mandrin pour plaquette de semi-conducteur, mandrin en céramique

Fountyl Technologies Pte Ltd. est l'un des principaux fabricants de pièces céramiques de précision à Singapour et jouit d'une excellente réputation dans l'industrie des semi-conducteurs. Selon une étude de marché réalisée par Fountyl, les mandrins pour semi-conducteurs courants peuvent être classés en trois catégories :

1. Mandrin électrostatique (E-CHUCK) : Principalement utilisé dans les environnements sous vide

2. Mandrin à vide : utilisé dans des environnements ordinaires sans vide.

3. Bernoulli : Ce procédé est principalement utilisé dans des domaines tels que l'énergie solaire.

4. Autres mandrins :

 

DANSprincipe de fonctionnementde Chuck

Le porte-plaquettes maintient et positionne la plaquette grâce à la force du vide, la force électromagnétique, la force d'adsorption électrostatique, la pression du flux d'air et la force de serrage mécanique. Ce porte-plaquettes assure un positionnement parfaitement plat de la plaquette dans la machine grâce à différentes méthodes d'adsorption et de serrage, garantissant ainsi sa stabilité pendant le traitement et évitant les erreurs dues à ses mouvements. Il permet un positionnement précis des plaquettes.

I, mandrin électrostatique(Mandrin électronique)

Le mandrin électrostatique est un composant essentiel des équipements de fabrication de semi-conducteurs, principalement utilisé pour fixer les plaquettes (comme les plaquettes de silicium) sous vide ou dans un environnement plasma. Il utilise la force électrostatique pour fixer les plaquettes, évitant ainsi les problèmes de contamination particulaire et d'uniformité des bords causés par les méthodes traditionnelles de fixation mécanique ou d'adsorption sous vide.

Principe de fonctionnement du mandrin électrostatique : Il est similaire à celui d’un condensateur à deux plaques chargées.

Le mandrin lui-même constitue une électrode, sa surface étant recouverte d'une couche isolante (par exemple, de céramique). La plaquette fait alors office d'autre électrode.

Lorsqu'une haute tension (généralement 3000-4000V) est appliquée, des charges opposées sont générées sur la face arrière de la plaquette et la surface du mandrin, formant une force d'attraction électrostatique qui fixe fermement la plaquette.

Le mandrin électrostatique convient aux supports de plaquettes ultra-propres dans des environnements sous vide ou plasma, utilisant la force d'attraction de Coulomb (principe d'adsorption électrostatique) entre les deux électrodes chargées du condensateur pour fixer la plaquette.

 

Selon la méthode d'adsorption et la conception de l'électrode, les mandrins électrostatiques sont principalement divisés en deux types : ESC coulombien et ESC JR.

1) Le type Coulomb utilise des céramiques à haute isolation (telles que l'alumine) comme couche diélectrique ; il possède une capacité d'adsorption modérée et convient à la plupart des procédés de gravure et de dépôt.

La couche diélectrique de la surface en contact avec la plaquette du mandrin électrostatique de type Coulomb est constituée d'un matériau céramique à haute impédance. Une couche d'électrode conductrice est intercalée entre les deux couches de céramique. Lorsqu'une alimentation en courant continu haute tension est connectée à l'électrode, des charges polarisées sont générées à la surface du matériau diélectrique. Les charges réparties sur la face arrière de la plaquette présentent une polarité opposée à celles réparties sur la ventouse, ce qui permet le maintien de la plaquette par cette dernière. Cette méthode de mandrin sans contact, avec la face supérieure de la plaquette, résout divers problèmes liés aux mandrins mécaniques et à l'adsorption sous vide.

2) Le mandrin électrostatique de type Johansen-Rahbek (JR ESC), utilisant des céramiques semi-conductrices (comme le nitrure d'aluminium dopé), présente une certaine conductivité électrique. Il possède une capacité d'adsorption plus élevée et convient aux procédés à haute puissance (comme l'implantation ionique). Lorsqu'un mandrin électrostatique utilise un matériau diélectrique semi-conducteur pour sa couche, on parle de mandrin électrostatique Johnsen-Rahbek (JR ESC). La surface diélectrique de la ventouse JR présente non seulement des charges polarisées, mais aussi une grande quantité de charges libres, du fait de sa conductivité.

D'une manière générale, l'aspiration du mandrin JR est plus importante que celle du modèle de Coulomb.

 

Exemple de processus d'adsorption :

1. Placer la plaquette dans la chambre → Appliquer une haute pression (tension de serrage) pour adsorber la plaquette.
2. Introduction d'hélium (He) → L'hélium remplit les minuscules interstices entre la plaquette et le porte-plaquette, favorisant ainsi la dissipation de la chaleur. Bon conducteur thermique, l'hélium évacue l'excès de chaleur de la plaquette (la circulation du fluide de refroidissement est assurée par le système de contrôle électronique).
3. Processus terminé → Coupez la tension, et la plaquette se détache automatiquement.

 

Avantages du mandrin électrostatique :

1. Fixation sans contact → Éviter d'endommager la surface de la plaquette ou de provoquer une contamination particulaire ;
2. Contrôle précis de la température → L'hélium conduit la chaleur, assurant une température uniforme de la plaquette (à ±1℃ près) ;
3. Convient aux environnements sous vide → Peut être utilisé dans les procédés semi-conducteurs tels que la gravure et le revêtement ;
4. Réduit les pertes en bordure → Taux d'utilisation de la plaquette plus élevé (surface disponible plus grande en bordure).

II. Bernoulli Chuck

Le système Bernoulli est une technologie de fixation de plaquettes sans contact qui utilise la différence de pression générée par un flux de gaz à grande vitesse pour suspendre et fixer les plaquettes. Basé sur le principe de Bernoulli (plus la vitesse du flux d'air est élevée, plus la pression est faible), il évite le contact physique inhérent aux systèmes de serrage mécaniques traditionnels et convient aux applications de haute précision.

 

Comment fonctionne un mandrin de Bernoulli ?

Jet d'air à haute vitesse : la surface du mandrin est conçue avec une porosité de précision, assurant un flux d'air à grande vitesse. Création d'une zone de basse pression : l'air présent dans la zone de basse pression formée entre la plaquette et le mandrin, à la pression atmosphérique, exerce une pression sur la plaquette, la maintenant ainsi en suspension.

De même, le principe et la suspension de l'aéroglisseur, grâce à un support pneumatique, évitent directement les frottements.

 

Exemple de flux de travail :

1. Le flux d'air démarre → De l'air à grande vitesse est éjecté du mandrin et la plaquette est « soulevée » ;
2. Suspension stable → La différence de pression maintient la plaquette fixe sans toucher le mandrin ;
3. Traitement terminé → Fermez le flux d'air, et la plaquette tombera en douceur.

 

Avantages des ventouses de Bernoulli :

1. Fixation sans contact : évite de rayer la surface de la plaquette, convient aux lentilles optiques de haute précision et au traitement des plaquettes ultra-minces ;
2. Chargement et déchargement rapides : aucun besoin de serrage mécanique, ce qui rend le chargement et le déchargement des plaquettes plus efficaces et améliore l’efficacité de la production ;
3. Adapté aux plaquettes ultra-minces : le flux d'air les soutient uniformément, réduisant ainsi le risque de déformation causé par le serrage traditionnel.

 

Limites de Bernoulli mandrin:

1. Exigences élevées en matière de contrôle du débit d'air : un réglage précis de la vitesse et de la pression du flux d'air est nécessaire, et même de petites fluctuations peuvent affecter la stabilité ;
2. Consommation énergétique élevée : le maintien d'un flux d'air à grande vitesse nécessite une alimentation électrique continue, ce qui entraîne des coûts d'exploitation plus élevés ;
3. Équipement complexe : nécessite une source d'air dédiée, des capteurs et un système de contrôle, et la maintenance est plus difficile.

  

III, Mandrin mécanique

Les mandrins de serrage mécanique constituent une méthode traditionnelle de maintien des plaquettes. La fixation s'effectue par serrage direct du bord de la plaquette grâce à des mâchoires réglables, des goupilles à ressort et d'autres éléments mécaniques répartis le long du bord du mandrin. Cette approche, largement utilisée dans les premières étapes de la fabrication des semi-conducteurs, a progressivement été remplacée par des technologies sans contact plus avancées (telles que les mandrins électrostatiques).

 

Comment fonctionne le mandrin de serrage mécanique ?

1. Fixation par contact de bord : les griffes ou broches de serrage sur le bord du mandrin appliquent une pression sur le bord de la plaquette par l’intermédiaire de ressorts ou d’un réglage mécanique ;
2. Compatibilité avec différentes tailles : La position des griffes peut être ajustée, compatible avec des plaquettes de différents diamètres (comme 4 pouces, 6 pouces, etc.) ;
3. Structure purement mécanique : aucun système électrique ou à vide n'est requis, la fixation reposant sur la force physique.

Flux de travail typique :

1. Positionnement de la plaquette : Le bras robotisé place la plaquette au centre du mandrin.
2. Serrage : Le ressort ou le moteur actionne les griffes pour serrer le bord de la plaquette.
3. Traitement terminé : les griffes se relâchent et la plaquette est retirée.

Avantages du mandrin de serrage mécanique :

1. Structure simple : pas de système électrique complexe, faibles coûts d'entretien.
2. Force de serrage réglable : grâce à des ressorts ou à une conception mécanique, elle peut s’adapter à différentes épaisseurs de plaquettes.
3. Convient à certains procédés : comme la découpe de plaquettes, les tests simples, etc., pour des scénarios nécessitant une faible précision.

Inconvénients du mandrin de serrage mécanique :

1. Risque d'endommagement des bords : les griffes peuvent rayer le bord de la plaquette, ce qui affecte le rendement.
2. Faible précision de positionnement : Difficile de répondre aux exigences des procédés à l'échelle nanométrique (tels que la lithographie, la gravure).
3. Ne convient pas aux grandes plaquettes : force de serrage inégale, susceptible de provoquer une déformation des plaquettes de 12 pouces (300 mm).
4. Contamination particulaire : Les mouvements mécaniques peuvent générer des particules et contaminer l'environnement propre.

 

Quatre, Autres mandrins :

mandrin à contrôle thermique

Procédés permettant un contrôle précis de la température (chauffage/refroidissement) et nécessitant un traitement thermique ou un contrôle constant de la température.

 

Dansmétal acuum CHuck  

Le porte-plaquettes sous vide utilise un réseau de canalisations internes pour extraire l'air, créant ainsi une dépression entre la surface du porte-plaquettes et celle de la plaquette. Cette dépression attire la face inférieure plane de la plaquette à usiner et la fixe sur le porte-plaquettes. Lorsque la pompe à vide se met en marche, l'air contenu dans le porte-plaquettes est aspiré, créant un environnement sous vide relatif. La pression atmosphérique extérieure plaque fermement la plaquette contre la surface du porte-plaquettes. La surface de ce dernier est généralement conçue avec de minuscules pores ou canaux afin d'assurer une répartition uniforme du vide sur la surface de contact entre la plaquette et le porte-plaquettes.

 

Mmandrin magnétique 

Le mandrin magnétique est un dispositif fonctionnant selon le principe de l'électromagnétisme. Son principe de fonctionnement repose sur la génération d'un champ magnétique par le passage d'un courant électrique dans une bobine. L'interaction entre ce champ magnétique et des aimants permanents ou des objets en fer permet l'adsorption du produit.

Selon le département marketing de la société Fangtai, le marché mondial des mandrins électrostatiques pour semi-conducteurs a atteint 1,698 milliard de dollars américains en 2023. L'entreprise prévoit que ce marché atteindra 2,46 milliards de dollars américains d'ici 2030, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,3 % sur la période 2024-2030. Sur le plan régional, le taux de croissance du marché chinois est nettement supérieur à la moyenne mondiale. Le marché mondial des mandrins électrostatiques pour semi-conducteurs est actuellement très concentré. Les trois principaux acteurs du secteur – Applied Materials, Lam Research et SHINKO – détiennent à eux trois environ 85 % des parts de marché. En termes de répartition géographique, la région Asie-Pacifique représente le plus grand marché, avec 75 % des parts de marché. Les marchés nord-américain et européen représentent respectivement 19 % et 5 %. En ce qui concerne les types de produits, les mandrins électrostatiques Coulomb occupent une position dominante, avec 68 % des parts de marché. En termes d'applications en aval, la ligne de production de plaquettes de 300 millimètres représente le plus grand domaine d'application, soit jusqu'à 76 %.

 

L'industrie des mandrins électrostatiques pour semi-conducteurs a longtemps été dominée par les fabricants américains et japonais, même si les usines internationales d'équipements fournissent également des produits compatibles. Ces dernières années, sous l'impulsion des politiques de production nationale, plusieurs entreprises chinoises spécialisées dans la recherche et le développement de mandrins électrostatiques ont vu le jour. Cependant, il convient de souligner que les produits chinois sont encore à un stade précoce de développement, tant sur le plan technologique qu'à l'échelle industrielle, et accusent un retard important par rapport aux leaders internationaux. Néanmoins, compte tenu du fort potentiel de développement et de la possibilité de substitution aux importations dans ce domaine, il est devenu un axe de développement majeur sur le marché primaire.