精密機(jī)械概論-潔凈技術(shù)的建立-201304

8.精密機(jī)械概論_潔凈技術(shù)的建立陳貴榮2013/04E_mail:chen.kueijun@精密機(jī)械概論(一)芯片主板計(jì)算機(jī)主機(jī)上游中游下游計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)上、中、下游示意圖前言潔凈室（或稱無塵室）機(jī)械設(shè)計(jì)之所以令人望之卻步，在于經(jīng)常要面臨兩大問題：微粒污染防治組件選用困難由半導(dǎo)體前段制程自動(dòng)化設(shè)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(shè)備為例作淺要說明。8.1微粒污染控制潔凈機(jī)械設(shè)計(jì)與一般機(jī)械設(shè)計(jì)最大的不同，在于對(duì)微塵粒子污染的嚴(yán)格要求，后段封裝制程要求潔凈度約為Class100等級(jí)，而前段晶圓制程中的潔凈度更要求到Class1等級(jí)。一、是選用不會(huì)散發(fā)出微粒的潔凈材料。二、是設(shè)備不因機(jī)構(gòu)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦而產(chǎn)生微粒。三、是設(shè)備本身不易累積微粒。潔凈標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)

粒徑(μm)微粒限制（顆/ft3）Class1Class10Class100Class1000≧0.51101001000≧0.3330300≧0.27.575750≧0.135350美國(guó)聯(lián)邦潔凈標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)付半導(dǎo)體一道又一道繁復(fù)制程中的高溫及化學(xué)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(xì)度或硬度、更佳機(jī)械強(qiáng)度及尺寸安定性等特性，積極上材料本身不可劣化或變質(zhì)而分解出微粒，亦不可產(chǎn)生逸散氣體（Outgas）。必須要求于潔凈無塵環(huán)境中制造生產(chǎn)8.1.2機(jī)構(gòu)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)避免機(jī)構(gòu)產(chǎn)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(shí)可適量使用潔凈室專用潤(rùn)滑劑以降低摩擦系數(shù)。(1)以滾動(dòng)摩擦取代滑動(dòng)摩擦：一些以滑動(dòng)方式帶動(dòng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量避免，并多采用軸承于機(jī)構(gòu)連結(jié)部位。(2)減小摩擦面積：例如晶舟之晶圓卡槽設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一側(cè)為不銹鋼另一側(cè)為塑料材質(zhì)，摩擦及噪音都獲得改善。8.1.3設(shè)備不易累積微粒(1)流場(chǎng)：良好的流場(chǎng)規(guī)劃才能避免產(chǎn)生氣流流動(dòng)死角

而累積微粒。(2)層流：必須盡量保持氣流維持在均勻?qū)恿鳡顟B(tài)，紊流或渦流都容易造成微粒擴(kuò)散。(3)風(fēng)速：維持風(fēng)速在0.25~0.5m/s，才能克服微粒因布朗運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散效應(yīng)，一旦有微粒產(chǎn)生能迅速被帶離。(4)壓差：潔凈室內(nèi)維持適當(dāng)?shù)恼龎?，可防止外界微粒侵入。依?jù)潔凈室設(shè)計(jì)原則，良好的潔凈室設(shè)計(jì)必須考慮四點(diǎn)：8.2材料及組件選用原則研發(fā)半導(dǎo)體制程設(shè)備，潔凈度是選用機(jī)械材料及機(jī)構(gòu)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(nèi)，如：304系列不銹鋼用于一般零件；純水及氣體供應(yīng)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(jīng)電解拋光處理（Electro-polish）；而螺桿、導(dǎo)桿或滑軌等需較高機(jī)械強(qiáng)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(zhì)量輕，被大量運(yùn)用于一般設(shè)備本體或主結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，半導(dǎo)體設(shè)備中多采用耐蝕性較佳之6061系列鋁合金，鋁合金可再經(jīng)過陽極硬化處理改善表面硬度以減低因表面刮損而產(chǎn)生微粒。