Въведение
Съвременното производство на полупроводници е изградено върху безмилостна основа от толеранси. Тъй като процесните възли се свиват под 5 nm и се доближават до 2 nm, всяка подсистема във веригата на оборудването трябва да работи с безпрецедентна прецизност. Един компонент, който често се подценява във влиянието си върху цялостната производителност на системата, е структурната основа - платформата, върху която са монтирани и ориентирани позициониращите етапи, оптика и сензори.
Тази статия изследва инженерните изисквания запрецизни структурни основив полупроводниковото оборудване, използваните материали и развиващите се изисквания, които литографията и системите за проверка от следващо-поколение поставят на този основен компонент.
Защо основата има значение в полупроводниковото оборудване
Система от полупроводниково оборудване - независимо дали става дума за скенер за пластини, инструмент за проверка на електронен лъч или метрологичен инструмент - е по същество колекция от прецизно позиционирани компоненти, които трябва да поддържат своите пространствени отношения до суб-нанометрови толеранси по време на работа. Структурната основа е общата референтна рамка, към която са монтирани всички тези компоненти.
Всяка деформация на основата - независимо дали от вибрации, термично разширение или механично натоварване - се разпространява директно в грешка при позициониране. В система, където точността на наслагването трябва да се контролира до 1–2 nm, основа, която въвежда 10 nm термичен дрейф за един работен ден, е значително ограничение на производителността.
Поради тази причина инженерите на полупроводниково оборудване инвестират значителни усилия в основния дизайн и избора на материал, като разглеждат структурната основа като инженерен проблем от първи-порядък, а не последваща мисъл.
Изисквания към материалите за бази за прецизно оборудване
Идеалният основен материал за полупроводниково оборудване трябва да отговаря на няколко едновременни изисквания, които по много начини са противоречиви.
Необходима е висока твърдост, за да се устои на деформация под инерционните сили, генерирани от етапите на позициониране с високо-ускорение. Гранитна основа с плътност приблизително 3100 kg/m³ и висока якост на натиск осигурява отлични характеристики на маса-до-твърдост.
Ниското и равномерно термично разширение е критично, тъй като полупроводниковите чисти стаи, въпреки активния контрол на температурата, изпитват термични градиенти. Материал с нисък коефициент на топлинно разширение - в диапазона от 5–8 × 10⁻⁶/градус за качествен гранит - минимизира промяната на размерите. Някои проекти на оборудване също включват материали като Zerodur или силициев карбид за специфични компоненти, но те обикновено са запазени за оптични пейки и огледални субстрати поради високата им цена.
Амортизирането на вибрациите е свойство, с което гранитът превъзхожда металите. Вътрешната зърнеста структура на гранита абсорбира механичните вибрации по-ефективно от чугуна или алуминия, поради което гранитът е предпочитаният основен материал за високо-чувствителни метрологични и литографски системи.
Стабилността на размерите във времето - липсата на пълзене или релаксация на напрежението - е друго ключово изискване. Гранитът е геологично стабилен и не проявява дългосрочното-променливост на размерите, което могат да покажат някои полимерни композитни или ляти метални основи.
Гранит срещу алтернативни основни материали
Няколко материала се конкурират с гранита в базовите приложения за прецизно оборудване, всеки с различни компромиси-.
Минералната отливка (полимербетон) съчетава гранитен агрегат с епоксидна матрица. Той предлага добро потискане на вибрациите, може да се излива в сложни форми и има прилична термична стабилност. Неговата дългосрочна -стабилност на размерите обаче в продължение на години експлоатация не е толкова добре установена като естествения гранит, а плътността му е по-ниска, което намалява ефективността на пасивната изолация от вибрации.
Композитните структури от въглеродни влакна предлагат изключително високо съотношение-към-тегло и много ниско термично разширение, но техните анизотропни свойства въвеждат сложност в дизайна и цената им в големи мащаби е значително по-висока от тази на гранита. Гредите от въглеродни влакна все повече се използват като мостови конструкции в оборудване в стил-портал, но рядко като основи за пълно оборудване.
