En termes de principe, quelles sont les différences d'application entre un mandrin à vide en alumine et un mandrin électrostatique ?
Dans le domaine précis et complexe de la fabrication des semi-conducteurs, chaque étape influe sur la qualité finale du produit. Par exemple, la fixation et la manipulation de pièces apparemment simples sont en réalité des étapes cruciales pour garantir le bon déroulement de la production et le respect des normes de qualité. Lors de procédés de haute précision tels que la photolithographie et la gravure, le moindre mouvement de la pièce peut entraîner la mise au rebut de la puce entière et le gaspillage des ressources humaines, matérielles et temporelles investies en amont.
Actuellement, les mandrins à vide et les mandrins électrostatiques en alumine, technologies d'adsorption courantes dans le secteur de la fabrication des semi-conducteurs, présentent l'avantage d'une grande robustesse, d'une excellente résistance à l'usure, d'une longue durée de vie et d'une bonne stabilité chimique. Ils permettent respectivement la fixation et le transfert des plaquettes par différence de pression et par champ électrostatique. Cependant, leurs applications varient considérablement en raison de leurs principes de fonctionnement différents.
mandrin à vide en alumine
Le mandrin à vide pour plaquettes utilise le principe d'adsorption par le vide pour fixer la pièce à usiner. L'élément de transmission du vide est généralement une plaque en céramique poreuse d'alumine, assemblée sur une base munie de cavités et scellée par collage. Cette base est conçue pour l'usinage de précision de matériaux céramiques ou métalliques. Lors du fonctionnement, une pression négative est appliquée et le mandrin est relié à une pompe à vide via la structure poreuse de la plaque en céramique, créant ainsi une zone de vide sous la plaquette, bien inférieure à la pression atmosphérique extérieure. Sous l'effet de cette importante différence de pression, la plaquette adhère fermement à la surface du mandrin. De manière générale, plus le niveau de vide sous la plaquette est élevé, plus l'adhérence entre le mandrin et la pièce est forte et plus la force d'adsorption est importante.
Composant essentiel à la transmission du vide dans les mandrins, les pores des céramiques poreuses d'alumine sont souvent extrêmement fins, avec une porosité de 30 à 50 %, et la taille des pores requise est de l'ordre du micromètre, voire du nanomètre. Ceci garantit que la surface de la pièce à usiner, lors de son adhérence au mandrin à vide, ne sera ni rayée ni déformée par la dépression ou d'autres facteurs défavorables. Par ailleurs, lors de l'utilisation de mandrins à vide en alumine dans le processus de photolithographie de composants électroniques, afin d'éviter les interférences dues à la réflexion de la lumière parasite par les mandrins, la couleur noire de la plaque de céramique poreuse d'alumine est souvent requise.
Grâce à leur structure relativement simple, les mandrins à vide en alumine présentent des coûts de fabrication et de maintenance faibles, et le réglage de la force d'adsorption est également aisé. Ceci peut être réalisé en ajustant l'état de fonctionnement de la pompe à vide ou la distance entre les mandrins, garantissant ainsi une fixation parfaitement stable de la plaquette pendant le traitement. Cependant, lors de procédés tels que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui nécessitent un fonctionnement sous vide ou à basse pression, les mandrins à vide basés sur les différences de pression ne répondent pas aux exigences, limitant ainsi leur champ d'application. De plus, lorsque la plaquette est adsorbée sur la surface du mandrin, elle se déforme sous l'effet de la pression atmosphérique. Après traitement, la plaquette reprend sa forme initiale, ce qui engendre des ondulations et une diminution de la planéité de la surface de coupe, affectant la précision du traitement. Par conséquent, les mandrins à vide en alumine sont généralement utilisés pour fixer ou transporter des composants plats et étanches, tels que des plaques métalliques ou des feuilles de plastique. Dans la fabrication des semi-conducteurs, ils sont fréquemment employés pour les opérations de bas niveau.
