Жартылай өткізгіштерге арналған CNC өңдеу:
Чип революциясының негізіндегі дәл өндіріс
Жартылай өткізгіштер өнеркәсібі заманауи технологияның негізі болып табылады. Смартфондар мен ноутбуктардан бастап жасанды интеллект жүйелеріне, электр көліктеріне және озық медициналық құрылғыларға дейін бүгінде ештеңе интегралдық схемаларсыз (ИМС) жұмыс істемейді дерлік. Бұл саланың негізінде микрометрлермен және тіпті нанометрлермен өлшенген дәлдікке деген ымырасыз сұраныс жатыр.
Фотолитография, жұқа қабықшалы тұндыру және гравюра чип жасау туралы әңгіме болған кезде басты тақырыптардың бірі болғанымен, көбінесе бағаланбайтын, бірақ өте маңызды мүмкіндік бар: компьютерлік сандық басқару (CNC) өңдеу. Жоғары дәлдіктегі CNC өңдеу жартылай өткізгіш өндіріс жабдықтарын мүмкін ететін ультра жалпақ, термиялық тұрақты және геометриялық тұрғыдан мінсіз компоненттерді шығарады.
Бұл мақалада CNC өңдеуі жартылай өткізгіш экожүйесінде неліктен маңызды болып қала беретіні, оған қандай компоненттер тәуелді екені, қолданылатын материалдар мен төзімділіктер, станоктар мен процестердің эволюциясы және саланың ангстрем дәуіріндегі өндіріске көшуіне байланысты болашақтағы қиындықтар қарастырылады.
Неліктен CNC өңдеу жартылай өткізгіштерде маңызды болып қала береді
жабдықЖартылай өткізгіштерді өндіру зауыттарында (фабрикаларда) жүздеген технологиялық құралдар бар, олардың әрқайсысының құны 10 миллион доллардан 400 миллион доллардан асады (ASML High-NA EUV жүйелері жағдайында). Бұл құралдардың әрқайсысында дерлік жүздеген немесе мыңдаған дәл өңделген бөлшектер бар.CNC өңдеуді толығымен ауыстыру мүмкін еместігінің негізгі себептері:
- Геометриялық күрделіліктің жоғары деңгейі: Көптеген компоненттерде құю, соғу немесе таза қоспа әдістерімен өндіру қиын немесе мүмкін емес күрделі ішкі салқындату арналары, жоғары арақатынасты тесіктері, жұқа қабырғалары және күрделі 3D контурлары бар.
- Материалдардың әртүрлілігі: Жартылай өткізгіш жабдықтар алюминий, тот баспайтын болат (300 сериялы, 316L, 17-4PH), титан, мыс, керамика (Al₂O₃, AlN, SiC), инвар және суперқорытпаларды пайдаланады. CNC олардың барлығын өңдей алады.
- Өте тығыз төзімділік: 450 мм диаметрлер бойынша 1–5 мкм жазықтығы, тесік орналасуы ±2 мкм, бетінің кедір-бұдырлығы Ra < 0.1 мкм және параллелизм < 2 мкм жиі кездеседі.
- Вакуумдық және плазмалық үйлесімділік: Бөлшектер агрессивті фтор немесе хлор плазмаларына, ультра жоғары вакуумға (10 мбар) және −100 °C-тан >800 °C-қа дейінгі температураға газсыз немесе бөлшектердің пайда болуынсыз төтеп беруі керек.
- Жөндеу және жаңарту: Көптеген компоненттер (мысалы, электростатикалық патронды жаңарту) бірнеше рет өңделеді, қайта қапталады және пайдалануға қайтарылады — бұл цикл тек субстративті процестермен ғана мүмкін болады.
CNC өңдеу арқылы өндірілген негізгі компоненттер
1. Вакуумдық камералар және үлкен құрылымдық рамалар
Қазіргі заманғы 300 мм және жаңадан пайда болып келе жатқан 450 мм пластиналы құралдарда салмағы бірнеше тонна болатын алюминий немесе тот баспайтын болаттан жасалған вакуумдық камералар бар, бірақ олар қабырға параллелизмін және фланецтің жазықтығын < 10 мкм дейін сақтауы керек. Бұл камералар әдетте гидростатикалық бағыттағыштары бар үлкен 5 осьті гантри диірмендерінде 6061-T6 алюминий соғылмаларынан немесе 316L тот баспайтын болаттан жасалған пластиналардан өңделеді.
