精密機械概論-潔凈技術的建立-201304

8.精密機械概論_潔凈技術的建立陳貴榮2013/04E_mail:chen.kueijun@精密機械概論(一)芯片主板計算機主機上游中游下游計算機產業(yè)上、中、下游示意圖前言潔凈室（或稱無塵室）機械設計之所以令人望之卻步，在于經常要面臨兩大問題：微粒污染防治組件選用困難由半導體前段制程自動化設備之研究開發(fā)切入，分別探討微粒污染控制、材料及組件選用，并以設備為例作淺要說明。8.1微粒污染控制潔凈機械設計與一般機械設計最大的不同，在于對微塵粒子污染的嚴格要求，后段封裝制程要求潔凈度約為Class100等級，而前段晶圓制程中的潔凈度更要求到Class1等級。一、是選用不會散發(fā)出微粒的潔凈材料。二、是設備不因機構間相對運動摩擦而產生微粒。三、是設備本身不易累積微粒。潔凈標準等級

粒徑(μm)微粒限制（顆/ft3）Class1Class10Class100Class1000≧0.51101001000≧0.3330300≧0.27.575750≧0.135350美國聯(lián)邦潔凈標準FED-STD-209E8.1.1潔凈材料的選用所謂潔凈材料，并非單以肉眼可辨之清潔與否為選用依據(jù)，為應付半導體一道又一道繁復制程中的高溫及化學品侵蝕，潔凈室用材料消極上必須比一般材料具有更耐酸堿或氧化、更高表面精細度或硬度、更佳機械強度及尺寸安定性等特性，積極上材料本身不可劣化或變質而分解出微粒，亦不可產生逸散氣體（Outgas）。必須要求于潔凈無塵環(huán)境中制造生產8.1.2機構間相對運動避免機構產生微粒，最直接的方法就是減低摩擦力。一般而言減低摩擦的方法不外乎：(3)降低物體表面摩擦系數(shù)：盡量避免金屬與金屬間直接摩擦，無法避免時可適量使用潔凈室專用潤滑劑以降低摩擦系數(shù)。(1)以滾動摩擦取代滑動摩擦：一些以滑動方式帶動的曲柄連桿機構應盡量避免，并多采用軸承于機構連結部位。(2)減小摩擦面積：例如晶舟之晶圓卡槽設計為斜狀開口，使晶圓僅邊緣與晶舟接觸，降低晶圓與晶舟間之摩擦。設計成金屬與塑料接觸以降低摩擦最明顯的例子，是兩囓合齒輪多設計一側為不銹鋼另一側為塑料材質，摩擦及噪音都獲得改善。8.1.3設備不易累積微粒(1)流場：良好的流場規(guī)劃才能避免產生氣流流動死角

而累積微粒。(2)層流：必須盡量保持氣流維持在均勻層流狀態(tài)，紊流或渦流都容易造成微粒擴散。(3)風速：維持風速在0.25~0.5m/s，才能克服微粒因布朗運動的擴散效應，一旦有微粒產生能迅速被帶離。(4)壓差：潔凈室內維持適當?shù)恼龎海煞乐雇饨缥⒘Ｇ秩?。依?jù)潔凈室設計原則，良好的潔凈室設計必須考慮四點：8.2材料及組件選用原則研發(fā)半導體制程設備，潔凈度是選用機械材料及機構組件的唯一原則，依前述微粒污染控制為思考主軸，分別探討潔凈室常用材料及組件。8.2.1材料探討(1)鋼鐵：鋼鐵種類繁多，大多數(shù)碳鋼易生銹而散發(fā)微粒污染，僅有不銹鋼能使用于潔凈室內，如：304系列不銹鋼用于一般零件；純水及氣體供應管件或與制程接近之零件需要更高潔凈度及耐腐蝕性，多采用316系列不銹鋼再經電解拋光處理（Electro-polish）；而螺桿、導桿或滑軌等需較高機械強度的零件可使用440系列（麻田散鐵系）不銹鋼。(2)鋁：鋁或鋁合金因不易氧化且質量輕，被大量運用于一般設備本體或主結構的構成，半導體設備中多采用耐蝕性較佳之6061系列鋁合金，鋁合金可再經過陽極硬化處理改善表面硬度以減低因表面刮損而產生微粒。