(3)銅：銅或銅合金在半導(dǎo)體設(shè)備中應(yīng)用極少，因銅對(duì)酸堿的抗力較差并且銅離子污染對(duì)IC制程非常危險(xiǎn)，僅有在真空源管路中可見部份黃銅材質(zhì)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(zhì)輕、耐蝕及絕緣，應(yīng)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(xué)溶液如乙醇、丙酮或異丙醇等之儲(chǔ)存容器或晶圓包裝材料，聚碳酸酯（PC）的強(qiáng)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(rùn)滑及耐酸堿特性如鐵氟龍（PTFE,PFA）應(yīng)用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿之容器、化學(xué)品供應(yīng)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(diǎn)于一新的合成塑料，即使因摩擦產(chǎn)生微粒，其為高分子有機(jī)物較不若金屬微粒易造成晶圓嚴(yán)重缺陷。(4)塑料：特殊高等工程塑料的應(yīng)用在半導(dǎo)體設(shè)備極為重要，因?yàn)槟承┧芰暇哂袠O佳機(jī)械強(qiáng)度，如聚酰亞胺（PI）、Vespel（Dupont公司生產(chǎn)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(shè)備之關(guān)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(yùn)用于半導(dǎo)體設(shè)備，但價(jià)格昂貴且加工成形不易，目前僅應(yīng)用于與晶圓直接接觸之關(guān)鍵性零件如：機(jī)械手臂終端受動(dòng)器（EndEffector）或反應(yīng)室及其內(nèi)之晶圓托盤。(6)潤(rùn)滑劑：傳統(tǒng)上潤(rùn)滑劑的功能主要在減低兩物體間因接觸所產(chǎn)生之摩擦，而在半導(dǎo)體設(shè)備中潤(rùn)滑劑還要負(fù)責(zé)吸附住摩擦產(chǎn)生之微粒以防止其擴(kuò)散出去，因而對(duì)潤(rùn)滑劑的要求較高，潤(rùn)滑劑本身潔凈度亦須考慮，傳統(tǒng)的潤(rùn)滑劑如：石油基潤(rùn)滑油、合成酯類、胺類及含硅類都具一定揮發(fā)性，較不宜運(yùn)用于半導(dǎo)體設(shè)備，目前半導(dǎo)體設(shè)備中以氟素潤(rùn)滑劑較為常見，但氟素潤(rùn)滑劑之潤(rùn)滑性較差，黏滯阻力約為石油基潤(rùn)滑油之1.5倍以上，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)動(dòng)力損失需考慮。8.2.2組件探討(1)螺桿：螺桿經(jīng)常是影響一個(gè)機(jī)械設(shè)備整體效能的重要組件，一般機(jī)械設(shè)計(jì)多半使用滾珠螺桿（BallScrew），因其具有高負(fù)荷、高精密度、高壽命及低導(dǎo)程誤差等優(yōu)點(diǎn)，而一些OA設(shè)備或計(jì)算機(jī)周邊多使用精密度較低之梯形牙導(dǎo)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(diǎn)。隨化工機(jī)械及半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)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(dǎo)螺桿承受更高負(fù)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(chǎng)合，線性軸桿及軸承是一個(gè)低成本、易安裝的線性導(dǎo)引組件，因其與滾珠螺桿構(gòu)造類似，都是滾珠與桿件間之相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸桿及軸承對(duì)潔凈度可依照滾珠螺桿的考慮。材質(zhì)必須為不銹鋼是基本要求，可視需要對(duì)軸桿施以鍍膜處理，軸承亦可使用具自潤(rùn)性之工程塑料而不使用滾珠。高精密度要求時(shí)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(yùn)動(dòng)方向而提高精密度，但此組件目前并無不銹鋼材質(zhì)，銹蝕問題必須考慮，可對(duì)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)極高精密度之導(dǎo)引，其滑軌及滑座對(duì)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(zhì)必須全為不銹鋼，可視需要對(duì)滑軌施以鍍膜處理，但滑座并無塑料材質(zhì)可取代。選用滑座時(shí)尚須注意不可使用一般機(jī)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(zhì)，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(chǎn)生微粒污染。