2. Вафли сатылары және торлы сатылары
EUV және DUV литография құралдарының жүрегі - нанометрлік деңгейдегі позиция дәлдігін сақтай отырып, 300 мм кремний пластиналарын проекциялық оптиканың астына > 8g үдеумен жылжытатын пластина сатысы. Бұл сатылар - субмикрондық төзімділіктерге дейін өңделген, содан кейін қолмен өңделген немесе гауһар таспен өңделген керамикалық (SiSiC, Zerodur, ULE шыны) немесе алюминий бөлшектерінің күрделі құрастырмалары.
3. Электростатикалық патрондар (ESC)
Электростатикалық патрондар литография, ою және тұндыру кезінде пластиналарды мінсіз тегіс ұстайды. Диэлектрлік бет (әдетте алюминий немесе молибден негізіне шашыратылған Al2O3 немесе AlN керамикасы) 300 мм бойымен 1 мкм-ден төмен жазықтыққа дейін өңделіп, жылтыратылуы керек. Негіздің өзі жоғары жылдамдықты CNC фрезерлеу немесе сым EDM арқылы өңделген күрделі ішкі салқындату арналарын қажет етеді.
4. Газ таратушы душ бастары және жиек сақиналары
Плазмалық өңдеу және тұндыру құралдары біркелкі технологиялық газдарды жеткізу үшін мыңдаған дәл өлшемді және орналасқан тесіктері бар (диаметрі 50-500 мкм) душ бастарын пайдаланады. Олар әдетте жоғары тазалықтағы алюминийден, кремнийден немесе кварцтан өңделеді, көбінесе ультрадыбыстық немесе лазерлік көмегімен бұрғылау мүмкіндіктері бар көп осьті CNC өңдеу орталықтарын пайдаланады.
5. Оптикалық компоненттер мен бекіткіштер
EUV литографиясы 13.5 нм толқын ұзындығында жұмыс істейді және шағылыстыратын молибден-кремнийлі көп қабатты айналарды пайдаланады. Айна негіздері (әдетте Zerodur немесе ULE әйнегі) алдымен бір нүктелі гауһармен токарлау немесе дәл тегістеу арқылы өңделеді, содан кейін оптикалық жылтырату арқылы өңделеді. Бұл айналарды ұстап тұратын кинематикалық бекіткіштер термиялық бұрмалануды азайту үшін Invar немесе Super Invar-дан CNC өңдеуі керек.
Жартылай өткізгішті CNC өңдеуде қолданылатын материалдар
1. Алюминий қорытпалары
6061-T6 өңдеудің тамаша мүмкіндігіне, жақсы беріктігіне және төмен құнына байланысты жұмыс күші болып қала береді. Жоғары қаттылық пен төмен термиялық кеңею үшін Al 6061-RAM2, RSA-6061 немесе Cearun™ (керамикалық күшейтілген алюминий) сияқты меншікті алюминий қорытпалары қолданылады.
2. Төмен кеңейетін қорытпалар
Invar 36 және Super Invar (кобальт қосылған) < 1 ppm/°C жылулық кеңеюді қамтамасыз етеді және торлы және пластина сатысының компоненттері үшін өте маңызды.
3. Керамика және техникалық шынылар
- Кремниймен инфильтрацияланған кремний карбиді (SiSiC)
- Реакциямен байланысқан кремний карбиді (RBSC)
- Zerodur® (Schott) және ULE® (Corning) ультра төмен кеңейетін әйнегі
- Электростатикалық патрондарға арналған алюминий нитриді (AlN) және глинозем (Al2O3)
Бұл сынғыш материалдар мамандандырылған CNC процестерін қажет етеді: ультрадыбыстық өңдеу, иілгіш режимдегі тегістеу немесе лазерлік көмекпен өңдеу.