(3)銅：銅或銅合金在半導體設備中應用極少，因銅對酸堿的抗力較差并且銅離子污染對IC制程非常危險，僅有在真空源管路中可見部份黃銅材質管件。(4)塑料：塑料為各種高分子聚合物之統(tǒng)稱，共通特性為質輕、耐蝕及絕緣，應用范圍極廣，一般泛用塑料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）多用于一般化學溶液如乙醇、丙酮或異丙醇等之儲存容器或晶圓包裝材料，聚碳酸酯（PC）的強度及尺寸安定性較高為晶圓傳送盒之主要材料。有些塑料具有極佳潤滑及耐酸堿特性如鐵氟龍（PTFE,PFA）應用于強酸強堿之容器、化學品供應管路及無給油軸承上，聚氯乙烯（PVC）使用于冷卻水及純水管路，塑料材料更可用混煉（Compound）的方式融合各種不同塑料的優(yōu)點于一新的合成塑料，即使因摩擦產生微粒，其為高分子有機物較不若金屬微粒易造成晶圓嚴重缺陷。(4)塑料：特殊高等工程塑料的應用在半導體設備極為重要，因為某些塑料具有極佳機械強度，如聚酰亞胺（PI）、Vespel（Dupont公司生產之PI類塑料）可取代一部份金屬零件，聚醚醚酮（PEEK）為新一代晶舟（Cassette）之主要材料，ChemicalsDispenseModuleExhaust&DrainModuleSpinModule(Inc.SpinChuck,LoadLockSplashRings,Lift-Pins,etc.)清洗設備之關鍵模塊(5)陶瓷：陶瓷為具有高硬度、絕緣、耐高溫、耐腐蝕及極佳精密度等特性之工程材料，極適合運用于半導體設備，但價格昂貴且加工成形不易，目前僅應用于與晶圓直接接觸之關鍵性零件如：機械手臂終端受動器（EndEffector）或反應室及其內之晶圓托盤。(6)潤滑劑：傳統(tǒng)上潤滑劑的功能主要在減低兩物體間因接觸所產生之摩擦，而在半導體設備中潤滑劑還要負責吸附住摩擦產生之微粒以防止其擴散出去，因而對潤滑劑的要求較高，潤滑劑本身潔凈度亦須考慮，傳統(tǒng)的潤滑劑如：石油基潤滑油、合成酯類、胺類及含硅類都具一定揮發(fā)性，較不宜運用于半導體設備，目前半導體設備中以氟素潤滑劑較為常見，但氟素潤滑劑之潤滑性較差，黏滯阻力約為石油基潤滑油之1.5倍以上，設計機構時動力損失需考慮。8.2.2組件探討(1)螺桿：螺桿經常是影響一個機械設備整體效能的重要組件，一般機械設計多半使用滾珠螺桿（BallScrew），因其具有高負荷、高精密度、高壽命及低導程誤差等優(yōu)點，而一些OA設備或計算機周邊多使用精密度較低之梯形牙導螺桿（TrapezoidalLeadScrew），其螺帽（Nut）多為塑料制品因此具有輕量化、低成本及耐候性佳等優(yōu)點。隨化工機械及半導體設備對螺桿的精密度及耐蝕性要求，使得滾珠螺桿逐漸改良其耐蝕性，而導螺桿承受更高負荷亦更精密，二者之分界愈來愈小。(2)線性軸桿及軸承：在不要求極精密且空間有限的場合，線性軸桿及軸承是一個低成本、易安裝的線性導引組件，因其與滾珠螺桿構造類似，都是滾珠與桿件間之相對運動，軸桿及軸承對潔凈度可依照滾珠螺桿的考慮。材質必須為不銹鋼是基本要求，可視需要對軸桿施以鍍膜處理，軸承亦可使用具自潤性之工程塑料而不使用滾珠。高精密度要求時可選用線性栓槽軸桿，其為類似線性軸桿之組件，軸桿上之栓槽可拘束軸承之運動方向而提高精密度，但此組件目前并無不銹鋼材質，銹蝕問題必須考慮，可對軸桿施以鍍膜處理來改善。(3)線性滑軌及滑座：線性滑軌能提供線性運動機構極高精密度之導引，其滑軌及滑座對潔凈度要求亦可依照滾珠螺桿的考慮，基本上滑軌及滑座材質必須全為不銹鋼，可視需要對滑軌施以鍍膜處理，但滑座并無塑料材質可取代。