(4)軸承：軸承為量大價(jià)廉之標(biāo)準(zhǔn)零件，專為特定用途而生產(chǎn)特殊規(guī)格或材質(zhì)極為困難，因此半導(dǎo)體設(shè)備中使用軸承僅能注意必須選用有封閉護(hù)蓋的型式（型號(hào)加UU或ZZ者），并須注意軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油若外漏是否會(huì)影響潔凈度，盡量勿使軸承裸露于外以免因?yàn)殇P蝕散發(fā)微粒污染。(5)齒輪：齒輪的材質(zhì)通常為碳鋼、不銹鋼、黃銅及工程塑料等，半導(dǎo)體設(shè)備中僅能使用不銹鋼或塑料類齒輪，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)接觸面囓合摩擦極易產(chǎn)生微粒，應(yīng)安裝于設(shè)備內(nèi)部并適當(dāng)隔離。(6)銷：定位銷或彈簧銷的標(biāo)準(zhǔn)品多為工具鋼，幾無不銹鋼材質(zhì)，若用于設(shè)備內(nèi)部的組件裝配則較無銹蝕的疑慮，用于設(shè)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(zhì)零件已相當(dāng)普遍，必須選用不銹鋼材質(zhì)。8.3潔凈機(jī)械設(shè)計(jì)例基本上，潔凈機(jī)械的設(shè)計(jì)與一般機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟并無不同，都是先確認(rèn)設(shè)備需求的性能及規(guī)格，其次展開概念設(shè)計(jì)，同時(shí)收集各種材料及標(biāo)準(zhǔn)組件型錄數(shù)據(jù)以選用適當(dāng)零組件，然后開始設(shè)計(jì)整體機(jī)構(gòu)并繪制組合圖，而后拆成各部份零件詳細(xì)設(shè)計(jì)圖面，分包加工，最后組裝修配。如何滿足設(shè)備對(duì)高潔凈度的要求，除了基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，潔凈材料及組件選用為最大關(guān)鍵。8.4驗(yàn)證測(cè)試可靠度測(cè)試任何設(shè)備開發(fā)完成必先經(jīng)過馬拉松長(zhǎng)期測(cè)試后確認(rèn)其可靠度或穩(wěn)定度等皆符合要求后，方能推出市場(chǎng)，半導(dǎo)體設(shè)備的可靠度、可用度及保養(yǎng)性（Reliability,AvailabilityandMaintainability，簡(jiǎn)稱RAM）由SEMIStandardsE10所規(guī)范，內(nèi)容旨在建立設(shè)備供貨商與用戶間對(duì)設(shè)備性能的量測(cè)基準(zhǔn)，其中對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、維護(hù)狀態(tài)及當(dāng)機(jī)狀態(tài)等皆有嚴(yán)謹(jǐn)定義，當(dāng)設(shè)備持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)狀態(tài)與時(shí)間做統(tǒng)計(jì)分析即可驗(yàn)證設(shè)備的可靠度。潔凈度測(cè)試(1)微粒測(cè)試：人眼可視的微塵粒子大小約為10μm以上，對(duì)于次微米級(jí)的微粒，必須以精密儀器檢測(cè)，例如氣體微粒計(jì)數(shù)器（AirborneParticleCounter）用于檢測(cè)潔凈室環(huán)境及制程自動(dòng)化設(shè)備中以空氣為媒介擴(kuò)散之微粒，而液體微粒計(jì)數(shù)器（LiquidParticleCounter）用于檢測(cè)濕式制程或清洗設(shè)備中純水所含微粒，本文之升降平臺(tái)設(shè)備屬前者，系以氣體微粒計(jì)數(shù)器檢測(cè)之。檢測(cè)設(shè)備的潔凈度之前必須先確認(rèn)測(cè)試環(huán)境的潔凈度，必須在Class1等級(jí)之潔凈室內(nèi)或是于Class100或1000潔凈室中輔以Class1等級(jí)潔凈工作臺(tái)（CleanBench），設(shè)備進(jìn)入潔凈室前必須先擦拭，進(jìn)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(cè)試。設(shè)備在測(cè)試初期可能會(huì)因外界帶入的微粒附著于零件表面或儀器管路內(nèi)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(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)視為統(tǒng)計(jì)學(xué)上之離群讀數(shù)予以舍棄不計(jì)。設(shè)備較易產(chǎn)生微粒處或接近晶圓位置都應(yīng)列為測(cè)試點(diǎn)，每一點(diǎn)測(cè)試時(shí)間每次應(yīng)持續(xù)10分鐘以上求其平均值。(2)PWP測(cè)試：