4. Жоғары тазалықтағы металдар
Молибден, вольфрам және титан фтор плазмасына ұшыраған компоненттер үшін қолданылады. Бұл отқа төзімді металдар қатты, жоғары моменттік CNC станоктарын және поликристалды алмас (PCD) құрал-саймандарын қажет етеді.
CNC өңдеу арқылы жасалған типтік жартылай өткізгіш компоненттер
Құрамдас | Типтік материал | Негізгі талаптар | Төзімділік мысалдары |
|---|---|---|---|
Вафли патроны (ESC) | Алюминий оксиді, AlN | Жазықтық < 3 мкм, Ra < 0.05 мкм, гелийдің ағуы < 10⁻⁹ | ±2 мкм тесік орны |
Душ бастары / Газ плиталары | Анодталған алюминий, 316L SS | 5000–20 000 тесік Ø0.3–1.0 мм, ±5 мкм позиция | < Ra 0.4 мкм |
Вакуумдық камера қабырғалары | 6061-T6, 5083 Al | Дәнекерленген + өңделген, гелий ағып кетпейді | 2 м үстіндегі жазықтығы < 50 мкм |
Электрод құрастырмалары | OFHC мыс, молибден | Радиожиілік өткізгіштігі, салқындату арналары | ±10 мкм арна орналасуы |
Көтергіш түйреуіштер жиынтығы | Керамикалық қапталған тот баспайтын болаттан жасалған | Тозуға төзімділік, бөлшектерді бақылау | Концентрлік < 5 мкм |
Құрылымдық жақтаулар (EUV) | Invar 36, төмен CTE қорытпалары | Термиялық тұрақтылық < 50 ppb/K | Позициялық дәлдік ±15 мкм |
Фокустық сақиналар, шеткі сақиналар | Кремний, кварц, SiC | Плазма эрозиясына төзімділік | Профильге төзімділік ±10 мкм |
Бұл бөлшектердің өлшемдері бірнеше миллиметрден 2 метрге дейін, ал салмағы грамнан бірнеше тоннаға дейін болады.
Дәлдік деңгейлері және метрология
Жартылай өткізгіш жабдықтарды өңдеудегі типтік төзімділіктер:
ерекшелік | Әдеттегі төзімділік | Өлшеу әдісі |
|---|---|---|
Жазықтық (300 мм беті) | 0.5–2 мкм PV | Интерферометрия (Физо, Зиго) |
Параллелизм | 1–5 мкм | Электрондық деңгейлер + интерферометрия |
Тесіктің орналасуы (мыңдаған тесіктер) | ±2–5 мкм | Координаттарды өлшейтін машина (CMM) |
Беткі қабат | Ra 0.025–0.1 мкм | Ақ жарық интерферометриясы |
Салқындату арнасының орналасуы | ±10 мкм | КТ сканерлеу немесе ультрадыбыстық тексеру |
Қазіргі уақытта жетекші цехтар жүздеген килограмм салмақтағы компоненттерде үнемі «субмикрондық» немесе тіпті «100 нанометрлік» механикалық дәлдікке қол жеткізеді.
Жартылай өткізгіштермен жұмыс істеуге арналған CNC станоктарының эволюциясы
1. 1990-2000 жылдар дәуірі
Гейденхайн қабыршақтары және шыны қабыршақ кері байланысы басым ірі гантри диірмендері (Вальдрих Кобург, Парпас, FPT). Гидростатикалық мойынтіректер мен майлы душтар термиялық тұрақтылықты қамтамасыз етті.
2. 2010 жылдар: Ауа көтергіштік және магниттік левитация кезеңдері
Aerotech, Physik Instrumente (PI) және ALIO Industries сияқты компаниялар қайталануы < 10 нм болатын ауа өткізгіш сызықтық қозғалтқыш сатыларын енгізді. Бұл сатылар екінші буын дәлдікпен өңдеу орталықтарының негізіне айналды.
