớp nối robot. Giải pháp thay thế — khớp nối kiểu ống thổi — sẽ tạo ra tải trọng hướng tâm lên ổ trục đầu vào của bộ truyền động hài, làm giảm tuổi thọ của bộ phận này, vốn rất tốn kém và mất thời gian để thay thế trong một robot có thể được lắp đặt trong một công cụ xử lý theo hợp đồng bảo trì nhiều năm.
Bàn trượt tuyến tính chính xác
Các máy khắc quang học, máy quét, hệ thống kiểm tra wafer và các công cụ đo lường sử dụng các bàn trượt tuyến tính siêu chính xác với độ phân giải định vị trong phạm vi nanomet. Bàn trượt được điều khiển bởi một động cơ tuyến tính hoặc vít me bi, với vòng điều khiển servo đóng lại dựa trên tín hiệu từ máy đo giao thoa laser hoặc bộ mã hóa quang học. Bất kỳ sự biến dạng cơ học hoặc độ rơ nào trong chuỗi truyền động đều trực tiếp xuất hiện dưới dạng lỗi vị trí trong vòng phản hồi.
Trong các bàn trượt chính xác dẫn động bằng vít me bi, khớp nối Oldham giữa động cơ servo và vít me bi có chức năng tương tự như trong bất kỳ máy CNC nào — truyền mô-men xoắn không có độ rơ với khả năng bù lệch ngang — nhưng với tiêu chuẩn hiệu suất cao hơn. Khớp nối phải duy trì độ rơ bằng không trong suốt vòng đời hoạt động được chứng nhận của bàn trượt, thường là 5 đến 10 năm sử dụng hàng ngày, với việc thay thế đĩa được thực hiện như một phần của lịch bảo trì định kỳ của bàn trượt. Các khớp nối Oldham cấp độ chính xác cho các ứng dụng này được sản xuất với dung sai chiều rộng mộng chặt chẽ hơn so với các khớp nối công nghiệp tiêu chuẩn, giảm thiểu độ rơ ban đầu do tích lũy dung sai lắp ráp.
Khả năng tương thích với môi trường chân không: Một yêu cầu bổ sung quan trọng
Nhiều bước trong quy trình sản xuất bán dẫn diễn ra trong môi trường chân không — lắng đọng hơi vật lý, lắng đọng hơi hóa học, cấy ion và các quy trình khắc đều hoạt động ở áp suất từ áp suất khí quyển xuống đến 10⁻⁹ Torr. Các bộ phận cơ khí trong hoặc gần buồng chân không không được phép thoát khí với tốc độ làm ảnh hưởng đến độ chân không của quy trình.
Các vật liệu polymer tiêu chuẩn — bao gồm acetal, nylon loại tiêu chuẩn và thậm chí cả PEEK tiêu chuẩn — chứa các monome dư, chất làm dẻo và chất hỗ trợ xử lý, chúng sẽ thoát khí trong môi trường chân không với tốc độ không thể chấp nhận được đối với các quy trình bán dẫn chân không cao. Các loại PEEK tương thích với chân không được sản xuất với tốc độ thoát khí được kiểm soát, thường đáp ứng các tiêu chuẩn thoát khí của NASA (ASTM E595): tổng khối lượng mất đi dưới 1,0 phần trăm và lượng vật liệu ngưng tụ dễ bay hơi thu được dưới 0,1 phần trăm sau 24 giờ ở 125°C trong môi trường chân không.
Đối với các khớp nối Oldham được sử dụng trong môi trường chân không, hãy chỉ định vật liệu đĩa có dữ liệu về sự thoát khí được nhà sản xuất ghi lại. Các khớp nối tiêu chuẩn trong danh mục không được xếp hạng chân không; các phiên bản tương thích với chân không yêu cầu chứng nhận vật liệu cụ thể và thường phải trải qua các quy trình nung nóng trước khi lắp đặt trong môi trường buồng xử lý. Vật liệu trục cho các ứng dụng chân không thường là thép không gỉ 304 hoặc 316L với bề mặt được đánh bóng điện hóa — tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích thấp của bề mặt được đánh bóng giúp giảm thiểu lớp khí hấp phụ sẽ thoát ra trong môi trường chân không.
Các yếu tố điện cần xem xét trong thiết bị bán dẫn
Các tấm bán dẫn rất nhạy cảm với tĩnh điện — sự tích tụ điện tích trên bề mặt tấm trong quá trình xử lý có thể làm hỏng lớp oxit cổng bằng các sự kiện phóng điện tĩnh (ESD) mà không để lại dấu vết nhìn thấy được nhưng lại phá hủy chức năng của thiết bị. Việc nối đất thiết bị và quản lý tĩnh điện là những lĩnh vực kỹ thuật riêng biệt trong thiết kế công cụ bán dẫn.
