Sissejuhatus
Kaasaegne pooljuhtide tootmine on üles ehitatud tolerantside andestamatule alusele. Kuna protsessisõlmed kahanevad alla 5 nm ja lähenevad 2 nm-le, peavad kõik seadmete ahela alamsüsteemid toimima enneolematult täpselt. Üks komponent, mille mõju süsteemi üldisele jõudlusele sageli alahinnatakse, on struktuurne alus - platvorm, millele positsioneerimisastmed, optika ja andurid on paigaldatud ja millele viidatakse.
See artikkel uurib insenerinõudeidtäppisstruktuuri alusedpooljuhtseadmetes, kasutatavad materjalid ja arenevad nõudmised, mida järgmise{0}}põlvkonna litograafia- ja kontrollisüsteemid sellele põhikomponendile esitavad.
Miks on alus pooljuhtseadmetes oluline?
Pooljuhtseadmete süsteem - olgu siis plaadiskanner, elektronkiire kontrollimise tööriist või metroloogiaseade - on sisuliselt täpselt paigutatud komponentide kogum, mis peavad töötamise ajal säilitama oma ruumilise suhte alam{2}}nanomeetri tolerantsidega. Konstruktsioonialus on ühine tugiraam, millele kõik need komponendid on kinnitatud.
Aluse mis tahes deformatsioon - vibratsioonist, soojuspaisumisest või mehaanilisest koormusest - levib otse positsioneerimisveaks. Süsteemis, kus ülekatte täpsust tuleb reguleerida 1–2 nm-ni, on põhi, mis tekitab tööpäeva jooksul 10 nm termilist triivi, oluliseks jõudluse piiranguks.
Sel põhjusel investeerivad pooljuhtseadmete insenerid märkimisväärseid jõupingutusi aluse projekteerimisele ja materjalide valikule, käsitledes konstruktsiooni vundamenti esmajärgulise-tehnilise probleemina, mitte järelmõtlemisena.
Täppisseadmete aluste materjalinõuded
Ideaalne pooljuhtseadmete alusmaterjal peab vastama mitmele samaaegsele nõudele, mis on paljuski vastuolulised.
Suur jäikus on vajalik, et seista vastu deformatsioonile inertsiaalsete jõudude mõjul, mis tekivad suure{0}}kiirenduse positsioneerimisetappidel. Graniitalus tihedusega ligikaudu 3100 kg/m³ ja suure survetugevusega tagab suurepärased massi{4}}--jäikusomadused.
Madal ja ühtlane soojuspaisumine on kriitiline, sest pooljuhtide puhastes ruumides esineb hoolimata aktiivsest temperatuurikontrollist termilisi gradiente. Materjal, mille soojuspaisumistegur - on vahemikus 5–8 × 10⁻⁶ kraadi kohta kvaliteetse graniidi - puhul, minimeerib mõõtmete muutust. Mõned seadmete konstruktsioonid sisaldavad teatud komponentide jaoks ka materjale, nagu Zerodur või ränikarbiid, kuid need on üldiselt reserveeritud optiliste pinkide ja peegli aluspindade jaoks nende kõrge hinna tõttu.
Vibratsioonisummutus on omadus, kus graniit on metallidega võrreldes silmapaistev. Graniidi sisemine teraline struktuur neelab mehaanilisi vibratsioone tõhusamalt kui malm või alumiinium, mistõttu on graniit eelistatud alusmaterjal kõrge-tundlikkusega metroloogia- ja litograafiasüsteemides.
Mõõtmete stabiilsus ajas - roomamise või pingelõdvestuse puudumine - on teine põhinõue. Graniit on geoloogiliselt stabiilne ja sellel ei ole pikaajalist-mõõtmete triivi, mida mõned polümeerkomposiit- või valatud metallalused võivad näidata.
Graniit vs alternatiivsed alusmaterjalid
Täppisseadmete baasrakendustes konkureerivad graniidiga mitmed materjalid, millest igaühel on omad kompromissid{0}}.
Mineraalvalu (polümeerbetoon) ühendab graniidist täitematerjali epoksümaatriksiga. Sellel on hea vibratsioonisummutus, seda saab valada keerukatesse vormidesse ja sellel on korralik termiline stabiilsus. Kuid selle pikaajaline-mõõtmete stabiilsus aastate jooksul ei ole nii hästi välja kujunenud kui looduslik graniit ja selle tihedus on madalam, mis vähendab passiivse vibratsiooniisolatsiooni efektiivsust.
Süsinikkiust komposiitstruktuurid pakuvad äärmiselt kõrget jäikuse -/-massi suhet ja väga väikest soojuspaisumist, kuid nende anisotroopsed omadused muudavad disaini keerukamaks ja nende maksumus on suurtes mastaapides oluliselt kõrgem kui graniidi oma. Süsinikkiust talasid kasutatakse üha enam sillakonstruktsioonidena pukk-stiilis seadmetes, kuid harva täieliku varustuse baasina.