3. Ағымдағы жағдай (2020–2025)
- Moore Nanotech және Precitech компанияларының EUV айна негіздері үшін бір нүктелі гауһар жонғыш машиналары
- Kern Microtechnik және Yasda микроөңдеу орталықтары 100 нм форма дәлдігіне қол жеткізді
- Керамикаға арналған DMG MORI ULTRASONIC сериясы
- Fanuc ROBONANO α-NMiA: 0.1 нм бағдарламалау ажыратымдылығы және 1 нм позициялау ажыратымдылығы
- Температура бақыланатын цехтар ±0.01 °C температурада белсенді діріл оқшаулағыш негіздерімен ұсталады
Материалдық қиындықтар және таңдау
1. Алюминий қорытпалары
6061-T6 және 5083 өңдеудің тамаша мүмкіндігі мен анодтау реакциясының арқасында жұмысқа жарамды. Қатты анодтау (III тип) плазмалық шабуылға төзімді 25-50 мкм Al₂O₃ қабатын жасайды. Дегенмен, анодтау кезіндегі микрокеуектер бөлшектерді ұстап қалуы мүмкін — қазіргі заманғы шеберханалар көп сатылы тығыздау және меншікті жабындарды пайдаланады (мысалы, Twin Wire Dog Spray Al₂O₃ немесе Y₂O₃ плазмалық спрей).
2. Тот баспайтын болаттар
316L NF₃ және Cl₂ плазмаларына коррозияға төзімділік үшін таңдалған. Бөлшектердің адгезиясын азайту үшін Ra < 0.2 мкм дейін электрожылтырату міндетті болып табылады.
3. Керамика
Глинозем (99.8%), алюминий нитриді және кремний карбиді алмас құралдарын пайдаланып «жасыл» күйде өңделеді, содан кейін күйдіріледі. Күйдіруден кейінгі төзімділік 18-22% кішірейеді, бұл күрделі кішіреюді өтеу модельдерін қажет етеді.
4. Төмен CTE қорытпалары
Invar 36 және Super Invar EUV және DUV литография кезеңдерінде қолданылады, мұнда 10-40 °C температура ауытқуларында нанометрлік тұрақтылық қажет.
5. Отқа төзімді металдар
Молибден мен вольфрам жоғары температуралы электродтар үшін өңделеді. Бұл материалдар өте абразивті және жоғары қысымды салқындатқыш сұйықтықпен (70–100 бар) қатты машиналарды қажет етеді.
Маңызды өңдеу процестері
1. Алюминийдің жоғары жылдамдықты өңдеуі (HSM)
Sшпилька жылдамдығы 20 000–42 000 айн/мин, теңгерімді PCD немесе монокристалды гауһар тастар құралдары, тұманды салқындату және алдын ала қарау алгоритмдері бір өтуде айна тәрізді әрлеуді (Ra < 4 нм) жасауға мүмкіндік береді.
2. Керамиканы пластикалық режимде өңдеу
Кесу тереңдігін маңызды шектен (әдетте < 1 мкм) төмен ұстау арқылы сынғыш материалдарды ультра өткір алмас құралдарын пайдаланып, созылғыш режимде өңдеуге болады, бұл жарықшақсыз оптикалық сапалы беттерді алуға мүмкіндік береді.
3. Бір нүктелі алмазды токарлық өңдеу (SPDT)
Асфералық EUV айна төсемдері үшін өте маңызды. Машиналар майлы тұман немесе вакуумдық ортада нанометрден төмен кері байланыспен жұмыс істейді.
6.4 Сымды EDM және Sinker EDM
Терең салқындату арналары және шыңдалған материалдардағы күрделі ерекшеліктер үшін қолданылады. Заманауи генераторлар бір реттік кесу кезінде < Ra 0.1 мкм беткі өңдеуге қол жеткізеді.
5. Қосқыш + азайтушы гибридті өндіріс
Жаңа тренд: Invar немесе титан торға жақын пішіндерді 3D басып шығару, содан кейін сол платформада өңдеу (мысалы, Hermle MPA немесе Lasertec DED гибридтері).
