સેમિકન્ડક્ટર સાધનોમાં ગ્રેનાઈટ ઘટકોની ભૂમિકા

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ માપી શકાય તેવી અને ઉત્પાદન કરી શકાય તેવી ભૌતિક મર્યાદાઓ પર કાર્ય કરે છે. આધુનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટમાં 3 નેનોમીટરથી ઓછી ગેટ લંબાઈવાળા ટ્રાન્ઝિસ્ટર હોય છે - એવા પરિમાણો કે જેના પર એક સિલિકોન અણુ નિર્ણાયક ફીચર કદના અર્થપૂર્ણ અપૂર્ણાંકનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. લિથોગ્રાફી સિસ્ટમ્સ, વેફર નિરીક્ષણ સાધનો અને મેટ્રોલોજી સાધનો જે આ માળખાં બનાવે છે અને ચકાસે છે તે સ્થિતિ ચોકસાઈ, કંપન અલગતા અને પરિમાણીય સ્થિરતા પ્રાપ્ત કરવા જોઈએ જે ફક્ત બે દાયકા પહેલા અશક્ય લાગતું હતું.

છતાં અસાધારણ ટેકનોલોજીથી ભરેલા આ ઓરડાઓમાં, સૌથી મહત્વપૂર્ણ માળખાકીય સામગ્રીમાંની એક પ્રાચીન વસ્તુ છે: ગ્રેનાઈટ. ચોકસાઇ-મશીન, થર્મલી નિયંત્રિત કાળો ગ્રેનાઈટ વિશ્વના ઘણા અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર સાધનો પ્લેટફોર્મનો માળખાકીય આધાર બનાવે છે. શા માટે - અને શા માટે બધા ગ્રેનાઈટ સમાન નથી - તે સમજવું સેમિકન્ડક્ટર સાધનો એન્જિનિયરિંગના એક મહત્વપૂર્ણ અને ઘણીવાર અવગણવામાં આવતા પાસાને પ્રકાશિત કરે છે.

સેમિકન્ડક્ટર સાધનોનું વાતાવરણ: આધાર શું ટકી રહેવો જોઈએ

ફોટોલિથોગ્રાફી એક્સપોઝર સિસ્ટમ (સ્કેનર અથવા સ્ટેપર) સ્વચ્છ રૂમ વાતાવરણમાં કાર્ય કરે છે જ્યાં હવામાં રહેલા કણોની ગણતરી વર્ગ 1 અથવા વર્ગ 10 સ્તરો સુધી નિયંત્રિત થાય છે - એટલે કે 0.5 μm અથવા તેનાથી વધુ હવામાં પ્રતિ ઘન ફૂટ 1 અથવા 10 કરતા ઓછા કણો. ઉપકરણે પોતે 1 નેનોમીટરથી નીચે સ્ટેજ પોઝિશનિંગ રિપીટેબિલિટી, 2 નેનોમીટરથી નીચે ઓવરલે ચોકસાઈ અને થોડા નેનોમીટરની અંદર 300 મીમી વેફરમાં ફોકસ એકરૂપતા પ્રાપ્ત કરવી આવશ્યક છે.

આ કાર્ય પૂર્ણ કરનાર વેફર સ્ટેજ 1 મીટર પ્રતિ સેકન્ડથી વધુ ઝડપે ગતિ કરે છે, 10 ગ્રામથી વધુ દરે ગતિ અને ધીમી ગતિ કરે છે, અને આ ચક્રને પ્રતિ કલાક હજારો વખત પુનરાવર્તિત કરે છે - દર કલાકે, દરરોજ, વર્ષો સુધી. આ સ્ટેજને ટેકો આપતો ગ્રેનાઈટ બેઝ વાળવો, સરકતો અથવા પડઘો પાડતો ન હોવો જોઈએ જે સ્ટેજના સ્થાન માપનને દૂષિત કરે છે. તે ઉપકરણની થર્મલ ઓપરેટિંગ રેન્જમાં પરિમાણીય રીતે સ્થિર રહેવું જોઈએ. અને તે સિસ્ટમના ઓપરેટિંગ જીવનકાળ માટે, જે એક દાયકા કે તેથી વધુ હોઈ શકે છે, આ બધું વિશ્વસનીય રીતે કરવું જોઈએ.

આ હળવી ઓપરેટિંગ પરિસ્થિતિઓ નથી. તેઓ દરેક ઘટક પર ભારે માંગ કરે છે - જેમાં દેખીતી રીતે નિષ્ક્રિય ગ્રેનાઈટ બેઝનો સમાવેશ થાય છે.

