精密机械概论-洁净技术的建立-201304

8.精密机械概论_洁净技术的建立陈贵荣2013/04E_mail:chen.kueijun@精密机械概论(一)芯片主板计算机主机上游中游下游计算机产业上、中、下游示意图前言洁净室（或称无尘室）机械设计之所以令人望之却步，在于经常要面临两大问题：微粒污染防治组件选用困难由半导体前段制程自动化设备之研究开发切入，分别探讨微粒污染控制、材料及组件选用，并以设备为例作浅要说明。8.1微粒污染控制洁净机械设计与一般机械设计最大的不同，在于对微尘粒子污染的严格要求，后段封装制程要求洁净度约为Class100等级，而前段晶圆制程中的洁净度更要求到Class1等级。一、是选用不会散发出微粒的洁净材料。二、是设备不因机构间相对运动摩擦而产生微粒。三、是设备本身不易累积微粒。洁净标准等级

粒径(μm)微粒限制（颗/ft3）Class1Class10Class100Class1000≧0.51101001000≧0.3330300≧0.27.575750≧0.135350美国联邦洁净标准FED-STD-209E8.1.1洁净材料的选用所谓洁净材料，并非单以肉眼可辨之清洁与否为选用依据，为应付半导体一道又一道繁复制程中的高温及化学品侵蚀，洁净室用材料消极上必须比一般材料具有更耐酸碱或氧化、更高表面精细度或硬度、更佳机械强度及尺寸安定性等特性，积极上材料本身不可劣化或变质而分解出微粒，亦不可产生逸散气体（Outgas）。必须要求于洁净无尘环境中制造生产8.1.2机构间相对运动避免机构产生微粒，最直接的方法就是减低摩擦力。一般而言减低摩擦的方法不外乎：(3)降低物体表面摩擦系数：尽量避免金属与金属间直接摩擦，无法避免时可适量使用洁净室专用润滑剂以降低摩擦系数。(1)以滚动摩擦取代滑动摩擦：一些以滑动方式带动的曲柄连杆机构应尽量避免，并多采用轴承于机构连结部位。(2)减小摩擦面积：例如晶舟之晶圆卡槽设计为斜状开口，使晶圆仅边缘与晶舟接触，降低晶圆与晶舟间之摩擦。设计成金属与塑料接触以降低摩擦最明显的例子，是两囓合齿轮多设计一侧为不锈钢另一侧为塑料材质，摩擦及噪音都获得改善。8.1.3设备不易累积微粒(1)流场：良好的流场规划才能避免产生气流流动死角

而累积微粒。(2)层流：必须尽量保持气流维持在均匀层流状态，紊流或涡流都容易造成微粒扩散。(3)风速：维持风速在0.25~0.5m/s，才能克服微粒因布朗运动的扩散效应，一旦有微粒产生能迅速被带离。(4)压差：洁净室内维持适当的正压，可防止外界微粒侵入。依据洁净室设计原则，良好的洁净室设计必须考虑四点：8.2材料及组件选用原则研发半导体制程设备，洁净度是选用机械材料及机构组件的唯一原则，依前述微粒污染控制为思考主轴，分别探讨洁净室常用材料及组件。8.2.1材料探讨(1)钢铁：钢铁种类繁多，大多数碳钢易生锈而散发微粒污染，仅有不锈钢能使用于洁净室内，如：304系列不锈钢用于一般零件；纯水及气体供应管件或与制程接近之零件需要更高洁净度及耐腐蚀性，多采用316系列不锈钢再经电解抛光处理（Electro-polish）；而螺杆、导杆或滑轨等需较高机械强度的零件可使用440系列（麻田散铁系）不锈钢。(2)铝：铝或铝合金因不易氧化且质量轻，被大量运用于一般设备本体或主结构的构成，半导体设备中多采用耐蚀性较佳之6061系列铝合金，铝合金可再经过阳极硬化处理改善表面硬度以减低因表面刮损而产生微粒。(3)铜：铜或铜合金在半导体设备中应用极少，因铜对酸碱的抗力较差并且铜离子污染对IC制程非常危险，仅有在真空源管路中可见部份黄铜材质管件。(4)塑料：塑料为各种高分子聚合物之统称，共通特性为质轻、耐蚀及绝缘，应用范围极广，一般泛用塑料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）多用于一般化学溶液如乙醇、丙酮或异丙醇等之储存容器或晶圆包装材料，聚碳酸酯（PC）的强度及尺寸安定性较高为晶圆传送盒之主要材料。有些塑料具有极佳润滑及耐酸碱特性如铁氟龙（PTFE,PFA）应用于强酸强碱之容器、化学品供应管路及无给油轴承上，聚氯乙烯（PVC）使用于冷却水及纯水管路，塑料材料更可用混炼（Compound）的方式融合各种不同塑料的优点于一新的合成塑料，即使因摩擦产生微粒，其为高分子有机物较不若金属微粒易造成晶圆严重缺陷。(4)塑料：特殊高等工程塑料的应用在半导体设备极为重要，因为某些塑料具有极佳机械强度，如聚酰亚胺（PI）、Vespel（Dupont公司生产之PI类塑料）可取代一部份金属零件，聚醚醚酮（PEEK）为新一代晶舟（Cassette）之主要材料，ChemicalsDispenseModuleExhaust&DrainModuleSpinModule(Inc.SpinChuck,LoadLockSplashRings,Lift-Pins,etc.)清洗设备之关键模块(5)陶瓷：陶瓷为具有高硬度、绝缘、耐高温、耐腐蚀及极佳精密度等特性之工程材料，极适合运用于半导体设备，但价格昂贵且加工成形不易，目前仅应用于与晶圆直接接触之关键性零件如：机械手臂终端受动器（EndEffector）或反应室及其内之晶圆托盘。(6)润滑剂：传统上润滑剂的功能主要在减低两物体间因接触所产生之摩擦，而在半导体设备中润滑剂还要负责吸附住摩擦产生之微粒以防止其扩散出去，因而对润滑剂的要求较高，润滑剂本身洁净度亦须考虑，传统的润滑剂如：石油基润滑油、合成酯类、胺类及含硅类都具一定挥发性，较不宜运用于半导体设备，目前半导体设备中以氟素润滑剂较为常见，但氟素润滑剂之润滑性较差，黏滞阻力约为石油基润滑油之1.5倍以上，设计机构时动力损失需考虑。8.2.2组件探讨(1)螺杆：螺杆经常是影响一个机械设备整体效能的重要组件，一般机械设计多半使用滚珠螺杆（BallScrew），因其具有高负荷、高精密度、高寿命及低导程误差等优点，而一些OA设备或计算机周边多使用精密度较低之梯形牙导螺杆（TrapezoidalLeadScrew），其螺帽（Nut）多为塑料制品因此具有轻量化、低成本及耐候性佳等优点。随化工机械及半导体设备对螺杆的精密度及耐蚀性要求，使得滚珠螺杆逐渐改良其耐蚀性，而导螺杆承受更高负荷亦更精密，二者之分界愈来愈小。(2)线性轴杆及轴承：在不要求极精密且空间有限的场合，线性轴杆及轴承是一个低成本、易安装的线性导引组件，因其与滚珠螺杆构造类似，都是滚珠与杆件间之相对运动，轴杆及轴承对洁净度可依照滚珠螺杆的考虑。材质必须为不锈钢是基本要求，可视需要对轴杆施以镀膜处理，轴承亦可使用具自润性之工程塑料而不使用滚珠。高精密度要求时可选用线性栓槽轴杆，其为类似线性轴杆之组件，轴杆上之栓槽可拘束轴承之运动方向而提高精密度，但此组件目前并无不锈钢材质，锈蚀问题必须考虑，可对轴杆施以镀膜处理来改善。(3)线性滑轨及滑座：线性滑轨能提供线性运动机构极高精密度之导引，其滑轨及滑座对洁净度要求亦可依照滚珠螺杆的考虑，基本上滑轨及滑座材质必须全为不锈钢，可视需要对滑轨施以镀膜处理，但滑座并无塑料材质可取代。选用滑座时尚须注意不可使用一般机械用滑座，其防尘端盖及垫片可能有毛毡或橡胶等易散发微粒的材质，必须指定洁净室用滑座，其防尘端盖及垫片以塑料制品较不易产生微粒污染。(4)轴承：轴承为量大价廉之标准零件，专为特定用途而生产特殊规格或材质极为困难，因此半导体设备中使用轴承仅能注意必须选用有封闭护盖的型式（型号加UU或ZZ者），并须注意轴承内部润滑油若外漏是否会影响洁净度，尽量勿使轴承裸露于外以免因为锈蚀散发微粒污染。(5)齿轮：齿轮的材质通常为碳钢、不锈钢、黄铜及工程塑料等，半导体设备中仅能使用不锈钢或塑料类齿轮，齿轮运转时接触面囓合摩擦极易产生微粒，应安装于设备内部并适当隔离。(6)销：定位销或弹簧销的标准品多为工具钢，几无不锈钢材质，若用于设备内部的组件装配则较无锈蚀的疑虑，用于设备外部的定位销可考虑用不锈钢棒加工以避免工具钢的锈蚀问题。(7)螺丝、垫片及扣环：不锈钢材质零件已相当普遍，必须选用不锈钢材质。8.3洁净机械设计例基本上，洁净机械的设计与一般机械设计的步骤并无不同，都是先确认设备需求的性能及规格，其次展开概念设计，同时收集各种材料及标准组件型录数据以选用适当零组件，然后开始设计整体机构并绘制组合图，而后拆成各部份零件详细设计图面，分包加工，最后组装修配。如何满足设备对高洁净度的要求，除了基本结构设计外，洁净材料及组件选用为最大关键。8.4验证测试可靠度测试任何设备开发完成必先经过马拉松长期测试后确认其可靠度或稳定度等皆符合要求后，方能推出市场，半导体设备的可靠度、可用度及保养性（Reliability,AvailabilityandMaintainability，简称RAM）由SEMIStandardsE10所规范，内容旨在建立设备供货商与用户间对设备性能的量测基准，其中对设备的生产状态、待机状态、维护状态及当机状态等皆有严谨定义，当设备持续长时间运转后，对状态与时间做统计分析即可验证设备的可靠度。洁净度测试(1)微粒测试：人眼可视的微尘粒子大小约为10μm以上，对于次微米级的微粒，必须以精密仪器检测，例如气体微粒计数器（AirborneParticleCounter）用于检测洁净室环境及制程自动化设备中以空气为媒介扩散之微粒，而液体微粒计数器（LiquidParticleCounter）用于检测湿式制程或清洗设备中纯水所含微粒，本文之升降平台设备属前者，系以气体微粒计数器检测之。检测设备的洁净度之前必须先确认测试环境的洁净度，必须在Class1等级之洁净室内或是于Class100或1000洁净室中辅以Class1等级洁净工作台（CleanBench），设备进入洁净室前必须先擦拭，进入洁净室后先静置10分钟以上，待由外界带入的粉尘微粒沈降之后再行测试。设备在测试初期可能会因外界带入的微粒附着于零件表面或仪器管路内累积之微粒未完全清除，而呈现洁净度不佳的状况，因此初期测试数据应视为统计学上之离群读数予以舍弃不计。设备较易产生微粒处或接近晶圆位置都应列为测试点，每一点测试时间每次应持续10分钟以上求其平均值。(2)PWP测试：

所谓PWP（ParticlesperWaferPass）是指一片晶圆经过一制程设备后晶圆表面增加微粒的平均数量，规范于SEMIStandardsE14，定义PWP测试目的在于提供一个量化的标准方法及详细程序以量测一制程或设备的微粒污染是否合于规格，设备供货商及设备使用者都采用同一测试方法才能确保对设备洁净度效能的认知上一致。量测PWP之前必须对测试规格定义清楚，如晶圆种类（DummyWaferorControlWafer）及微粒大小等，量测时令晶圆送入待测设备走完一次循环后，使用晶圆表面微粒扫描仪（WaferSurfaceScanner）检测晶圆表面微粒，至少需测试10片晶圆，每片晶圆走10次循环，最后统计出PWP数据。8.5SMIF机械界面标准化洁净机械设计为目前极具前瞻及需求的发展方向，运用范围广及半导体、微机电及生物医学等领域，譬如SMIF（StandardMechanicalInterFace）技术就是在半导体厂内晶圆传送过程中，将晶圆于制程设备加载及卸除之机械界面标准化，可大幅提高洁净度及生产效率，便是洁净机械运用的最佳例证。何谓标准机械接口?概念由美国HP公司在1984年提出并订名为StandardMechanicalInterface(SMIF，标准机械接口）「将生产设备置于洁净室内」的观念转换成「将洁净室置于生产设备内」台湾集成电路公司（tsmc）二厂于1989年率先运用300mm(12吋)晶圆厂标准配备SMIF技术概念资数据源：SemiconductorInternational,12,1997SMIFFab

200mmSMIF晶圆厂资数据源：InfabSMIFFab

300mmSMIF晶圆厂资数据源：SEMILoad/Unload概念资数据源：RORZE_25300mmSorterRSC142机械所SMIF技术研发Class0.1UL94防火标准MCBF：≧100,000cyclesPWP：≦0.025@0.2μm晶圆隔离自动传输技术８吋SMIF设备12吋SMIF设备LoadPortFOUPN2ChargerLPTIndexerPOD定位精度：±0.1mm可靠度：＞50,000次可靠度＞50,000次Load/UnloadCycleTime：<55秒洁净度：Class1充填时间：≦6分／个符合SEMI标准Load/UnloadCycleTime：<40秒Class0.1UL94防火标准MCBF：≧100,000cycles技术发展实例PodIndexerLPTFOUPLoadPort300mmSMIF200mmSMIFAutomatedToolFrontEndAutomatedToolFrontEndN2Charger核心技术晶圆隔离技术低发尘机构设计与组件选用运动控制与应用表面处理技术通讯界面人机界面感测应用气体流场分析抗静电设计ContaminationControl洁净机械设计技术电控/系统整合技术Mini-environment设计技术洁净机械制造装配技术装配调校组件清洗与包装高科技产业虽日新月异，但也需要传统产业的基础支持，传统产业若不能跳脱以往劳力密集或以量制价的模式，转型往高精密度、高洁净度或高技术层次发展，将逐渐面临被淘汰的命运。机械设计本质上虽予人传统产业的印象，但应用于新兴高科技领域中仍有一片天地值得开发，机械设计人员要提升自我层次，跻身高科技之林，端赖如何将原