Ultra-High Performance Concrete (UHPC) on arenev konstruktsioonimaterjal, mille survetugevus ületab 150 MPa ja millel on hea vibratsioonisummutus. Selle mõõtmete käitumine püsiva koormuse korral ja pikaajalised-libisemisomadused täppisrakendustes on käimasolevate uuringute objektid.
Enamiku praeguse ajastu täppispooljuhtseadmete rakenduste puhul jääb hästi{0}}töödeldud looduslik graniit võrdlusaluseks, millega võrrelda alternatiive.
Õhklaagrid ja nende seos graniidist aluspindadega
Paljud -täpsete positsioneerimisastmete etapid pooljuhtseadmetes kasutavad õhklaagrite - seadmeid, mis hõljuvad õhukesel rõhu all oleval õhukilel täpse-maapinna võrdluspinna kohal. Selle võrdluspinna kvaliteet - selle tasasus, pinna karedus ja mõõtmete stabiilsus - määravad otseselt lava positsioneerimise.
Graniit on õhku kandvate võrdluspindade domineeriv materjal mitmel põhjusel. Esiteks, selle kõvadus on kulumiskindel juhuslikust kokkupuutest. Teiseks saab seda tasandada õhklaagrite tootjate nõutud tasapinnani -, mis on tavaliselt vahemikus 1–3 µm kogu liikumisvahemikus. Kolmandaks, graniidi mitte-magnetiline, mitte-reaktiivne pind ei sega laval kasutatavate täppisandurite tööd.
Graniidist võrdluspindadele paigaldatud õhklaagrite juhtteid kasutatakse pooljuhtplaatide käitlejates, täppis-optilistes joondussüsteemides ja nano-positsioneerimisplatvormides. Õhklaagrite tehnoloogia integreerimine täppisgraniitkonstruktsioonidega on üks ülitäpsete seadmete projekteerimise tunnuseid-.
Soojusjuhtimine ja temperatuuri{0}}kontrollitav keskkond
Täppispooljuhtseadmeid kasutatakse tavaliselt puhta ruumi keskkonnas, kus on aktiivne termoregulatsioon. Temperatuuri võib hoida täpsusega ±0,1 kraadi või rohkem. Sellest hoolimata jääb soojusjuhtimine seadmete tasemel oluliseks inseneri väljakutseks.
Täiustatud litograafiasüsteemide seadmete alused on sageli varustatud sisemiste vedelikukanalitega aktiivse termilise stabiliseerimise jaoks. Graniitkonstruktsioon ise toimib termilise massina, mis puhverdab kiireid temperatuurikõikumisi ning juhitav vedelikuvool hoiab aluse konstantsel temperatuuril, sõltumata mootorite, võimendite ja valgustuse tekitatud soojusest.
Väga suure täpsusega süsteemide puhul on termoandurid manustatud graniidistruktuuri mitmesse punkti ja mõõdetud temperatuure kasutatakse positsioneerimismõõtmiste korrigeerimiseks reaalajas termilise kompensatsiooni algoritmide abil. See lähenemisviis -, mis ühendab stabiilse graniitstruktuuri aktiivse soojusjuhtimise ja tarkvaraparandusega -, esindab täppisseadmete projekteerimise tipptasemel.
Tulevikku vaadates: kasvavad nõudmised täppisstruktuuridele
Kuna pooljuhtide tootmine liigub 2 nm ja kaugemale ning kuna uued rakendused, nagu äärmuslik ultraviolett- (EUV) litograafia ja kõrge -eraldusvõimega e-kiire metroloogia, nõuavad üha rangemaid tolerantse, karmistavad nõuded täppisstruktuuri alustele jätkuvalt.
See soodustab edasist arengut graniidi valikul -, seades esikohale materjalid, mille tiheduse ühtlus, jääkpinge ja mikropoorsus on rangemad, -, samuti täiustatakse töötlemist, et saavutada suurematel aladel peenem pinnaviimistlus ja tihedamad tasasuse tolerantsid.
Samuti aitab see kaasa graniidi integreerimisele aktiivsete vibratsiooniisolatsioonisüsteemide, täpse soojusjuhtimise ja reaalajas{0}}metroloogia tagasisidega, luues seadmete platvorme, mille struktuurne alus ei ole passiivne element, vaid aktiivne osaline süsteemi jõudluse säilitamisel.
Täppiskonstruktsioonimaterjalide põhiline tähtsus järgmise põlvkonna pooljuhttehnoloogia võimaldamisel on valdkond, mis väärib inseneriringkondade tähelepanu ja austust. Seadme baastasemel salvestatud nanomeetrid tähendavad otseselt kaasaegset andmetöötlust, sidet ja tehisintellekti toitavate seadmete täiustusi.