વાઇબ્રેશન આઇસોલેશન અને ડેમ્પિંગ: ગ્રેનાઈટનો ભૌતિક ફાયદો

સેમિકન્ડક્ટર સુવિધાઓ વાઇબ્રેશન આઇસોલેશનમાં ખૂબ રોકાણ કરે છે - બિલ્ડિંગ ફાઉન્ડેશન (જે ન્યુમેટિક આઇસોલેટરના એરે પર માઉન્ટ કરી શકાય છે) થી લઈને સાધનો-સ્તરની સક્રિય વાઇબ્રેશન રદ કરવાની સિસ્ટમ્સ સુધી. પરંતુ આ સિસ્ટમોની મર્યાદાઓ છે. તેઓ બધા વાઇબ્રેશનને દૂર કરી શકતા નથી, અને તેઓ બધી ફ્રીક્વન્સીઝ પર તાત્કાલિક પ્રતિક્રિયા આપી શકતા નથી. ગ્રેનાઈટ મશીન બેઝ વાઇબ્રેશન આઇસોલેશનનો અંતિમ નિષ્ક્રિય તબક્કો પૂરો પાડે છે.

વાઇબ્રેશન ડેમ્પિંગનું ભૌતિકશાસ્ત્ર ઉચ્ચ દળ અને ચોક્કસ દળ ક્ષમતા ધરાવતી સામગ્રીની તરફેણ કરે છે. ઉચ્ચ-ઘનતાવાળા કાળા ગ્રેનાઈટ - ઇન્ટરલોક્ડ ક્વાર્ટઝ, ફેલ્ડસ્પાર અને અભ્રક સ્ફટિકોના સ્ફટિકીય માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર સાથે - દળ અસરો અને અનાજની સીમા ઘર્ષણના સંયોજન દ્વારા યાંત્રિક સ્પંદનોનું ઉત્તમ આંતરિક દળ પૂરું પાડે છે. ફ્લોર દ્વારા અથવા ગતિશીલ તબક્કાના પ્રતિક્રિયા દળો દ્વારા આધારમાં પ્રવેશતા સ્પંદનો ગ્રેનાઈટમાં શોષાય છે અને વિખેરાઈ જાય છે તે પહેલાં તેઓ સંવેદનશીલ માપન પ્રણાલીઓમાં પાછા ફેલાય છે.

સ્ટીલની ઉચ્ચ તાણ શક્તિ હોવા છતાં, ગ્રેનાઈટ આ બાબતમાં સ્ટીલ કરતાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે. તેનું કારણ સ્ફટિકીય સૂક્ષ્મ માળખામાં રહેલું છે: ગ્રેનાઈટનું પોલીક્રિસ્ટલાઇન અનાજ માળખું અનાજની સીમાઓ પર કંપન ઊર્જાને વિખેરી નાખે છે અને શોષી લે છે, જ્યારે સ્ટીલનું ક્રમબદ્ધ સ્ફટિકીય માળખું કંપન વધુ કાર્યક્ષમ રીતે ચલાવે છે. કાસ્ટ આયર્ન ભીનાશ માટે સ્ટીલ કરતાં વધુ સારું છે, તેથી જ તેનો ઉપયોગ ઐતિહાસિક રીતે ચોકસાઇ મશીન ટૂલ બેઝ માટે થતો હતો - પરંતુ ચોકસાઇ ગ્રેનાઈટ હજુ પણ વધુ સારું છે.

થર્મલ સ્ટેબિલિટી: નેનોમીટર રિપીટેબિલિટીનો પાયો

નેનોમીટર સ્કેલ પર, થર્મલ સ્થિરતા એ પરિમાણીય પુનરાવર્તિતતાને નિયંત્રિત કરતું મુખ્ય પરિબળ છે. 1-મીટર સ્ટીલ ઘટકમાં 1°C તાપમાનમાં ફેરફાર આશરે 11.7 માઇક્રોમીટર થર્મલ વિસ્તરણનું કારણ બને છે - 11,700 નેનોમીટર. ગ્રેનાઈટમાં, સમકક્ષ વિસ્તરણ સામાન્ય રીતે 6-8 માઇક્રોમીટર હોય છે, જે સ્ટીલ કરતા લગભગ અડધું હોય છે. અલ્ટ્રા-લો એક્સપાન્શન ગ્લાસ સિરામિક્સ (જેમ કે ઝીરોદુર અથવા ULE) માં, તે પ્રતિ ડિગ્રી માત્ર 0-0.02 માઇક્રોમીટર છે - પરંતુ આ સામગ્રીઓ ઘણી વધુ ખર્ચાળ છે અને મશીન બેઝ માટે જરૂરી મોટા કદમાં પ્રક્રિયા કરવી મુશ્કેલ છે.

