Գրանիտե բաղադրիչների դերը կիսահաղորդչային սարքավորումներում

Կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը գործում է չափելի և արտադրելիի ֆիզիկական սահմաններում: Ժամանակակից ինտեգրալ սխեմաները ներառում են տրանզիստորներ, որոնց դարպասների երկարությունը 3 նանոմետրից ցածր է՝ չափսեր, որոնց դեպքում մեկ սիլիցիումի ատոմը ներկայացնում է կրիտիկական հատկանիշի չափի նշանակալի մասը: Այս կառուցվածքները ստեղծող և ստուգող լիտոգրաֆիկ համակարգերը, վաֆլիների ստուգման գործիքները և չափագիտական ​​սարքավորումները պետք է հասնեն դիրքավորման ճշգրտության, տատանումների մեկուսացման և չափային կայունության, ինչը անհնար կլիներ ընդամենը երկու տասնամյակ առաջ:

Այնուամենայնիվ, այս անսովոր տեխնոլոգիաներով լի սենյակներում ամենակարևոր կառուցվածքային նյութերից մեկը հնագույն մի բան է՝ գրանիտը: Ճշգրիտ մշակված, ջերմային կառավարմամբ սև գրանիտը կազմում է աշխարհի ամենաառաջադեմ կիսահաղորդչային սարքավորումների հարթակներից շատերի կառուցվածքային հիմքը: Հասկանալը, թե ինչու՝ և ինչու ոչ բոլոր գրանիտն է նույնը, լուսավորում է կիսահաղորդչային սարքավորումների ճարտարագիտության կարևոր և հաճախ անտեսված մի կողմ:

Կիսահաղորդչային սարքավորումների միջավայրը. Ինչին պետք է դիմանա բազան

Ֆոտոլիտոգրաֆիայի էքսպոզիցիայի համակարգը (սկաներ կամ քայլային) գործում է մաքուր սենյակային միջավայրում, որտեղ օդային մասնիկների քանակը կարգավորվում է 1-ին կամ 10-րդ դասի մակարդակներով, ինչը նշանակում է, որ 0.5 մկմ կամ ավելի մեծ չափի օդի մեկ խորանարդ ոտնաչափի վրա 1 կամ 10 մասնիկից պակաս է: Սարքավորումն ինքնին պետք է ապահովի բեմի դիրքավորման կրկնելիություն 1 նանոմետրից ցածր, ծածկույթի ճշգրտություն 2 նանոմետրից ցածր և ֆոկուսի միատարրություն 300 մմ թիթեղի վրա մի քանի նանոմետրերի սահմաններում:

Սա իրականացնող վաֆլիային փուլը շարժվում է վայրկյանում 1 մետրից ավելի արագությամբ, արագանում և դանդաղում է 10 գ-ից ավելի արագությամբ և կրկնում է այս ցիկլը ժամում հազարավոր անգամներ՝ ամեն ժամ, ամեն օր, տարիներ շարունակ: Այս փուլը պահող գրանիտե հիմքը չպետք է ծռվի, սողա կամ ռեզոնանսի ենթարկվի այնպես, որ փչացնի փուլի դիրքի չափումը: Այն պետք է մնա չափային կայուն սարքավորումների ջերմային աշխատանքային տիրույթում: Եվ այն պետք է այս ամենը հուսալիորեն կատարի համակարգի շահագործման ողջ կյանքի ընթացքում, որը կարող է լինել մեկ տասնամյակ կամ ավելի:

Սրանք մեղմ շահագործման պայմաններ չեն։ Դրանք ծայրահեղ պահանջներ են ներկայացնում յուրաքանչյուր բաղադրիչի, այդ թվում՝ թվացյալ պասիվ գրանիտե հիմքի համար։

Թրթռման մեկուսացում և մարում. Գրանիտի ֆիզիկական առավելությունը

Կիսահաղորդչային կառույցները հսկայական ներդրումներ են կատարում թրթռումների մեկուսացման մեջ՝ սկսած շենքերի հիմքերից (որոնք կարող են տեղադրվել պնևմատիկ մեկուսիչների զանգվածների վրա) մինչև սարքավորումների մակարդակի ակտիվ թրթռումների մարման համակարգերը: Սակայն այս համակարգերն ունեն սահմանափակումներ: Դրանք չեն կարող վերացնել բոլոր թրթռումները և չեն կարող ակնթարթորեն արձագանքել բոլոր հաճախականություններին: Գրանիտե մեքենայի հիմքը ապահովում է թրթռումների մեկուսացման վերջնական պասիվ փուլը:

Թրթռումների մարման ֆիզիկան նախապատվությունը տալիս է բարձր զանգված և տեսակարար մարման ունակություն ունեցող նյութերին: Բարձր խտության սև գրանիտը, իր փոխկապակցված քվարցի, դաշտային սպատի և փայլարի բյուրեղների բյուրեղային միկրոկառուցվածքով, ապահովում է մեխանիկական տատանումների գերազանց ներքին մարում՝ զանգվածային էֆեկտների և հատիկների սահմանային շփման համադրության միջոցով: Հիմք մտնող տատանումները հատակի կամ շարժվող բեմի ռեակցիոն ուժերի միջոցով կլանվում և ցրվում են գրանիտի ներսում, նախքան դրանք կարող են տարածվել զգայուն չափման համակարգեր:

Գրանիտը այս առումով գերազանցում է պողպատին, չնայած պողպատի ավելի բարձր ձգման ամրությանը: Պատճառը բյուրեղային միկրոկառուցվածքի մեջ է. գրանիտի պոլիբյուրեղային հատիկային կառուցվածքը ցրում և կլանում է տատանումների էներգիան հատիկների սահմաններում, մինչդեռ պողպատի կարգավորված բյուրեղային կառուցվածքն ավելի արդյունավետ է իրականացնում տատանումները: Թուջն ավելի լավ է, քան պողպատը մարման համար, այդ իսկ պատճառով այն պատմականորեն օգտագործվել է ճշգրիտ հաստոցների հիմքերի համար, բայց ճշգրիտ գրանիտն էլ ավելի լավն է:

Ջերմային կայունություն. նանոմետրային կրկնելիության հիմքը

Նանոմետրական մասշտաբով ջերմային կայունությունը չափային կրկնելիությունը կարգավորող գերիշխող գործոնն է: 1 մետրանոց պողպատե բաղադրիչի 1°C ջերմաստիճանի փոփոխությունը առաջացնում է մոտավորապես 11.7 միկրոմետր ջերմային ընդարձակում, այսինքն՝ 11,700 նանոմետր: Գրանիտի դեպքում համարժեք ընդարձակումը սովորաբար կազմում է 6-8 միկրոմետր, ինչը պողպատի մոտ կեսն է: Գերցածր ընդարձակման ապակե կերամիկական նյութերում (օրինակ՝ Zerodur-ը կամ ULE-ն) այն կազմում է ընդամենը 0-0.02 միկրոմետր մեկ աստիճանի համար, սակայն այս նյութերը շատ ավելի թանկ են և դժվար է մշակել մեքենաների հիմքերի համար անհրաժեշտ մեծ չափերի դեպքում:

Կիսահաղորդչային սարքավորումների հիմքերի համար գրանիտի ջերմային ընդարձակման վարքագիծը պետք է լինի ոչ միայն ցածր, այլև կանխատեսելի: Նախագծողները օգտագործում են գրանիտի հայտնի CTE-ն՝ բեմի ջերմային փոխհատուցումը նախագծելու համար:դիրքի չափման համակարգԱնկանխատեսելի կամ տարածականորեն փոփոխվող CTE-ն, որը կարող է առաջանալ ցածր որակի կամ անպատշաճ ընտրված գրանիտի դեպքում, անհնար է դարձնում փոխհատուցումը և հանգեցնում է ջերմաստիճանից կախված դիրքային սխալների, որոնք չեն կարող վերացվել։

Սա այն պատճառներից մեկն է, որ գրանիտի կոնկրետ աղբյուրը և սպեցիֆիկացիան կարևոր են կիսահաղորդչային սարքավորումների կիրառման մեջ: Նյութը պետք է բնութագրվի ջերմային վարքագծի համար, այլ ոչ թե պարզապես ընդհանուր առմամբ նշվի որպես «սև գրանիտ», և այն պետք է համապատասխանի խտության և միատարրության հաստատուն պահանջներին, որոնք ապահովում են դրա ջերմային վարքագծի միատարրությունը ամբողջ բաղադրիչի մեջ:

Օդային գրանիտե մակերեսներ. Շարժական միջերես

Շատ կիսահաղորդչային սարքավորումների շարժման համակարգեր օգտագործում են օդային կրողներ՝ ճնշման տակ գտնվող օդի բարակ թաղանթներ, որոնք թույլ են տալիս փուլերին շարժվել հղման մակերեսի վրայով՝ արդյունավետորեն զրոյական շփումով և զրոյական շփման մաշվածությամբ: Օդային կրողներն ապահովում են ենթանանոմետրային շարժման սահունություն, սահքի բացակայություն (ինչը կարող է խաթարել նանոմետրային մասշտաբի դիրքավորումը) և յուղման աղտոտում, որը կարող է վտանգել մաքուր սենյակի միջավայրը:

Օդային կրողի աշխատանքը մեծապես կախված է այն մակերեսից, որի վրայով այն շարժվում է: Կրողի մակերեսի հարթության սխալները վերածվում են բեմի դիրքորոշման սխալների: Մակերեսի կոպտությունը ազդում է օդային թաղանթի կայունության վրա: Նյութը պետք է բավականաչափ կարծր լինի՝ մաշվածությանը դիմակայելու համար, եթե օդային թաղանթը շահագործման ընթացքում ակնթարթորեն փլուզվի: Եվ նյութը պետք է ջերմամեկուսորեն համատեղելի լինի բեմի և օդի մատակարարման համակարգի հետ՝ խուսափելու համար օդային բացը փոխող դիֆերենցիալ ընդարձակումից:

Բարձր կարծրության (մաշվածությանը դիմակայելու), ցածր մակերեսային կոպտության (կայուն օդային թաղանթներ պահող) և չափսերի կայունության (ժամանակի ընթացքում հարթության պահպանում) համադրությունը գրանիտը դարձնում է պահանջկոտ կիսահաղորդչային կիրառություններում օդային կրող հենարանային մակերեսների համար նախընտրելի նյութ:

Գրանիտ վաֆլիի մեջ ստուգման և չափագիտության սարքավորումներ

Լիտոգրաֆիայից զատ, գրանիտը հավասարապես կարևոր դեր է խաղում կիսահաղորդչային թիթեղների ստուգման և չափման համար օգտագործվող սարքավորումների շարքում: Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակները (SEM), ֆոկուսացված իոնային ճառագայթի (FIB) համակարգերը, օպտիկական թերությունների ստուգման գործիքները և ծածկույթային չափագիտական ​​համակարգերը բոլորը հենվում են կայուն, թրթռումներից զերծ հիմքերի վրա՝ իրենց պահանջվող չափման ճշգրտությունը հասնելու համար:

3 նանոմետր դարպասի լայնությունը չափող կրիտիկական չափսերի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակը (CD-SEM) պետք է պատկերը կատարի նանոմետրի ենթանանամետրային ճշգրտությամբ: Պատկերի ստացման ընթացքում նմուշի և էլեկտրոնային փնջի միջև ցանկացած տատանում մշուշում է պատկերը և ներմուծում չափման անորոշություն: Գրանիտե հիմքը մեկուսացնում է նմուշի փուլը հատակի տատանումներից՝ ապահովելով հանգիստ մեխանիկական միջավայր, որտեղ հնարավոր են դառնում ատոմային մասշտաբի չափումները:

Նմանապես, օպտիկական ցրման չափման համակարգերը և վաֆլիի երկրաչափության գործիքները օգտագործում են գրանիտե հիմքեր և հենակետային մակերեսներ՝ չափման ճառագայթների և վաֆլիի մակերեսի միջև երկրաչափական հարաբերությունները պահպանելու համար: Ամբողջ գործիքի չափման ճշգրտությունը, որը որոշում է, թե արդյոք վաֆլը հաջողությամբ անցնում է ստուգումը, թե ոչ, վերջնական արդյունքում կախված է դրա տակ գտնվող գրանիտի չափային կայունությունից:

Արդյունաբերական կիրառություններ. Գրանիտի մասնակի քարտեզը կիսահաղորդչային արտադրությունում