Дәлдік және аса дәлдіктегі CNC талаптары
Жартылай өткізгіш бөлшектер әдетте мыналарды талап етеді:
- Позициялық дәлдік: 500–2000 мм жүрісте ±2–5 мкм
- Қайталанымдылығы: < 1 мкм
- Беткі өңдеу: Плазмамен қапталған беттерде Ra 0.025–0.1 мкм
- Жазықтық: Ø300–450 мм үстінде 1–3 мкм
- Параллелизм/перпендикулярлық: < 3 мкм
- 5 осьті немесе тіпті 8 осьті өңдеу орталықтары (мысалы, Yasda, Makino, DMG MORI, Kern, Liechti)
- Гидростатикалық немесе ауа өткізгіш шпиндельдер 20 000–60 000 айн/мин жылдамдықпен жұмыс істейді
- Машина температурасын ±0.1 °C шегінде ұстап тұратын термиялық тұрақтандыру жүйелері
- 0.1 мкм ажыратымдылықтағы машинадағы зондтау және лазерлік құрал орнатушылары
- Белсенді діріл оқшаулағышы бар гранит немесе полимер-бетон негіздер
Lorem ipsum dolor амет, консультант adipiscing elit. Ут элиталы, люктус, ультраморпер маттис, pulvinar dapibus leo.
Жетілдірілген өңдеу әдістері
1. Шағын құралдармен жоғары жылдамдықты өңдеу (HSM)
Душ бастарында 0.1 мм микро ұштық фрезермен 40 000 айн/мин жылдамдықпен бұрғыланған Ø0.5 мм 15 000 тесік болуы мүмкін. 100 барлы құрал арқылы өтетін салқындатқыш сұйықтықпен тесіп бұрғылау жоңқаның қайта дәнекерленуіне жол бермейді.
2. Ультрадыбыстық көмегімен өңдеу
Керамика мен кварц үшін 20–40 кГц ультрадыбыстық тербеліс кесу күштерін 30–70%-ға азайтады, бұл бетінің өңделуін және құралдың қызмет ету мерзімін айтарлықтай жақсартады.
3. Бір нүктелі алмазды токарлық өңдеу (SPDT)
Инфрақызыл линзалар мен кейбір мыс электродтары үшін қолданылады. Ra 3–5 нм дейінгі беттік өңдеулер әдеттегідей.
4. Күрделі геометрияларды 5 осьті бір мезгілде фрезерлеу
Диаметрі 1 мм және арақатынасы 20:1 ішкі салқындату арналары ұзын жететін конус тәрізді құралдар мен трохойдты құралдарды пайдалану арқылы өңделеді.
5. Гибридті қосу-азайту процестері
Кейбір жаңа компоненттер (мысалы, конформды салқындатылатын душ бастары) DMLS/LaserCusing арқылы Inconel немесе мыс материалдарында 3D басып шығарылады, содан кейін сол машинада ±10 мкм дейін өңделеді.
Метрология және сапа кепілдігі
Жартылай өткізгіш бөлшектер кез келген саладағы ең қатаң тексеруден өтеді:
- ±0.3 мкм белгісіздікпен Zeiss Prismo немесе Leitz PMM-C ультра дәлдіктегі CMM-лер
- Жазықтықты өлшеуге арналған Zygo GPI немесе 4D технологиялық фазалық ығыстырғыш интерферометрлер
- Ra < 50 нм беттерге арналған Bruker ақ жарық интерферометрлері
- Гелий масс-спектрометрінің ағып кетуін 10⁻¹⁰ мбар·л/с дейін тексеру
- Газдың шығуын растау үшін 150 °C температурада пісіргеннен кейін қалдық газды талдау (RGA) < 10⁻⁹ Торр·л/с/см²
- Ультрадыбыстық тазалаудан кейін сұйық бөлшектер санағышы (LPC) немесе лазерлік бөлшектер сканері арқылы бөлшектерді санау
Таза бөлмеде өңдеу және кейінгі өңдеу
30 нм-ден асатын бөлшектер 3 нм транзисторды өлтіруі мүмкін болғандықтан, көптеген жоғары деңгейлі шеберханалар дәлдік машиналарының айналасына ISO 5 (100 класы) немесе ISO 4 тазалау бөлмелерін орнатқан.
Мысалдар:
- Bullen ультрадыбыстық зерттеуі (АҚШ)
- Tyrolit CNC тазалық бөлмесі (Австрия)
- Canon компаниясының Utsunomiya дәлдікпен өңдеуге арналған тазалау бөлмесі (Жапония)
- Жоғары қысымды DI су + мегадыбыстық араластыру
- Көп сатылы химиялық тазалау (SC-1, SC-2, пиранья)
- Ультра таза N₂ фенмен кептіргіш
- 150–200 °C вакуумдық пісіру
- N₂-тазартылған пакеттерде қос қаптамалау
Оқиғаны зерттеу: EUV пластина сатысының негізгі тақтасын өңдеу
Әдеттегі 450 мм EUV пластина сатысының негізгі тақтасы күрделілікті көрсетеді:
- Материал: SiSiC керамикасы, 900 × 800 × 100 мм
- Жазықтық талабы: бүкіл бетінде < 1 мкм PV
- 120 ендірілген салқындату арнасы, диаметрі 3 мм, ±15 мкм позиция
- 600 бұрандалы кірістірулер (M4 гелий-жарық)
- Соңғы беті: Ra < 50 нм дейін тегістелген
- Реакциямен байланысқан дайындаманы жасыл өңдеу
- Кремний инфильтрациясы және термиялық өңдеу
- 5 осьті өңдеу орталығында дөрекі тегістеу
- 1 мкм кесу тереңдігімен пластикалық режимдегі әрлеуді тегістеу
- Соңғы пішінді түзету үшін магнитореологиялық өңдеу (MRF)
- Zygo VeriFire MST 600 мм диафрагмалық интерферометрдегі метрология
- Қажет болса, соңғы қолмен тегістеу
Саланың 2 нм-ден кіші түйіндерге көшуіндегі қиындықтар
1. Ангстрем деңгейіндегі тұрақтылық
Болашақтағы EUV жоғары NA құралдары 50-100 пикометр диапазонында сатылы позициялау тұрақтылығын қажет етеді. Бұл механикалық компоненттерді негізгі материалдық шектеулерге қарай итермелейді.
2. 450 мм өтпелі
Үлкен пластиналар бірдей салыстырмалы дәлдікпен одан да үлкен өңделген компоненттерді қажет етеді - бұл қиындықтың экспоненциалды өсуі.
3. Жаңа материалдар
Көміртекті материалдар (графен жабындары, гауһар тәрізді көміртек), металл-матрица композиттері және фотондық құрылымдар мүлдем жаңа өңдеу парадигмаларын қажет етеді.
4. Тұрақтылық
Өнеркәсіп энергияны, суды және химиялық заттарды тұтынуды азайту қысымына ұшырауда. Механикалық өңдеу цехтары минималды мөлшерде майлауды (MQL), криогенді салқындатуды және алюминий чиптерін қайта өңдеуді енгізуде.
қорытынды
Жартылай өткізгіш жаңалықтарындағы басты назар литография толқын толқыны мен транзистор тығыздығына аударылғанымен, шын мәнінде, CNC өңдеу арқылы жасалған аса дәл механикалық компоненттер армиясынсыз ешбір алдыңғы қатарлы чипті жасау мүмкін емес. Көп тонналы вакуумдық камералардан бастап микронға дейінгі бірнеше атомға тұрақты керамикалық пластина сатыларына дейін CNC өңдеу механикалық мүмкін болатын абсолютті шекарада жұмыс істейді.
Өнеркәсіп ангстрем масштабындағы мүмкіндіктерге және 450 мм пластиналарға ұмтылған сайын, дәл өңдеуге қойылатын талаптар күшейе түседі. Таза бөлме жағдайында экзотикалық материалдардағы метрлік масштабтағы бөлшектерде микроннан төмен дәлдікті қамтамасыз ете алатын цехтар ASML, Applied Materials, Lam Research, Tokyo Electron және чип жасаушылардың өздері үшін ажырамас серіктес болып қала береді.
Ақырында, әйгілі Мур заңы тек физика мен химияның ғана емес, сонымен қатар бір уақытта бір ғана мінсіз өңделген компонентті орындайтын механикалық инженерияның жеңісі.