સેમિકન્ડક્ટર સાધનોના પાયા માટે, ગ્રેનાઈટનું થર્મલ વિસ્તરણ વર્તન માત્ર ઓછું જ નહીં પરંતુ અનુમાનિત પણ હોવું જોઈએ. ડિઝાઇનર્સ ગ્રેનાઈટના જાણીતા CTE નો ઉપયોગ સ્ટેજના થર્મલ વળતરને એન્જિનિયર કરવા માટે કરે છે.સ્થિતિ માપન પદ્ધતિ. અણધારી અથવા અવકાશી રીતે બદલાતી CTE - જે ઓછી ગુણવત્તાવાળા અથવા અયોગ્ય રીતે પસંદ કરેલા ગ્રેનાઈટમાં થઈ શકે છે - તે વળતરને અશક્ય બનાવે છે અને તાપમાન-આધારિત સ્થિતિ ભૂલો તરફ દોરી જાય છે જેને માપાંકિત કરી શકાતી નથી.

આ એક કારણ છે કે સેમિકન્ડક્ટર સાધનોના ઉપયોગોમાં ગ્રેનાઈટનો ચોક્કસ સ્ત્રોત અને સ્પષ્ટીકરણ મહત્વપૂર્ણ છે. સામગ્રીને થર્મલ વર્તણૂક માટે લાક્ષણિકતા આપવી જોઈએ - ફક્ત "બ્લેક ગ્રેનાઈટ" તરીકે સામાન્ય રીતે ઉલ્લેખિત નહીં - અને તે સુસંગત ઘનતા અને એકરૂપતાની આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવી જોઈએ જે ખાતરી કરે છે કે તેનું થર્મલ વર્તણૂક સમગ્ર ઘટકમાં એકસમાન છે.

એર બેરિંગ ગ્રેનાઈટ સપાટીઓ: મૂવિંગ ઇન્ટરફેસ

ઘણી સેમિકન્ડક્ટર ઇક્વિપમેન્ટ મોશન સિસ્ટમ્સ એર બેરિંગ્સનો ઉપયોગ કરે છે - દબાણયુક્ત હવાની પાતળી ફિલ્મ જે સ્ટેજને અસરકારક રીતે શૂન્ય ઘર્ષણ અને શૂન્ય સંપર્ક વસ્ત્રો સાથે સંદર્ભ સપાટી પર ખસેડવા દે છે. એર બેરિંગ્સ સબ-નેનોમીટર ગતિ સરળતા, કોઈ સ્ટીક-સ્લિપ વર્તણૂક (જે નેનોમીટર-સ્કેલ પોઝિશનિંગને દૂષિત કરશે) અને કોઈ લુબ્રિકેશન દૂષણ પ્રદાન કરતું નથી જે સ્વચ્છ રૂમ પર્યાવરણને નુકસાન પહોંચાડી શકે.

એર બેરિંગનું પ્રદર્શન તે કઈ સપાટી પર સવારી કરે છે તેના પર નિર્ભર છે. બેરિંગ સપાટીમાં સપાટતાની ભૂલો સ્ટેજ પોઝિશનિંગ ભૂલો બની જાય છે. સપાટીની ખરબચડી હવા ફિલ્મ સ્થિરતાને અસર કરે છે. જો કામગીરી દરમિયાન એર ફિલ્મ ક્ષણિક રીતે તૂટી જાય તો સામગ્રી ઘસારોનો સામનો કરવા માટે પૂરતી સખત હોવી જોઈએ. અને સામગ્રી સ્ટેજ અને એર સપ્લાય સિસ્ટમ સાથે થર્મલી સુસંગત હોવી જોઈએ જેથી હવાના અંતરને બદલી નાખતા વિભેદક વિસ્તરણને ટાળી શકાય.

બેરિંગ મુસાફરી અંતર કરતાં 1 μm કરતાં વધુ સપાટતા પર લેપ કરેલ અને 0.1 μm થી નીચે Ra સુધી પોલિશ્ડ કરેલ ચોકસાઇ ગ્રેનાઇટ, આ બધી આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરે છે. ઉચ્ચ કઠિનતા (ઘસારોનો પ્રતિકાર), ઓછી સપાટીની ખરબચડી (સ્થિર હવા ફિલ્મોને ટેકો આપતી), અને પરિમાણીય સ્થિરતા (સમય જતાં સપાટતા જાળવી રાખવી) નું સંયોજન ગ્રેનાઇટને માંગણી કરતા સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશનોમાં એર બેરિંગ સંદર્ભ સપાટીઓ માટે પસંદગીની સામગ્રી બનાવે છે.

