вступ
Сучасне виробництво напівпровідників побудовано на невблаганній основі допусків. Оскільки вузли процесу зменшуються нижче 5 нм і наближаються до 2 нм, кожна підсистема в ланцюжку обладнання повинна працювати з безпрецедентною точністю. Одним із компонентів, який часто недооцінюють у зв’язку з його впливом на загальну продуктивність системи, є структурна основа - платформа, на якій встановлюються позиціонуючі елементи, оптика та датчики, а також є посилання.
У цій статті розглядаються інженерні вимоги допрецизійні конструкційні основиу напівпровідниковому обладнанні, використовувані матеріали та зростаючі вимоги до літографії й систем контролю наступного-покоління цього основного компонента.
Чому основа має значення в напівпровідниковому обладнанні
Система напівпровідникового обладнання - чи то сканер пластин, електронний променевий інструмент перевірки чи метрологічний прилад - – це, по суті, набір точно розташованих компонентів, які під час роботи мають зберігати свої просторові співвідношення з допусками суб-нанометра. Основою конструкції є загальна опорна рама, до якої кріпляться всі ці компоненти.
Будь-яка деформація основи - внаслідок вібрації, теплового розширення чи механічного навантаження - безпосередньо поширюється на помилку позиціонування. У системі, де точність накладення повинна контролюватися до 1–2 нм, основа, яка вносить температурний дрейф 10 нм протягом робочого дня, є значним обмеженням продуктивності.
З цієї причини розробники напівпровідникового обладнання докладають значних зусиль у розробку основи та вибір матеріалу, розглядаючи структурну основу як першо-технічну проблему, а не запізнілу думку.
Вимоги до матеріалів для баз прецизійного обладнання
Ідеальний основний матеріал для напівпровідникового обладнання повинен задовольняти декілька одночасних вимог, які багато в чому суперечать один одному.
Висока жорсткість потрібна, щоб протистояти деформації під дією інерційних сил, створюваних високо-ступенями позиціонування прискорення. Гранітна основа з щільністю приблизно 3100 кг/м³ і високою міцністю на стиск забезпечує чудові характеристики від-до-жорсткості.
Низьке та рівномірне теплове розширення має вирішальне значення, оскільки напівпровідникові чисті приміщення, незважаючи на активний контроль температури, відчувають температурні градієнти. Матеріал із низьким коефіцієнтом теплового розширення - у діапазоні 5–8 × 10⁻⁶/градус для якісного граніту - мінімізує зміну розмірів. Деякі конструкції обладнання також включають такі матеріали, як Zerodur або карбід кремнію, для окремих компонентів, але вони, як правило, зарезервовані для оптичних столів і підкладок дзеркал через їх високу вартість.
Гасіння вібрації - це властивість, за якою граніт перевершує метали. Внутрішня зерниста структура граніту поглинає механічні вібрації ефективніше, ніж чавун або алюміній, тому граніт є кращим базовим матеріалом для високо-чутливих систем метрології та літографії.
Стабільність розмірів у часі - відсутність повзучості або релаксації напруги - є ще однією ключовою вимогою. Граніт геологічно стабільний і не демонструє тривалого-зміщення розмірів, яке можуть демонструвати деякі полімерні композити або металеві основи.
Граніт проти альтернативних основних матеріалів
Кілька матеріалів конкурують із гранітом у базовому застосуванні точного обладнання, кожен із яких має свої-компроміси.
Мінеральне лиття (полімербетон) поєднує гранітний заповнювач з епоксидною матрицею. Він добре гасить вібрацію, його можна відливати у складні форми та має пристойну термічну стабільність. Однак його довгострокова -стабільність розмірів протягом багатьох років експлуатації не така добре встановлена, як природний граніт, а його щільність нижча, що знижує ефективність пасивної віброізоляції.
Композитні структури з вуглецевого волокна пропонують надзвичайно високе співвідношення-до-ваги та дуже низьке теплове розширення, але їхні анізотропні властивості ускладнюють дизайн, а їх вартість у великих масштабах значно вища, ніж граніт. Балки з вуглецевого волокна все частіше використовуються як мостові конструкції в портальному-обладнанні, але рідко як повна основа обладнання.