Đặc tính cách điện của khớp nối Oldham — được cung cấp bởi đĩa polymer không dẫn điện — ngăn dòng điện trục sinh ra do việc chuyển mạch của bộ truyền động servo lan truyền qua chuỗi truyền động vào cấu trúc robot và có khả năng đến tấm bán dẫn. Trong một số thiết kế công cụ, sự cách điện này được cố ý thiết kế vào hệ thống truyền động bằng cách sử dụng khớp nối Oldham để ngắt mạch điện giữa bộ khuếch đại servo và đầu cuối dẫn điện của robot cũng như các bề mặt xử lý tấm bán dẫn.
Ngược lại, trong các dụng cụ mà cấu trúc robot phải được nối đất toàn bộ để quản lý ESD, một khớp nối kim loại được chỉ định để duy trì tính liên tục của điện. Thông số kỹ thuật của khớp nối phải phù hợp với kiến trúc nối đất của thiết bị, điều này đòi hỏi phải hiểu chiến lược quản lý ESD của dụng cụ trước khi lựa chọn giữa khớp nối Oldham dạng đĩa polymer và dạng đĩa kim loại.
Danh sách kiểm tra thông số kỹ thuật cho các khớp nối Oldham bán dẫn
| Yêu cầu | Thông số kỹ thuật | Lý do |
|---|---|---|
| Vật liệu đĩa | Vật liệu composite PEEK hoặc PTFE siêu sạch | Ít phát sinh hạt, ít thoát khí, kháng hóa chất |
| Vật liệu trục | Thép không gỉ 316L, được đánh bóng điện hóa. | Khả năng chống ăn mòn, lớp khí hấp phụ thấp, bề mặt phù hợp với phòng sạch. |
| Chứng nhận thoát khí | ASTM E595 (TML <1,0%, CVCM <0,1%) | Cần thiết cho môi trường xử lý chân không |
| Kiểu trung tâm | Kẹp (lỗ chia đôi) | Không gây hư hại bề mặt trục, độ đồng tâm lặp lại, không có nguy cơ hạt vít định vị. |
| Bôi trơn | Không có gì (chạy khô) | Hơi chất bôi trơn là một nguồn gây ô nhiễm trong môi trường phòng sạch và chân không. |
| Phản ứng dữ dội | Không (0 phút cung theo định mức) | Yêu cầu về độ chính xác định vị tấm bán dẫn |
| Khả năng làm sạch | Lau chùi bằng cồn IPA và nước khử ion. | Quy trình làm sạch linh kiện phòng sạch tiêu chuẩn |
Phần kết luận
Thiết bị bán dẫn đại diện cho môi trường vận hành đòi hỏi kỹ thuật cao nhất mà khớp nối Oldham gặp phải trong toàn bộ phạm vi ứng dụng của nó. Sự kết hợp giữa các yêu cầu định vị ở mức nanomet, giới hạn tạo hạt dưới micromet, tiêu chuẩn khử khí chân không, yêu cầu quản lý tĩnh điện (ESD) và các yêu cầu về khả năng tương thích hóa học khắt khe sẽ loại bỏ hầu hết các loại khớp nối khỏi danh sách xem xét. Khớp nối Oldham vượt qua được quá trình kiểm định này — khi được chỉ định với đĩa PEEK siêu sạch chính xác, các trục bằng thép không gỉ được đánh bóng điện hóa và chứng nhận khử khí được ghi chép đầy đủ — bởi vì nguyên tắc hoạt động của nó tạo ra tải trọng ổ trục bằng không, độ rơ bằng không và hoạt động khô, tất cả đều hoàn toàn phù hợp với những gì môi trường xử lý bán dẫn yêu cầu. Khoản đầu tư kỹ thuật vào việc chỉ định chính xác ở giai đoạn thiết kế được đền đáp nhiều lần nhờ giảm tổn thất wafer, kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị và đơn giản hóa các quy trình bảo trì phòng sạch.
Liên hệ với chúng tôi đội ngũ kỹ thuật Để biết thông số kỹ thuật về khớp nối Oldham cấp bán dẫn, bao gồm cả tài liệu về quá trình thoát khí, hoặc xem thêm thông tin chi tiết tại đây. phạm vi khớp nối chính xác Dành cho các ứng dụng phòng sạch.