選用滑座時尚須注意不可使用一般機械用滑座，其防塵端蓋及墊片可能有毛氈或橡膠等易散發(fā)微粒的材質，必須指定潔凈室用滑座，其防塵端蓋及墊片以塑料制品較不易產生微粒污染。(4)軸承：軸承為量大價廉之標準零件，專為特定用途而生產特殊規(guī)格或材質極為困難，因此半導體設備中使用軸承僅能注意必須選用有封閉護蓋的型式（型號加UU或ZZ者），并須注意軸承內部潤滑油若外漏是否會影響潔凈度，盡量勿使軸承裸露于外以免因為銹蝕散發(fā)微粒污染。(5)齒輪：齒輪的材質通常為碳鋼、不銹鋼、黃銅及工程塑料等，半導體設備中僅能使用不銹鋼或塑料類齒輪，齒輪運轉時接觸面囓合摩擦極易產生微粒，應安裝于設備內部并適當隔離。(6)銷：定位銷或彈簧銷的標準品多為工具鋼，幾無不銹鋼材質，若用于設備內部的組件裝配則較無銹蝕的疑慮，用于設備外部的定位銷可考慮用不銹鋼棒加工以避免工具鋼的銹蝕問題。(7)螺絲、墊片及扣環(huán)：不銹鋼材質零件已相當普遍，必須選用不銹鋼材質。8.3潔凈機械設計例基本上，潔凈機械的設計與一般機械設計的步驟并無不同，都是先確認設備需求的性能及規(guī)格，其次展開概念設計，同時收集各種材料及標準組件型錄數(shù)據(jù)以選用適當零組件，然后開始設計整體機構并繪制組合圖，而后拆成各部份零件詳細設計圖面，分包加工，最后組裝修配。如何滿足設備對高潔凈度的要求，除了基本結構設計外，潔凈材料及組件選用為最大關鍵。8.4驗證測試可靠度測試任何設備開發(fā)完成必先經過馬拉松長期測試后確認其可靠度或穩(wěn)定度等皆符合要求后，方能推出市場，半導體設備的可靠度、可用度及保養(yǎng)性（Reliability,AvailabilityandMaintainability，簡稱RAM）由SEMIStandardsE10所規(guī)范，內容旨在建立設備供貨商與用戶間對設備性能的量測基準，其中對設備的生產狀態(tài)、待機狀態(tài)、維護狀態(tài)及當機狀態(tài)等皆有嚴謹定義，當設備持續(xù)長時間運轉后，對狀態(tài)與時間做統(tǒng)計分析即可驗證設備的可靠度。潔凈度測試(1)微粒測試：人眼可視的微塵粒子大小約為10μm以上，對于次微米級的微粒，必須以精密儀器檢測，例如氣體微粒計數(shù)器（AirborneParticleCounter）用于檢測潔凈室環(huán)境及制程自動化設備中以空氣為媒介擴散之微粒，而液體微粒計數(shù)器（LiquidParticleCounter）用于檢測濕式制程或清洗設備中純水所含微粒，本文之升降平臺設備屬前者，系以氣體微粒計數(shù)器檢測之。檢測設備的潔凈度之前必須先確認測試環(huán)境的潔凈度，必須在Class1等級之潔凈室內或是于Class100或1000潔凈室中輔以Class1等級潔凈工作臺（CleanBench），設備進入潔凈室前必須先擦拭，進入潔凈室后先靜置10分鐘以上，待由外界帶入的粉塵微粒沈降之后再行測試。設備在測試初期可能會因外界帶入的微粒附著于零件表面或儀器管路內累積之微粒未完全清除，而呈現(xiàn)潔凈度不佳的狀況，因此初期測試數(shù)據(jù)應視為統(tǒng)計學上之離群讀數(shù)予以舍棄不計。設備較易產生微粒處或接近晶圓位置都應列為測試點，每一點測試時間每次應持續(xù)10分鐘以上求其平均值。(2)PWP測試：

所謂PWP（ParticlesperWaferPass）是指一片晶圓經過一制程設備后晶圓表面增加微粒的平均數(shù)量，規(guī)范于SEMIStandardsE14，定義PWP測試目的在于提供一個量化的標準方法及詳細程序以量測一制程或設備的微粒污染是否合于規(guī)格，設備供貨商及設備使用者都采用同一測試方法才能確保對設備潔凈度效能的認知上一致。量測PWP之前必須對測試規(guī)格定義清楚，如晶圓種類（DummyWaferorControlWafer）及微粒大小等，量測時令晶圓送入待測設備走完一次循環(huán)后，使用晶圓表面微粒掃描儀（WaferSurfaceScanner）檢測晶圓表面微粒，至少需測試10片晶圓，每片晶圓走10次循環(huán)，最后統(tǒng)計出PWP數(shù)據(jù)。8.5SMIF機械界面標準化潔凈機械設計為目前極具前瞻及需求的發(fā)展方向，運用范圍廣及半導體、微機電及生物醫(yī)學等領域，譬如SMIF（StandardMechanicalInterFace）技術就是在半導體廠內晶圓傳送過程中，將晶圓于制程設備加載及卸除之機械界面標準化，可大幅提高潔凈度及生產效率，便是潔凈機械運用的最佳例證。何謂標準機械接口?概念由美國HP公司在1984年提出并訂名為StandardMechanicalInterface(SMIF，標準機械接口）「將生產設備置于潔凈室內」的觀念轉換成「將潔凈室置于生產設備內」臺灣集成電路公司（tsmc）二廠于1989年率先運用300mm(12吋)晶圓廠標準配備SMIF技術概念資數(shù)據(jù)源：SemiconductorInternational,12,1997SMIFFab

200mmSMIF晶圓廠資數(shù)據(jù)源：InfabSMIFFab

300mmSMIF晶圓廠資數(shù)據(jù)源：SEMILoad/Unload概念資數(shù)據(jù)源：RORZE_25300mmSorterRSC142機械所SMIF技術研發(fā)Class0.1UL94防火標準MCBF：≧100,000cyclesPWP：≦0.025@0.2μm晶圓隔離自動傳輸技術８吋SMIF設備12吋SMIF設備LoadPortFOUPN2ChargerLPTIndexerPOD定位精度：±0.1mm可靠度：＞50,000次可靠度＞50,000次Load/UnloadCycleTime：<55秒潔凈度：Class1充填時間：≦6分／個符合SEMI標準Load/UnloadCycleTime：<40秒Class0.1UL94防火標準MCBF：≧100,000cycles技術發(fā)展實例PodIndexerLPTFOUPLoadPort300mmSMIF200mmSMIFAutomatedToolFrontEndAutomatedToolFrontEndN2Charger核心技術晶圓隔離技術低發(fā)塵機構設計與組件選用運動控制與應用表面處理技術通訊界面人機界面感測應用氣體流場分析抗靜電設計ContaminationControl潔凈機械設計技術電控/系統(tǒng)整合技術Mini-environment設計技術潔凈機械制造裝配技術裝配調校組件清洗與包裝高科技產業(yè)雖日新月異，但也需要傳統(tǒng)產業(yè)的基礎支持，傳統(tǒng)產業(yè)若不能跳脫以往勞力密集或以量制價的模式，轉型往高精密度、高潔凈度或高技術層次發(fā)展，將逐漸面臨被淘汰的命運。機械設計本質上雖予人傳統(tǒng)產業(yè)的印象，但應用于新興高科技領域中仍有一片天地值得開發(fā)，機械設計人員要提升自我層次，躋身高科技之林，端賴如何將原