વેફર નિરીક્ષણ અને મેટ્રોલોજી સાધનોમાં ગ્રેનાઈટ

લિથોગ્રાફી ઉપરાંત, ગ્રેનાઈટ સેમિકન્ડક્ટર વેફરનું નિરીક્ષણ અને માપન કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સાધનોના સમૂહમાં સમાન મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (SEM), ફોકસ્ડ આયન બીમ (FIB) સિસ્ટમ્સ, ઓપ્ટિકલ ખામી નિરીક્ષણ સાધનો અને ઓવરલે મેટ્રોલોજી સિસ્ટમ્સ, બધા તેમની જરૂરી માપન ચોકસાઈ પ્રાપ્ત કરવા માટે સ્થિર, કંપન-મુક્ત પાયા પર આધાર રાખે છે.

3 નેનોમીટરના ગેટ પહોળાઈ માપતા ક્રિટિકલ ડાયમેન્શન સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (CD-SEM) ને સબ-નેનોમીટર ચોકસાઈ સાથે છબી લેવી જોઈએ. છબી પ્રાપ્તિ દરમિયાન નમૂના અને ઇલેક્ટ્રોન બીમ વચ્ચેનું કોઈપણ કંપન છબીને ઝાંખું કરે છે અને માપન અનિશ્ચિતતા રજૂ કરે છે. ગ્રેનાઈટ બેઝ નમૂનાના તબક્કાને ફ્લોર સ્પંદનોથી અલગ કરે છે, શાંત યાંત્રિક વાતાવરણ પૂરું પાડે છે જેમાં અણુ-સ્કેલ માપન શક્ય બને છે.

તેવી જ રીતે, ઓપ્ટિકલ સ્કેટરોમેટ્રી સિસ્ટમ્સ અને વેફર ભૂમિતિ સાધનો માપન બીમ અને વેફર સપાટી વચ્ચે ભૌમિતિક સંબંધો જાળવવા માટે ગ્રેનાઈટ પાયા અને સંદર્ભ સપાટીઓનો ઉપયોગ કરે છે. સમગ્ર સાધનની માપન ચોકસાઈ - જે નક્કી કરે છે કે વેફર નિરીક્ષણમાં પાસ થાય છે કે નિષ્ફળ જાય છે - આખરે તેની નીચે ગ્રેનાઈટની પરિમાણીય સ્થિરતા પર આધારિત છે.

ઉદ્યોગ એપ્લિકેશનો: સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદનમાં ગ્રેનાઈટનો આંશિક નકશો

સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદનમાં ગ્રેનાઈટની ભૂમિકાની વ્યાપકતાને સમજવા માટે, એવા સાધનોના પ્રકારો ધ્યાનમાં લો જ્યાં ચોકસાઇવાળા ગ્રેનાઈટ ઘટકો નિયમિતપણે જોવા મળે છે: ફોટોલિથોગ્રાફી સ્કેનર્સ અને સ્ટેપર્સ (વેફર સ્ટેજ બેઝ, રેટિકલ સ્ટેજ બેઝ, રેફરન્સ ફ્રેમ્સ); કેમિકલ મિકેનિકલ પ્લાનરાઇઝેશન (CMP) સાધનો (કન્ડીશનિંગ ડિસ્ક રેફરન્સ સપાટીઓ, માપન તબક્કાઓ); વેફર નિરીક્ષણ સિસ્ટમ્સ (સ્ટેજ બેઝ, રેફરન્સ મિરર્સ, વાઇબ્રેશન આઇસોલેશન પ્લેટફોર્મ); સ્કેટરોમીટર, એલિપ્સોમીટર અને ઇન્ટરફેરોમેટ્રિક ઓવરલે ટૂલ્સ સહિત મેટ્રોલોજી સાધનો; વેફર હેન્ડલિંગ અને ટ્રાન્સપોર્ટ સિસ્ટમ્સ જ્યાં પરિમાણીય સ્થિરતા વેફર નુકસાનને અટકાવે છે; ઇલેક્ટ્રોન બીમ નિરીક્ષણ અને લિથોગ્રાફી સિસ્ટમ્સ; અને આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન સાધનો જ્યાં બીમ પોઝિશનિંગ સ્થિરતા મહત્વપૂર્ણ છે.