Над-високоефективний бетон (UHPC) — це новий конструкційний матеріал із міцністю на стиск понад 150 МПа та хорошим гасінням вібрації. Його поведінка розмірів під постійним навантаженням і його довготривалі -характеристики повзучості в прецизійних застосуваннях є предметами постійних досліджень.
Для більшості застосувань прецизійного напівпровідникового обладнання в поточну епоху добре-оброблений природний граніт залишається еталоном, за яким оцінюються альтернативи.
Повітряні підшипники та їх взаємозв’язок із гранітними поверхнями
У багатьох високо-ступенях позиціонування в напівпровідниковому обладнанні використовуються повітряні підшипники - пристроїв, які плавають на тонкій плівці повітря під тиском над точною-поверхнею відліку. Якість цієї еталонної поверхні - її площинність, шорсткість поверхні та стабільність розмірів - безпосередньо визначають ефективність позиціонування столика.
Граніт є домінуючим матеріалом для опорних поверхонь, що несуть повітря, з кількох причин. По-перше, його твердість протистоїть зносу від випадкового контакту. По-друге, його можна притерти до рівня площинності, який вимагається виробниками повітряних підшипників - зазвичай у діапазоні площинності 1–3 мкм по всьому діапазону ходу. По-третє, не-магнітна та не-реактивна поверхня граніту не заважає точним датчикам, які використовуються на сцені.
Направляючі повітряних підшипників, встановлені на гранітних опорних поверхнях, використовуються в обробниках напівпровідникових пластин, системах точного оптичного вирівнювання та нано-платформах позиціонування. Інтеграція технології повітряного підшипника з точними гранітними конструкціями є однією з визначальних особливостей проектування над-прецизійного обладнання.
Управління температурою та-температурне середовище
Прецизійне напівпровідникове обладнання зазвичай працює в чистих приміщеннях з активним термоконтролем. Температуру можна підтримувати в межах ±0,1 градуса або краще. Незважаючи на це, управління теплом на рівні обладнання залишається серйозною інженерною проблемою.
Основи обладнання в сучасних системах літографії часто оснащені внутрішніми рідинними каналами для активної термостабілізації. Сама гранітна структура діє як теплова маса, яка буферизує швидкі температурні коливання, а контрольований потік рідини підтримує постійну температуру основи незалежно від тепла, що виділяється двигунами, підсилювачами та освітленням.
Для систем з дуже високою точністю термодатчики вбудовані в кілька точок гранітної конструкції, а виміряні температури використовуються для корекції вимірювань позиціонування в реальному часі за допомогою алгоритмів термокомпенсації. Цей підхід -, що поєднує стабільну гранітну структуру з активним терморегулюванням і корекцією програмного забезпечення -, представляє сучасний рівень проектування точного обладнання.
Погляд у майбутнє: зростаючі вимоги до точних конструкцій
У міру того, як виробництво напівпровідників переходить до 2 нм і далі, а нові програми, такі як ультрафіолетова (EUV) літографія та метрологія електронного променя з високою -роздільністю-, вимагають дедалі суворіших допусків, вимоги до прецизійних структурних основ продовжуватимуть посилюватися.
Це сприятиме подальшому розвитку вибору граніту -, віддаючи перевагу матеріалу з більш суворими специфікаціями щодо однорідності щільності, залишкової напруги та мікропористості -, а також удосконалить обробку для досягнення кращої обробки поверхні та жорсткіших допусків на площинність на великих площах.
Це також сприятиме інтеграції граніту з системами активної віброізоляції, точним терморегулюванням і-метрологічним зворотним зв’язком у реальному часі, створюючи платформи обладнання, де структурна основа є не пасивним елементом, а активним учасником підтримки продуктивності системи.
Фундаментальна важливість прецизійних конструкційних матеріалів для створення наступного покоління напівпровідникових технологій є сферою, яка заслуговує на увагу та повагу з боку інженерної спільноти. Нанометри, збережені на базовому рівні обладнання, перетворюються безпосередньо на вдосконалення пристроїв, які забезпечують сучасні обчислювальні технології, комунікації та штучний інтелект.