半导体晶圆搬运好手——陶瓷机械手臂
半导体晶圆搬运好手——陶瓷机械手臂
在半导体制造过程中，晶圆搬运设备是至关重要的环节之一。其中，陶瓷机械手臂因其优异的物理性能和洁净度要求，成为了搬运晶圆的理想选择。本文将详细介绍陶瓷机械手臂在半导体设备中的应用及其技术优势。
半导体设备中的晶圆搬运臂
芯片制造工序繁多，自然少不了“搬运工序”。将晶圆从工序A移动到工序B的过程中，如何不断重复地把晶圆高速、清洁地搬运和处理，对晶圆成品的品质影响巨大。
“高速”、“洁净”是半导体晶圆搬运设备的核心特征，要满足此特征，设备对所使用的零部件性能要求也极其苛刻。由于多数工序是在真空、高温以及具有腐蚀性的气体环境中进行，所以设备使用的搬运臂要具有优良的物理性能，如：较高的机械强度、抗腐蚀、耐高温、耐磨、硬度高、绝缘等。
在半导体设备工作过程中，搬运晶圆时需要用到陶瓷手臂，因为晶圆硅晶片不能受污染，所以一般是在真空洁净的环境下进行。在真空环境下，绝大多数其他材料制备的机械手臂达不到要求，这时就需要用耐高温、耐磨、硬度高的陶瓷手臂来完成。
图 陶瓷晶圆搬运臂，来源：ASUZAC
陶瓷机械手臂的优势：
- 陶瓷机械手更耐酸腐蚀，更耐碱腐蚀。在半导体各项处理时，使用寿命更长；
- 陶瓷机械手臂不容易跟其它物质发生反应，不会在接触物品上留下具有污染的细小颗粒和带电的电荷，不会产生金属离子，不会污染半导体零件；
- 在半导体进行热处理时，陶瓷机械手臂受热变形也少，减少半导体零件在热处理时的变形。
半导体设备用陶瓷手臂材质
通常人们用纯度较高的氧化铝、碳化硅来制备陶瓷手臂，这两款原材料都具有硬度高、耐磨性耐高温性能好等物理性能，是制备陶瓷手臂的绝佳材料。
（1）氧化铝可以用来制备绝大多数的半导体陶瓷零部件，根据其含量不同，制备出的产品性能也有差异。纯度95%的氧化铝陶瓷零部件呈淡黄色，纯度99%的氧化铝陶瓷制品呈雪白色。它具有优异的刚度、强度、耐性，且其耐高温、耐腐蚀、耐等离子侵蚀等。
（2）碳化硅陶瓷呈黑色，其具有较高的热导性，且强度高、硬度高、不易变形、抗震性好，同样耐高温耐腐蚀；它与氧化铝陶瓷相比，重量轻。
图 陶瓷搬运臂，来源：ASUZAC
这两款材料相比较下，碳化硅制作的陶瓷手臂性能更优于氧化铝陶瓷手臂。但是从材料价格和加工难度等方面进行比较，氧化铝制作的陶瓷手臂性价比更高，通常氧化铝陶瓷手臂使用较多。
此外，日本ASUZAC 还采用一种由具有与硅相同硬度的导电陶瓷Colseed用来制备晶圆搬运臂，由于采用导电陶瓷，具有与金属相同的导电性，不需要导电涂层。
陶瓷机械手臂技术壁垒较高
陶瓷机械手臂采用伯努利原理：供给口导入的气体会从吸盘的内部圆筒状侧面的喷口高速喷出，并在吸盘内部的筒状空间内形成旋转气流，并形成负压。气流最终通过机械手指吸附表面和晶圆表面之间的间隙释放到外部空间。气流在旋风吸盘和晶圆之间的空间中形成稳定的层流，并造成晶圆上下表面间的压力差，最终形成对晶圆向上的吸附力。
图 伯努利机械手臂的工作原理，来源：JEL
陶瓷手臂里面有气孔和通气槽，陶瓷手臂的抓取和放置动作一般通过真空的吸附和释放来实现，在抽气时候，能形成真空，从而吸附晶圆，要保证快速柔和、不能产生冲击和振动，吸取装置在抓取料片过程中不会损坏晶圆，且不能给整个生产操作间带入任何污染。目前的陶瓷手臂制备方法主要分为两种：一种是首先对陶瓷板进行精加工，随后依靠陶瓷板组合以形成气道，陶瓷板之间通常使用粘结剂进行固定，但是粘结剂会随着使用时间的增加逐渐老化且难以在高温、腐蚀等苛刻环境中使用，导致陶瓷手臂的使用寿命较短。另一种是引入内模型芯共成型制备陶瓷素坯，随后通过物理或化学方法将型芯去除，最终烧结后得到具有密闭气道的陶瓷手臂。
陶瓷手臂制造技术难度较大，需要满足加工精度、耐腐蚀性、密封性、洁净度、真空度等指标，要保证陶瓷手臂零气孔、零裂纹、零瑕疵，保证陶瓷手臂的产品性能及使用寿命，以最终实现真空环境下的半导体设备工艺制程的稳定。相关供应商有：ASUZAC、京瓷、Ferrotec、AST、COMA、湖南圣瓷、卡贝尼、广东夏阳、三环集团等。
参考资料：
1.半导体陶瓷零部件种类及应用，陶近翁,等.
2.晶圆的“搬运工”—— 陶瓷手臂，圣瓷.
3.半导体机械手臂一般用什么材料？陶瓷手臂PK金属手臂的优劣势，深圳海德精密陶瓷.