આ દરેક એપ્લિકેશનમાં, ગ્રેનાઈટ એ કોમોડિટી ઇનપુટ નથી પરંતુ એક મહત્વપૂર્ણ ચોકસાઇ ઘટક છે જેનું પ્રદર્શન સ્પષ્ટીકરણ સીધી રીતે સિસ્ટમ ક્ષમતા નક્કી કરે છે. ±10 μm ફ્લેટનેસ સુધી ઉત્પાદિત ગ્રેનાઈટ ઘટક અને ±0.5 μm ફ્લેટનેસ સુધી ઉત્પાદિત ગ્રેનાઈટ ઘટક વચ્ચેનો તફાવત 20× સુધારો નથી - તે એક સાધન વચ્ચેનો તફાવત હોઈ શકે છે જે તેના સ્પષ્ટીકરણને પ્રાપ્ત કરે છે અને એક સાધન જે મૂળભૂત રીતે કરી શકતું નથી.

સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશન્સ માટે પ્રિસિઝન ગ્રેનાઈટનું સોર્સિંગ

સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશન્સની કામગીરીની માંગને ધ્યાનમાં રાખીને, ગ્રેનાઈટ સપ્લાયરની પસંદગી અને લાયકાત એ એક મહત્વપૂર્ણ એન્જિનિયરિંગ નિર્ણય છે. મૂળભૂત સામગ્રી સ્પષ્ટીકરણો - ઘનતા, થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક, સપાટતા ગ્રેડ - ઉપરાંત ખરીદદારોએ સપ્લાયરની વાસ્તવિક માપન ક્ષમતા (શું તેઓ શું પ્રાપ્ત કરવાનો દાવો કરે છે તે ચકાસી શકે છે?), સેમિકન્ડક્ટર સાધનો એપ્લિકેશનો સાથેનો તેમનો અનુભવ, તેમની ગુણવત્તા વ્યવસ્થાપન પ્રણાલીની મજબૂતાઈ અને ઉત્પાદન બેચમાં સુસંગતતા જાળવવાની તેમની ક્ષમતાનું મૂલ્યાંકન કરવાની જરૂર છે.

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગની સપ્લાય ચેઇન માફ કરવા યોગ્ય નથી: એક ચોકસાઇ ઘટક જે સ્પષ્ટીકરણને પૂર્ણ કરવામાં નિષ્ફળ જાય છે તે સાધનોના વિતરણમાં વિલંબ કરી શકે છે, ઉત્પાદન ડેટાને દૂષિત કરી શકે છે અથવા ખર્ચાળ ફીલ્ડ રેટ્રોફિટ્સની જરૂર પડી શકે છે. સ્પષ્ટીકરણને પૂર્ણ કરતા ચોકસાઇ ગ્રેનાઇટ બેઝની કિંમત જે સ્પષ્ટીકરણને પૂર્ણ કરતી નથી તેની કિંમતની તુલનામાં નજીવી છે.

નિષ્કર્ષ

સેમિકન્ડક્ટર સાધનોમાં ગ્રેનાઈટની ભૂમિકા મોટાભાગના નિરીક્ષકો માટે અદ્રશ્ય છે - લેસર, ઇલેક્ટ્રોન બીમ અને નેનોસ્કેલ ઓપ્ટિક્સની વધુ આકર્ષક તકનીકો હેઠળ છુપાયેલી છે. પરંતુ તે પાયાની છે. સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન સાધનોની નેનોમીટર-સ્કેલ ચોકસાઈ અને પુનરાવર્તિતતા પરિમાણીય સ્થિરતા, વાઇબ્રેશન ડેમ્પિંગ અને ચોકસાઇ ગ્રેનાઈટ ઘટકોની સપાટીની ગુણવત્તા પર આધારિત છે.

જેમ જેમ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ ટ્રાન્ઝિસ્ટરના પરિમાણોને વર્તમાન મર્યાદાથી નીચે ધકેલવાનું ચાલુ રાખશે, તેમ તેમ ગ્રેનાઈટ બેઝ સહિત સાધનોના દરેક ઘટકની માંગ વધશે. જે ઉત્પાદકો ગ્રેનાઈટ ઘટકો પૂરા પાડી શકે છે જે આ વિકસિત જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરે છે, અને તેને સાબિત કરવા માટે ચકાસાયેલ માપન ડેટા સાથે, આગામી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર ટેકનોલોજીને સક્ષમ બનાવવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવશે.