Uđite u wafer fab ili ametrologija poluprovodnikalaboratoriju i primijetit ćete nešto što nema nikakve veze sa silicijumom: mašine sjede na kamenu. Ne mramorne ploče za prikaz - stvarnog granita iz kamenoloma, ravno brušene na dijelove mikrona, noseći instrumente vrijedne više od zgrade oko njih. To je na prvi pogled čudan spoj, jedan od najstarijih građevinskih materijala na zemlji koji podržava neke od najnaprednijih mjernih tehnologija koje su ljudi izgradili. Ali razlozi za to su gotovo u potpunosti mehanički, a ne estetski.
Tolerancije nanometara ne opraštaju pokrete
Moderni poluvodički procesi rade na veličinama karakteristika mjerenih u jednocifrenim-nanometrima. Preklapajući metrološki alati - oprema koja provjerava da li je jedan sloj sa uzorkom na pločici ispravno postavljen sa slojem ispod - rutinski treba da riješi pozicijske greške manje od širine lanca DNK. Na toj skali, osnovna platforma koja se pomera, savija ili pomera čak i neznatno uvodi grešku merenja koju nikakva softverska kompenzacija ne može u potpunosti ispraviti.
Ovo je osnovni problem koji granit rješava. Nije odabran zato što je tradicionalan ili zato što izgleda precizno - odabran je zato što njegova kombinacija krutosti, niske termičke ekspanzije i unutrašnjeg prigušenja nadmašuje metale na upravo one načine koji su važni za stacionarnu mjernu platformu. CMM ili AOI (automatska optička inspekcija) sistem ne mora biti lagan ili lak za preoblikovanje na-lokaciji. Treba da stoji mirno, da ostane ravan i da ostane postavljen - godinama, uz kontinuiranu upotrebu, u prostoriji u kojoj sam sistem za obradu vazduha stvara slab, ali konstantan protok vazduha i mikro-vibracije.
Termička stabilnost u prostoriji koja bi već trebala biti stabilna
Fabrike poluprovodnika su poznate po agresivnoj kontroli okoliša - čistim sobama koje se drže unutar djelića stepena, vlažnosti zaključane na čvrste trake. Bilo bi razumno pretpostaviti da je u takvom kontroliranom okruženju izbor osnovnog materijala manje bitan. U praksi je često suprotno. Kada su ambijentalni uslovi već strogo kontrolisani, preostali izvori toplotnih smetnji postaju dominantni umesto da budu maskirani većim zamahom: toplota od stepena motora, od operatera koji stoje blizu alata, od susedne procesne opreme koja se uključuje i isključuje. Metalna baza će brzo pokupiti i zračiti tu lokaliziranu toplinu. Niska toplotna provodljivost granita znači da apsorbuje ova mala, prolazna opterećenja mnogo sporije, efikasno filtrirajući smetnje koje bi se inače pokazale kao šum merenja.
To je također razlog zašto su granitni zračni ležajevi - ravni granitni putevi u kombinaciji saklizači sa zračnim{0}}ima- ostaju uobičajeni u sistemima za rukovanje pločicama i končanicama{1}}, čak i kada su se neke druge precizne aplikacije pomjerile prema egzotičnim kompozitima. Vazdušnom ležaju je potrebna izuzetno ravna, izuzetno stabilna referentna površina za vožnju; svako odstupanje se pojavljuje direktno kao greška pozicioniranja. Granit obložen do ispod-mikronske ravnosti daje referentnu površinu bez puzanja i termičkog odstupanja koje metalni način može razviti tokom godina rada.
Prigušivanje u objektu punom pokretnih mašina
Fab sprat nije mehanički tiho mjesto, čak i ako je akustički{0}}tiho. Uređaji za rukovanje pločicama, pumpe, rashladni uređaji i desetine drugih alata rade istovremeno, pri čemu svaki doprinosi slabim strukturalnim vibracijama u zgradi. Metrološki alati koji se nalaze na granitnim podlogama imaju koristi od visokog unutrašnjeg prigušenja - vibracijske energije materijala koja ulazi u granit raspršuje se brže nego što bi to bilo u ekvivalentnoj čeličnoj ili liveno-gvozdenoj strukturi, tako da se merna glava brže postavlja u stabilno očitavanje nakon bilo kakvog poremećaja. U fab okruženjima vođenim propusnošću{5}}, gdje metrološka stanica možda provjerava stotine wafera po smjeni, to vrijeme poravnanja se zbraja direktno u vrijeme ciklusa.
Gdje se granit pojavljuje na alatu
U praksi, granitne komponente se pojavljuju u nekoliko različitih uloga unutar poluvodičke opreme, a ne kao jedna monolitna baza:
Mašinske baze i mostovi za CMM, AOI sisteme i preklopne metrološke alate, obezbeđujući strukturnu referencu oko koje je izgrađen ceo sistem.
Granitni zračni{0}}putevi za vaferne stepenice i XY pozicione stolove, gdje ravnost direktno određuje tačnost pozicioniranja.
Površinske ploče koje se koriste tokom sastavljanja alata i kalibracije - prije nego što sistem ikada stigne do kupca, obično se poravnavaju i verificiraju na granitnoj referentnoj ploči u vlastitom pogonu proizvođača.
Strukturne komponente za laserske-bazirane inspekcijske alate, uključujući femtosekundne i pikosekundne laserske sisteme, gdje stabilnost{1}}puta zraka zavisi od krutosti svega na što je montirana optika.
Napomena o izvorima
Nije sav granit ekvivalentan za ovu vrstu posla, i tu kupci povremeno upadaju u nevolje. Gustina i mineralni sastav značajno variraju u zavisnosti od kamenoloma, a neki dobavljači s nižim{1}}skupljima zamjenjuju mermer ili kamen niže-klase koji izgleda slično, ali ima lošiju tvrdoću i stabilnost. Za primjene na nivou poluprovodnika-, brojke gustine u rasponu od otprilike 3.000 kg/m³ ili više su tipične za pravi crni granit visokog -klase, a legitimni dobavljač bi trebao biti u mogućnosti pružiti dokumentaciju za ispitivanje materijala, a ne samo gotovi dio.
Kompanije kao što je UNPARALLELED, koje proizvode granitne baze posebno za mjeriteljstvo i poluvodičku opremu, obično obrađuju i preklapaju ove komponente u objektima{0}}kontrolisanim klimom i provjeravaju ravnost u odnosu na instrumente koji se mogu pratiti nacionalnim mjeriteljskim institutima - nivo kontrole procesa koji je važniji za ovu primjenu nego za gotovo bilo koju drugu upotrebu granita u industriji.
Kako se karakteristike čipa nastavljaju smanjivati, mehanički zahtjevi na platformama koje vrše mjerenje će se također povećavati. Podsjetnik je da je u ultra-preciznoj proizvodnji najnapredniji dio sistema ponekad najstariji materijal u njemu - samo isječen, samljeven i verificiran prema standardu koji drevni kamenolomi nikada nisu morali ispuniti.