Когда слышишь про автоматизированную мегазвуковую очистную установку, первое, что приходит в голову — наверное, огромная ванна, где всё грохочет. На деле, если так думать, можно дорого поплатиться. Мегазвук — это не просто 'усиленный ультразвук', а совсем другой режим кавитации, и автоматизация тут — не про нажатие кнопки 'старт', а про управление параметрами в реальном времени, чтобы не содрать напыление с подложки. Многие заказчики из полупроводниковой отрасли до сих пор этого не до конца понимают, отсюда и нереалистичные ожидания.
Начну с банального, но ключевого: частоты. В классических ультразвуковых ваннах для промывки печатных плат или стекол работают в диапазоне 35-45 кГц. Кавитационные пузырьки относительно крупные, энергия схлопывания распределена. Для удаления грубых загрязнений — работает. Но когда речь заходит о кремниевых пластинах с топологией в единицы нанометров, эти пузырьки — как кувалда. Они просто ломают структуры.
В мегазвуковой очистной установке частоты начинаются от 700 кГц и выше. Кавитация другая: пузырьки мельче, их больше, а схлопывание 'мягче', но при этом плотность энергии на единицу площади выше. Это позволяет 'выбивать' частицы из глубоких траншей (high aspect ratio trenches) без механических повреждений. Но здесь и начинается головная боль: среда. На такой частоте параметры жидкости — температура, вязкость, газосодержание — влияют на процесс колоссально. Нестабильность в пару градусов может снизить эффективность на 30%.
Вот тут и появляется необходимость в автоматизации. Не той, что запрограммирована на один цикл, а адаптивной. Система должна считывать датчики импеданса пьезоэлементов (косвенный показатель кавитационной активности) и подстраивать мощность, а иногда и частоту, в реальном времени. Мы в своё время с коллегами из ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии? как раз над этим бились. На их сайте https://www.ywxtbdt.ru есть упоминание об опыте в 20 лет — так вот, этот опыт очень хорошо чувствуется, когда обсуждаешь не спецификации, а именно такие 'неочевидные' точки отказа процесса.
Красивый сенсорный экран с графиками — это лишь верхушка. 'Мозги' системы — это алгоритм, который связывает данные с датчиков и управляет генератором. Самый сложный момент — определить момент завершения очистки. Не по таймеру, а по фактической чистоте. Прямого датчика чистоты в процессе мойки нет. Приходится использовать косвенные признаки: стабилизацию параметров кавитации, температуру раствора (при удалении органики она немного меняется), оптическую мутность промывочной воды.
На одной из первых наших автоматизированных установок мы заложили слишком простую логику: 'если колебания импеданса меньше N% в течение 30 секунд — стоп'. Сработало плохо. Оказалось, некоторые типы контаминантов (например, полимерные остатки после литографии) удаляются 'пакетами'. Система видела стабильность, останавливалась, а на пластине оставались островки загрязнения. Пришлось вводить предиктивную модель, обучаемую на истории циклов для конкретного типа загрязнителя. Это уже уровень, к которому стремятся ведущие игроки.
Именно такие нюансы отличают готовое решение от 'железки с софтом'. Компания ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту?, судя по их проектам, делает ставку на глубокую интеграцию процесса в установку. То есть их инженеры сначала вникают в техпроцесс заказчика, а потом настраивают или дорабатывают алгоритм под него. Это правильный, хотя и небыстрый путь.
Первая ловушка — подготовка жидкости. Вода для финального ополаскивания (DI water) должна быть не просто чистой, а дегазированной. Пузырьки воздуха в воде становятся центрами кавитации, но неконтролируемой. Они схлопываются раньше и не там, где нужно, создавая микропотоки, которые могут повредить тонкие структуры. Пришлось ставить дополнительный модуль вакуумной дегазации прямо в контуре, а это усложнило и без того непростую гидравлику.
Вторая — эрозия излучателей. Мегазвуковые пьезокерамические излучатели работают в экстремальном режиме. Их ресурс в агрессивных химических средах (скажем, при использовании SC-1 или SC-2 растворов) может резко падать. Мы перепробовали несколько типов защитных покрытий. Идеального нет. Приходится мириться с плановой заменой раз в 9-12 месяцев при интенсивной эксплуатации. Это операционные расходы, которые часто упускают из виду при расчёте стоимости владения.
Третья, самая коварная — кавитационное затемнение (cavitation shading). Если пластина расположена параллельно массиву излучателей, ближние к ним области очищаются интенсивнее, чем дальние. Возникает неравномерность. Бороться с этим можно либо качанием корзины с пластинами, либо сложной геометрией расположения излучателей. Мы выбрали второй путь, но пришлось делать 3D-модель акустического поля в установке и долго его оптимизировать. Без этого вся мегазвуковая очистка теряет смысл для высокодобротных пластин.
Был у нас проект для одного российского НИИ. Нужно было встроить нашу автоматизированную мегазвуковую очистную установку в полуавтоматическую линию сборки сенсоров. Техническое задание было выполнено: установка встала, конвейер подал первую партию подложек, процесс пошёл. Но через неделю появилась проблема, которой не было при стендовых испытаниях.
Оказалось, что робот-манипулятор, который загружал пластины в корзину, делал это с минимальным, но допуском. Пластина иногда ложилась с перекосом в доли миллиметра. При ручной загрузке оператор это поправлял. В автоматическом режиме — нет. Этот перекос менял гидродинамику потока вокруг пластины в ванне, что в итоге приводило к полосам недопрочистки по одному краю. Проблема была решена не доработкой нашей установки, а установкой простого оптического датчика позиционирования на манипуляторе и коррекцией его траектории. Мораль: автоматизированная установка — это часть системы, и её эффективность упирается в самое слабое звено соседнего оборудования.
Вот в таких ситуациях и ценен подход, который я вижу у коллег из ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии?. Они не просто продают бокс, а готовы погрузиться в окружение процесса. На их ресурсе https://www.ywxtbdt.ru акцент сделан на экспертизу и адаптацию — и это не просто слова для раздела 'О компании'. Это необходимое условие для работы в высоких технологиях.
Сейчас тренд — не просто автоматизация цикла, а интеграция в общую систему управления заводом (MES). Установка должна не только мыть, но и отдавать данные: фактическое время цикла, потреблённую энергию, косвенные показатели износа излучателей, качество воды на входе/выходе. Это нужно для предиктивного обслуживания и точного расчёта себестоимости процесса. Наша следующая итерация как раз над этим работает.
Другое направление — гибридные методы. Иногда одного мегазвука мало. Мы экспериментировали с импульсной подачей моющего раствора под давлением в момент кавитационной активности. Эффект есть, особенно для стойких органических плёнок, но управлять двумя синхронизированными процессами ещё сложнее. Пока это лабораторные наработки.
В конечном счёте, ценность автоматизированной мегазвуковой очистной установки определяется не её паспортной мощностью или частотой, а воспроизводимостью результата. Десять тысяч пластин, и на каждой — одинаково чисто, без сюрпризов. К этому и нужно стремиться. И судя по тому, как развиваются проекты в этой области, в том числе и у наших партнёров с 20-летним стажем, мы движемся в правильном направлении, хоть путь и усеян мелкими, но очень неприятными техническими граблями.