Бетонът с ултра{0}}висока ефективност (UHPC) е нововъзникващ структурен материал с якост на натиск над 150 MPa и добро потискане на вибрациите. Поведението на размерите му при продължително натоварване и дългосрочните-характеристики на пълзене при прецизни приложения са обект на текущи изследвания.
За повечето приложения на прецизно полупроводниково оборудване в настоящата ера добре{0}}обработеният естествен гранит остава еталонът, спрямо който се измерват алтернативите.
Въздушни лагери и връзката им с гранитни основни повърхности
Много високо{0}}степени за позициониране в полупроводниково оборудване използват устройства с въздушни лагери -, които се носят върху тънък филм от въздух под налягане над прецизна-земна еталонна повърхност. Качеството на тази референтна повърхност - нейната плоскост, нейната грапавост на повърхността и нейната стабилност на размерите - директно определя ефективността на позициониране на платформата.
Гранитът е доминиращият материал за опорни повърхности, носещи въздух по няколко причини. Първо, неговата твърдост е устойчива на износване от случаен контакт. Второ, може да се прилепва до нивата на плоскост, изисквани от производителите на въздушни лагери - обикновено в диапазона от 1–3 µm плоскост в целия диапазон на движение. Трето, не-магнитната, не-реактивната повърхност на гранита не пречи на прецизните сензори, използвани в сцената.
Водачите за въздушни лагери, монтирани върху гранитни референтни повърхности, се използват в манипулатори на полупроводникови пластини, системи за прецизно оптично центриране и платформи за нано-позициониране. Интегрирането на въздушно носеща технология с прецизни гранитни структури е една от определящите характеристики на ултра-прецизния дизайн на оборудването.
Термично управление и температура-контролирана среда
Прецизното полупроводниково оборудване обикновено работи в чисти стаи с активен термичен контрол. Температурата може да се поддържа в рамките на ±0,1 градуса или по-добре. Въпреки това управлението на топлината на ниво оборудване остава значително инженерно предизвикателство.
Основите на оборудването в съвременните литографски системи често са оборудвани с вътрешни флуидни канали за активна термична стабилизация. Самата гранитна структура действа като топлинна маса, която буферира бързите температурни колебания, а контролираният флуиден поток поддържа основата при постоянна температура, независимо от топлината, генерирана от двигатели, усилватели и осветление.
За системи с много висока точност термичните сензори са вградени в множество точки в гранитната структура и измерените температури се използват за коригиране на позициониращите измервания в реално време чрез алгоритми за термична компенсация. Този подход -, комбиниращ стабилна гранитна структура с активно термично управление и софтуерна корекция -, представлява най-новото в проектирането на прецизно оборудване.
С поглед напред: нарастващи изисквания към прецизните конструкции
Тъй като производството на полупроводници се придвижва към 2 nm и отвъд, и тъй като новите приложения като екстремна ултравиолетова (EUV) литография и метрологията с е-лъч с висока -резолюция изискват все по-строги толеранси, изискванията за прецизни структурни основи ще продължат да се затягат.
Това ще стимулира по-нататъшното развитие при избора на гранит - като се дава приоритет на материала с по-строги спецификации за еднородност на плътността, остатъчно напрежение и микропорьозност -, както и подобрения в обработката за постигане на по-фини повърхностни покрития и по-строги толеранси за плоскост в по-големи площи.
Той също така ще стимулира интегрирането на гранит със системи за активна изолация на вибрации, прецизно термично управление и-метрологична обратна връзка в реално време, създавайки платформи за оборудване, където структурната основа не е пасивен елемент, а активен участник в поддържането на производителността на системата.
Основното значение на прецизните структурни материали за създаването на следващото поколение полупроводникови технологии е област, която заслужава внимание и уважение от инженерната общност. Нанометрите, спестени на базовото ниво на оборудването, се превръщат директно в подобрения в устройствата, които захранват съвременните компютри, комуникациите и изкуствения интелект.