mandrin électrostatique en alumine
Le mandrin électrostatique (ESC) est constitué d'une structure multicouche de type « sandwich ». Le corps principal, situé sur la table, comprend une couche d'absorption diélectrique, une couche d'électrodes métalliques et une couche de support. Il intègre également des colonnes d'électrodes internes, un canal de gaz, des matériaux de liaison et d'autres structures auxiliaires. La circulation de gaz permet un transfert thermique efficace et un contrôle stable de la température de la plaquette. Contrairement aux mandrins à vide, le principe de fonctionnement du mandrin électrostatique en alumine repose sur l'effet d'un champ électrostatique. Lors de son fonctionnement, une tension continue est appliquée entre la couche diélectrique et l'électrode afin de polariser le diélectrique. Ceci génère à la surface de la couche diélectrique des charges de polarité opposée à celles présentes à la surface de la plaquette, ce qui permet l'adsorption de la pièce sur le mandrin.
Selon que la couche d'adsorption diélectrique soit dopée ou non, les plateaux électrostatiques en céramique d'alumine se classent en deux catégories : le type Coulomb et le type Jions à retour chaud (JR). Le type Coulomb utilise des matériaux céramiques purs à haute impédance comme diélectrique, tandis que le type JR utilise des matériaux céramiques dopés, par exemple avec de l'oxyde de titane. Par conséquent, contrairement au type Coulomb, le type JR génère non seulement des charges polarisées, mais conserve également une importante quantité de charges libres pouvant être adsorbées à une tension relativement basse. Cependant, lors de la désorption, la présence de charges libres à la surface des plateaux de type JR nécessite, outre la coupure de l'alimentation haute tension continue, l'application d'une tension statique inverse pour éliminer de force les charges résiduelles avant la désorption de la puce. Ceci complexifie le contrôle.
Actuellement, outre l'alumine, les mandrins électrostatiques en céramique peuvent également utiliser le nitrure d'aluminium, qui offre des performances globales encore supérieures, comme matériau diélectrique. Cependant, pour garantir une adsorption stable des pièces, ces mandrins doivent présenter des exigences extrêmement élevées en matière de planéité, de lissage et de microstructure concave-convexe. La précision de cette microstructure doit atteindre le micron. Ceci engendre des difficultés techniques liées au rapport des matériaux, au frittage et au traitement de surface lors du processus de fabrication. Ce processus est extrêmement complexe et long. De plus, la mise en œuvre du nitrure d'aluminium comme matériau diélectrique est encore plus complexe. Par conséquent, les avantages de la céramique de nitrure d'aluminium par rapport à l'alumine ne sont pas encore pleinement exploités dans les mandrins électrostatiques. À l'heure actuelle, ces derniers utilisent encore majoritairement la céramique d'alumine comme matériau de fabrication principal.
Résumé
Dans la fabrication de semi-conducteurs, l'usinage de précision et d'autres domaines, la fixation stable de la plaquette et du substrat est essentielle à la précision des procédés. Les ventouses à vide en alumine sont largement utilisées dans certains secteurs industriels aux exigences de précision relativement faibles, tels que le traitement des métaux et les procédés de fabrication de semi-conducteurs de bas niveau, en raison de leur structure simple et de leur faible coût de fabrication. Cependant, avec le développement de procédés de fabrication de pointe, les ventouses à vide en alumine existantes ne répondent plus aux exigences dans certains domaines, notamment pour les procédés avancés de fabrication de semi-conducteurs nécessitant un environnement sous vide, comme l'implantation ionique et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). En revanche, les ventouses électrostatiques en alumine, grâce à leur force d'adsorption uniforme et à leurs excellentes performances d'adaptation au vide, répondent parfaitement aux besoins.
Fountyl Technologies Pte Ltd., basée à Singapour et forte de 20 ans d'expérience dans l'industrie des semi-conducteurs, se spécialise dans la fabrication de pièces en céramique de pointe. Son produit phare est le mandrin à broches, fabriqué à partir de divers matériaux céramiques (alumine, zircone, carbure de silicium, nitrure de silicium, nitrure d'aluminium et céramiques poreuses). Maîtrisant l'intégralité du processus de fabrication (frittage, usinage de précision, tests et nettoyage), Fountyl Technologies Pte Ltd. garantit des délais de livraison respectés. Ses produits sont exportés vers plus de 20 pays et régions, notamment aux États-Unis, en Europe et en Asie du Sud-Est.
