مقدمه: یک مشکل میکروسکوپی با پیامدهای میلیارد دلاری-
یک ویفر سیلیکونی به اندازه یک بشقاب شام را تصور کنید که صدها تراشه - را حمل میکند که هر کدام برای شتابدهنده هوش مصنوعی، حسگر پزشکی یا کنترلکننده وسیله نقلیه خودران طراحی شدهاند. اکنون تصور کنید که در حین جابجایی، یک جزء مکانیکی فقط 5 میکرومتر - تقریباً یک-به اندازه عرض یک موی انسان جابهجا میشود. همین انحراف می تواند یک کاوشگر را نادرست تراز کند، نتیجه آزمایش را خراب کند یا یک ویفر به ارزش هزاران دلار را بشکند.
این یک فرضیه نیست. مهندسان ساخت نیمه هادی هر روز با این فشار دست و پنجه نرم می کنند. از آنجایی که اندازه گره ها به زیر 3 نانومتر کاهش می یابد و قطر ویفر به 450 میلی متر می رسد، سیستم های مکانیکی مسئول جابجایی ویفرها بین محفظه های فرآیند، ایستگاه های بازرسی و پورت های بار با الزاماتی روبرو هستند که اجزای حرکت صنعتی استاندارد به سادگی نمی توانند آنها را برآورده کنند.
سوالی که مهندسان مدام می پرسند این نیست که آیا حرکت دقیق اهمیت دارد یا خیر - واضح است. سوال واقعی این است:کدام مولفههای خاص میتوانند به طور همزمان نیازهای زیر{0}}دقت میکرون، محیطهای فوق-تمیز، فاکتورهای فرم فشرده، و عملکرد مداوم بالا-را برآورده کنند؟پاسخ، که به طور مداوم در سراسر Fabs در سراسر جهان تایید شده است، به یک دسته جزء بالاتر از سایرین اشاره دارد:راهنمای خطی مینیاتوری.
اتاق تمیز ربات جابجایی ویفر نیمه هادی
1. فضا لوکس نیست - یک محدودیت مهندسی است
پلت فرمهای مدرن جابجایی ویفر - از جمله ماژولهای جلویی تجهیزات (EFEM)، محفظههای انتقال ابزار خوشهای، و -افکتورهای روباتیک انتهایی - با پاکتهای داخلی بسیار محکم طراحی شدهاند. هر میلی متر صرفه جویی شده در محور حرکت مستقیماً به ردپای ابزار کوچکتر، هزینه تسهیلات کمتر و تراکم فاب بالاتر تبدیل می شود.
ریل های خطی استاندارد، که معمولاً از عرض 15 میلی متر شروع می شوند، برای بسیاری از این مجموعه ها بسیار بزرگ هستند. در مقابل، اجزای حرکتی دقیق که در مقیاس مینیاتوری مهندسی شدهاند، میتوانند به عرض ریل تا 7 میلیمتر دست یابند و در عین حال ظرفیت بار و استحکام لازم برای موقعیتیابی مرحله ویفر را حفظ کنند. این یک مصالحه نیست - بلکه یک مزیت ساخته شده-است.
در عمل، یک پوزیشنر فشرده طراحی شده برای کاوش ویفر (مرحله آزمایش الکتریکی که قبل از اتصال سیم و محصور شدن تراشه انجام میشود) ممکن است از یک سیستم ریلی 9 میلیمتری با گستره 2 تا 24 اینچ استفاده کند که بارهایی تا وزن 25 پوند - را حمل میکند که همه در ردپایی که در داخل شاسی ایستگاه کاوشگر قرار میگیرد. دستیابی به این هدف بدون کاهش سختی مستلزم انتخاب دقیق مواد است: آلیاژهای آلومینیومی با کیفیت بالا برای بدنه استیج، فولاد ضد زنگ برای عناصر باربر-و مسیرهای زمینی دقیق{8} برای عناصر نورد.
2. زیر-دقت میکرونی بیش از تحمل های "به اندازه کافی خوب" نیاز دارد
در کاوشگر ویفر نیمه هادی، یک نوک پروب باید با یک بالشتک پیوندی که ممکن است به اندازه 50 میکرومتر باشد، تماس بگیرد. آن را از دست بدهید و نتیجه آزمایش نامعتبر است. خطا را در هزاران قالب در هر ویفر تکرار کنید، و دادههای صنعت به سرعت روی ترکیبات تأثیر میگذارد - نشان میدهد که برای محصولات ارزانتر-، آزمایش به تنهایی میتواند بیش از 25 درصد از کل هزینههای ساخت را تشکیل دهد.
دستیابی به این سطح از تکرار مستلزم آن است که سیستم حرکت تمام اشکال بازی و ابهام مکانیکی را از بین ببرد. اینجاست کهپیش بارگذاریانتقادی می شود. پیش بارگذاری به نیروی فشار داخلی کنترل شده ای اطلاق می شود که بین عناصر نورد (گلوله ها یا غلتک ها) و شیارهای راهروی - اعمال می شود، هر گونه شکاف یا شلی در مجموعه بلبرینگ را از بین می برد. بدون پیش بارگذاری، حتی یک فاصله کوچک امکان حرکت میکرو-در زیر بار را فراهم میکند و تکرارپذیری موقعیتیابی را از بین میبرد.
راهنماهای استاندارد اغلب تلورانس های خود را در مقادیر مثبت/منفی بیان می کنند، به این معنی که درجاتی از فاصله زیر مشخصات آنها قابل قبول است. کاربردهای نیمه هادی با کارایی بالا، راهنماهایی با فاصله منفی - می طلبند، به این معنی که یاتاقان کمی فشرده شده است و بازی صفر را در هر جهت تضمین می کند. برای کاربردهایی که به حداکثر استحکام نیاز دارند، طرحهای بلبرینگهای متقاطع{4} سطح تماس بیشتری نسبت به بلبرینگها ارائه میدهند که توزیع بار و سختی پیچشی را بهطور چشمگیری بهبود میبخشد.
این سطح از دقت جدایی ناپذیر ازنوار لغزنده راهنمای خطی- بلوک کالسکه ای که در امتداد ریل حرکت می کند. نرمی چرخش توپ در داخل لغزنده مستقیماً کیفیت حرکت را تعیین می کند: حتی ضربان های دقیقه ای در حین چرخش توپ ها در مسیر برگشت می تواند باعث ایجاد خطاهای{2}}میزانی در سطح میکرونی در برنامه های کاربردی با دقت- بالا شود. بنابراین انتخاب یک نوار لغزنده با هندسه مدار توپ بهینه شده یک نگرانی ثانویه نیست - یک معیار مهندسی اولیه است.
راهنمای خطی میکرو BAILI
3. اتاق تمیز یک محیط صنعتی معمولی نیست
یک اتاق تمیز کلاس 1 - استاندارد برای-ساختارهای نیمه هادی لبه پیشرو - به کمتر از یک ذره 0.5 میکرومتری یا بزرگتر در هر فوت مکعب هوا اجازه می دهد. یک تکه روان کننده یا تکه ای از مواد فرسوده یاتاقان که با چشم غیرمسلح نامرئی است، می تواند روی سطح ویفر فرود آید و باعث نقص مدار شود که در ده ها تراشه منتشر می شود.
این تقاضاهای خارقالعادهای را برای هر جزء مجاز در داخل فاب ایجاد میکند. برای سیستم های حرکتی، چالش دوگانه است: راهنما باید تا حد امکان ذرات کمتری را در حین کار تولید کند، و هر روان کننده ای که استفاده می شود نبایدخروجی گاز- یعنی نباید بخارات قابل چگالش را که می تواند روی سطوح ویفر یا عناصر نوری رسوب کند آزاد کند.
روان کننده های صنعتی استاندارد فوراً در این آزمون مردود می شوند. اجزای حرکت دقیق{1} سازگار Cleanroom به روانکارهایی نیاز دارند که به طور خاص مطابق با استانداردهای ASTM E595 برای رفتار خروج گاز در شرایط خلاء تأیید شده باشند. برخی از طرحهای پیشرفته روانکنندهای{4}}حاوی پلیمر را مستقیماً در بدنه لغزنده تعبیه میکنند که روانکاری مداوم و طولانیمدت را بدون خروج روانکننده خارجی به محیط اطراف امکانپذیر میسازد. این معماری چرخه تعمیر و نگهداری مجدد روغنکاری دورهای را حذف میکند - یک مزیت عملیاتی معنیدار در-محیطهای fab بالا که زمان خرابی برنامهریزی نشده با دهها هزار دلار در ساعت اندازهگیری میشود.
4. لرزش یک قاتل بازده خاموش است
رباتهای کنترل کننده ویفر سریع حرکت میکنند - زمانهای چرخه در کارخانههای مدرن بر حسب ثانیه شمارش میشود، نه دقیقه. در پایان هر حرکت، بازوی ربات و ویفر باید قبل از ادامه عملیات بعدی در یک موقعیت ثابت قرار گیرند. اگر ارتعاشات مکانیکی بیش از حد طول بکشد تا از بین بروند، دو مشکل ظاهر می شود.
اول، دقت موقعیت یابی بدتر می شود: سیستم یک موقعیت اسمی را قبل از ته نشین شدن کامل ویفر ثبت می کند و یک خطای سیستماتیک را ایجاد می کند. دوم، ارتعاش باقیمانده باعث ایجاد ضربههای ریز- بین بازوی ربات و لبه ویفر میشود و ذراتی تولید میکند که محفظه فرآیند را آلوده میکند. موادی که معمولاً برای مرطوب کردن ارتعاشات در صنایع دیگر استفاده میشوند - ترکیبات لاستیکی، فومهای پلیمری - تحت خلاء گاز خارج میشوند و بنابراین در محیطهای نیمهرسانا ممنوع هستند.
یک سیستم حرکتی{0}}خوب مشخص شده از طریق طراحی مکانیکی ذاتی به این موضوع رسیدگی میکند: تماس غلتشی از پیش بارگذاری شده بین واگن و ریل، میرایی کنترلشده را بدون ایجاد خطر آلودگی فراهم میکند. وقتی با یک جفت می شودتوپ پیچدرایو - که حرکت چرخشی موتور را به جابجایی خطی دقیق با راندمان بالا و نزدیک به-صفر تبدیل میکند.واکنش متقابل(شل بودن در قطار محرکه) - سیستم ترکیبی هم حرکت سریع و هم ته نشینی سریع را ارائه میکند و نیازهای توان عملیاتی و دقت را به طور همزمان برآورده میکند.
این مکانیزم محرک بهخوبی-با حمل و نقل ویفر مطابقت دارد زیرا کارایی آن در تبدیل حرکت چرخشی به خطی معمولاً از 90% فراتر میرود، در مقایسه با حدود 30 تا 50% برای مکانیسمهای لغزشی جایگزین. این راندمان مستقیماً نیازمندیهای گشتاور موتور را کاهش میدهد و بستههای محرک کوچکتر و سبکتر را قادر میسازد که در محدودیتهای فضایی ابزارهای جابجایی ویفر قرار بگیرند.
5. قابلیت اطمینان بیش از میلیون ها چرخه
یک فابریک نیمه هادی 24 ساعت شبانه روز و 365 روز سال کار می کند. یک ربات جابجایی ویفر در یک ابزار خوشه فعال ممکن است سالانه 500000 چرخه حمل و نقل یا بیشتر را تکمیل کند. در طول عمر تجهیزات پنج-سال، اجزای حرکتی باید در دهها میلیون چرخه بدون کاهش قابلتوجه در دقت یا تولید ذرات بهطور قابلاطمینانی عمل کنند.
سیستمهای حرکت خطی دقیق که برای خدمات نیمهرسانا طراحی شدهاند، از طریق انتخاب مواد و معماری آببندی به این موضوع میپردازند. راه آهن سخت شده از جنس استنلس استیل در برابر خوردگی در اتمسفرهای تهاجمی شیمیایی مقاوم هستند. مهر و موم انتهایی و برف پاک کن های یکپارچه از ورود محصولات جانبی فرآیند به بلوک یاتاقان جلوگیری می کند. و از آنجایی که هندسه تماس غلتشی بار را در چندین عنصر یاتاقان به طور همزمان توزیع می کند، سایش به جای تمرکز در یک نقطه واحد، به طور یکنواخت پخش می شود - که عمر مفید را به طور متناسب افزایش می دهد.
نتیجه: چگونه سیستم حرکت مناسب را مشخص کنیم
اگر در حال طراحی یا مشخص کردن یک سیستم مدیریت ویفر هستید، معیارهای زیر باید انتخاب جزء شما را هدایت کند:
از محیط زیست شروع کنید.تأیید کنید که همه مواد - ریل، کالسکه، روان کننده، آب بندی - برای کلاس اتاق تمیز شما و در صورت وجود، سطح خلاء تأیید شده اند. قبل از انجام یک طرح، دادههای خروج گاز (از دست رفتن جرم کل ASTM E595 و مقادیر مواد قابل تراکم فرار جمعآوریشده) را از تامینکننده خود درخواست کنید.
بودجه دقت خود را مشخص کنید.برای تعیین حداکثر خطای مجاز سیستم، نسبت به فرآیند مورد نیاز خود - دقت تماس پروب، تکرارپذیری قرار دادن ویفر - عمل کنید. بر این اساس کلاس پیش بارگذاری را انتخاب کنید و به یاد داشته باشید که پیش بارگذاری بالاتر اصطکاک را افزایش می دهد، بنابراین استحکام را در برابر اندازه سیستم درایو متعادل کنید.
درایو و راهنمای را با هم اندازه کنید.سیستم حرکت خطی و مکانیزم محرک باید به عنوان یک سیستم مطابقت داده شود. عدم تطابق نسبت اینرسی بین موتور، پیچ و بار منجر به ناپایداری و مشکلاتی از حد- می شود که اصلاح آنها به تنهایی در نرم افزار دشوار است.
برای دسترسی تعمیر و نگهداری برنامه ریزی کنید.حتی مطمئن ترین مولفه حرکت دقیق در نهایت نیاز به بازرسی دارد. مجموعه خود را طوری طراحی کنید که محور حرکت بدون جداسازی کامل ابزار قابل دسترسی باشد.
صرف زمان برای تعیین صحیح در مرحله طراحی به طور چشمگیری ارزانتر از تشخیص کاهش عملکرد یا جایگزینی اجزای آلوده پس از واجد شرایط بودن ابزار و در حال تولید است.
سوالات متداول
Q1: راهنماهای حرکتی دقیق چه دقت موقعیت یابی را می توانند در کاربردهای جابجایی ویفر بدست آورند؟
راهنماهای خوب-مشخص شده با پیش بارگذاری مناسب میتوانند در شرایط کنترلشده به تکرار موقعیتیابی در محدوده ۱± تا ۳± میکرومتر دست یابند. دقت سطح واقعی سیستم{4}}به عوامل دیگری از جمله وضوح درایو، پایداری حرارتی و جداسازی ارتعاش سازه اطراف بستگی دارد.
Q2: آیا می توان از این اجزا در محیط های خلاء در اتاق های فرآیند استفاده کرد؟
بله، اما الزامات مشخصات به طور قابل توجهی دقیق تر می شوند. روانکار باید محدودیتهای شدید خروج گاز را رعایت کند، و همه اجزای پلیمری - مهر و موم، برف پاک کن، نگهدارنده قفس - باید از نظر سازگاری با خلاء ارزیابی شوند. برخی از تولیدکنندگان انواع مختلفی با درجه خلاء{4}} با روان کننده های خشک یا جامد ارائه می دهند.
Q3: انتخاب عرض ریل چگونه بر عملکرد سیستم تأثیر می گذارد؟
ریل های باریک تر باعث صرفه جویی در فضا می شوند اما ظرفیت بار و سختی پیچشی را کاهش می دهند. برای جابجایی ویفر، بیشتر کاربردها در محدوده عرض ریل 7 تا 15 میلی متر قرار می گیرند. انتخاب بهینه به جرم محموله، فاصله کنسول انتهایی-عملگر و ظرفیت بار لحظه ای مورد نیاز - بستگی دارد که همه اینها باید قبل از نهایی کردن مشخصات محاسبه شوند.
Q4: چه چیزی باعث سایش زودرس اجزای حرکت خطی دقیق مورد استفاده در تجهیزات نیمه هادی می شود؟
رایجترین دلایل روانکاری ناکافی (از جمله استفاده از روانکنندههای غیر تمیزکننده که در شرایط فرآیند خشک یا تخریب میشوند)، ورود آلودگی از مواد شیمیایی یا ذرات فرآیند، و ناهماهنگی در حین نصب است. مسطح بودن سطح نصب مناسب و موازی بودن بین ریل و محور محرک بسیار مهم است و اغلب در طول یکپارچه سازی ابزار نادیده گرفته می شود.
Q5: آیا مکانیزم چرخشی-به-درایو خطی همیشه جفت مناسب برای مراحل موقعیت یابی ویفر است؟
پیچ های درایو ساچمه ای چرخشی به دلیل ترکیبی از دقت، کارایی و استحکام رایج ترین انتخاب هستند. با این حال، برای حرکتهای بسیار کوتاه یا کاربردهایی که به حرکت بسیار نرم و کم سرعت نیاز دارند، درایوهای موتور خطی - که تماس مکانیکی در محور محرک را کاملاً حذف میکنند - ممکن است مزیتهایی داشته باشند. مبادله-هزینه بالاتر و مدیریت حرارتی پیچیده تر است. برای اکثر کارهای حمل و نقل و موقعیت یابی ویفر، سیستم راه آهن-پیچ رانده و از پیش بارگذاری شده به عنوان استاندارد اثبات شده صنعت باقی می ماند.