所謂PWP（ParticlesperWaferPass）是指一片晶圓經(jīng)過一制程設(shè)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(cè)試目的在于提供一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)方法及詳細(xì)程序以量測(cè)一制程或設(shè)備的微粒污染是否合于規(guī)格，設(shè)備供貨商及設(shè)備使用者都采用同一測(cè)試方法才能確保對(duì)設(shè)備潔凈度效能的認(rèn)知上一致。量測(cè)PWP之前必須對(duì)測(cè)試規(guī)格定義清楚，如晶圓種類（DummyWaferorControlWafer）及微粒大小等，量測(cè)時(shí)令晶圓送入待測(cè)設(shè)備走完一次循環(huán)后，使用晶圓表面微粒掃描儀（WaferSurfaceScanner）檢測(cè)晶圓表面微粒，至少需測(cè)試10片晶圓，每片晶圓走10次循環(huán)，最后統(tǒng)計(jì)出PWP數(shù)據(jù)。8.5SMIF機(jī)械界面標(biāo)準(zhǔn)化潔凈機(jī)械設(shè)計(jì)為目前極具前瞻及需求的發(fā)展方向，運(yùn)用范圍廣及半導(dǎo)體、微機(jī)電及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，譬如SMIF（StandardMechanicalInterFace）技術(shù)就是在半導(dǎo)體廠內(nèi)晶圓傳送過程中，將晶圓于制程設(shè)備加載及卸除之機(jī)械界面標(biāo)準(zhǔn)化，可大幅提高潔凈度及生產(chǎn)效率，便是潔凈機(jī)械運(yùn)用的最佳例證。何謂標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口?概念由美國(guó)HP公司在1984年提出并訂名為StandardMechanicalInterface(SMIF，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口）「將生產(chǎn)設(shè)備置于潔凈室內(nèi)」的觀念轉(zhuǎn)換成「將潔凈室置于生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)」臺(tái)灣集成電路公司（tsmc）二廠于1989年率先運(yùn)用300mm(12吋)晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)配備SMIF技術(shù)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(jī)械所SMIF技術(shù)研發(fā)Class0.1UL94防火標(biāo)準(zhǔn)MCBF：≧100,000cyclesPWP：≦0.025@0.2μm晶圓隔離自動(dòng)傳輸技術(shù)８吋SMIF設(shè)備12吋SMIF設(shè)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(shí)間：≦6分／個(gè)符合SEMI標(biāo)準(zhǔn)Load/UnloadCycleTime：<40秒Class0.1UL94防火標(biāo)準(zhǔn)MCBF：≧100,000cycles技術(shù)發(fā)展實(shí)例PodIndexerLPTFOUPLoadPort300mmSMIF200mmSMIFAutomatedToolFrontEndAutomatedToolFrontEndN2Charger核心技術(shù)晶圓隔離技術(shù)低發(fā)塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與組件選用運(yùn)動(dòng)控制與應(yīng)用表面處理技術(shù)通訊界面人機(jī)界面感測(cè)應(yīng)用氣體流場(chǎng)分析抗靜電設(shè)計(jì)ContaminationControl潔凈機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)電控/系統(tǒng)整合技術(shù)Mini-environment設(shè)計(jì)技術(shù)潔凈機(jī)械制造裝配技術(shù)裝配調(diào)校組件清洗與包裝高科技產(chǎn)業(yè)雖日新月異，但也需要傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)支持，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)若不能跳脫以往勞力密集或以量制價(jià)的模式，轉(zhuǎn)型往高精密度、高潔凈度或高技術(shù)層次發(fā)展，將逐漸面臨被淘汰的命運(yùn)。機(jī)械設(shè)計(jì)本質(zhì)上雖予人傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的印象，但應(yīng)用于新興高科技領(lǐng)域中仍有一片天地值得開發(fā)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員要提升自我層次，躋身高科技之林，端賴如何將原