Կիսահաղորդիչների արտադրության մեջ գրանիտի դերի լայնությունը գնահատելու համար դիտարկենք սարքավորումների տեսակները, որտեղ սովորաբար հանդիպում են ճշգրիտ գրանիտե բաղադրիչներ՝ ֆոտոլիտոգրաֆիկ սկաներներ և քայլիչներ (վաֆլիի փուլի հիմքեր, ցանցային փուլի հիմքեր, հենակետային շրջանակներ), քիմիական մեխանիկական պլանարիզացիայի (CMP) սարքավորումներ (սկավառակի հենակետային մակերեսների կոնդիցիոնացում, չափման փուլեր), վաֆլիի ստուգման համակարգեր (վաֆլիի հիմքեր, հենակետային հայելիներ, տատանումների մեկուսացման հարթակներ), չափագիտական ​​սարքավորումներ, ներառյալ ցրման չափիչներ, էլիպսոմետրեր և ինտերֆերոմետրիկ ծածկույթային գործիքներ, վաֆլիների մշակման և տեղափոխման համակարգեր, որտեղ չափային կայունությունը կանխում է վաֆլիի վնասումը, էլեկտրոնային ճառագայթի ստուգման և լիտոգրաֆիկ համակարգեր, և իոնային իմպլանտացիայի սարքավորումներ, որտեղ ճառագայթի դիրքորոշման կայունությունը կարևոր է։

Այս կիրառություններից յուրաքանչյուրում գրանիտը ապրանքային մուտք չէ, այլ կարևորագույն ճշգրտության բաղադրիչ, որի կատարողականի բնութագիրը ուղղակիորեն որոշում է համակարգի կարողությունները: ±10 մկմ հարթությամբ պատրաստված գրանիտային բաղադրիչի և ±0.5 մկմ հարթությամբ պատրաստվածի միջև տարբերությունը 20 անգամ բարելավում չէ. այն կարող է լինել տարբերությունը այն գործիքի միջև, որը հասնում է իր բնութագրին, և այն գործիքի միջև, որը սկզբունքորեն չի հասնում դրան:

Կիսահաղորդչային կիրառությունների համար ճշգրիտ գրանիտի մատակարարում

Հաշվի առնելով կիսահաղորդչային կիրառությունների կատարողականի պահանջները, գրանիտի մատակարարի ընտրությունը և որակավորումը կարևոր ճարտարագիտական ​​որոշում է: Հիմնական նյութական բնութագրերից՝ խտությունից, ջերմային ընդարձակման գործակիցից, հարթության աստիճանից բացի՝ գնորդները պետք է գնահատեն մատակարարի իրական չափման կարողությունները (կարո՞ղ են նրանք ստուգել, ​​թե ինչի են նրանք պնդում, որ հասել), կիսահաղորդչային սարքավորումների կիրառման հետ կապված իրենց փորձը, իրենց որակի կառավարման համակարգի կայունությունը և արտադրական խմբաքանակների միջև հետևողականությունը պահպանելու իրենց կարողությունը:

Կիսահաղորդչային արդյունաբերության մատակարարման շղթան անողոք է. ճշգրիտ բաղադրիչը, որը չի համապատասխանում պահանջներին, կարող է հետաձգել սարքավորումների մատակարարումը, փչացնել արտադրական տվյալները կամ անհրաժեշտ դարձնել թանկարժեք դաշտային արդիականացումներ: Պահանջներին համապատասխանող ճշգրիտ գրանիտե հիմքի արժեքը չնչին է չհամապատասխանող հիմքի արժեքի համեմատ:

Եզրակացություն

Գրանիտի դերը կիսահաղորդչային սարքավորումներում անտեսանելի է դիտորդների մեծ մասի համար՝ թաքնված լազերների, էլեկտրոնային ճառագայթների և նանոմասշտաբային օպտիկայի ավելի հմայիչ տեխնոլոգիաների հետևում։ Սակայն այն հիմնարար է։ Կիսահաղորդչային արտադրական սարքավորումների նանոմետրային ճշգրտությունը և կրկնելիությունը հիմնված են ճշգրիտ գրանիտե բաղադրիչների չափային կայունության, թրթռումների մարման և մակերեսի որակի վրա։

Քանի որ կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը շարունակում է տրանզիստորների չափերը ներկայիս սահմաններից ցածր պահել, սարքավորումների յուրաքանչյուր բաղադրիչի, այդ թվում՝ գրանիտե հիմքի նկատմամբ պահանջները միայն կաճի։ Արտադրողները, որոնք կարող են մատակարարել այս զարգացող պահանջները բավարարող գրանիտե բաղադրիչներ՝ ունենալով դա ապացուցող ստուգված չափման տվյալներ, կարևոր դեր կխաղան կիսահաղորդչային տեխնոլոգիայի հաջորդ սերնդի ներդրման գործում։