Betekent hoe ruwer het oppervlak hoe meer verontreiniging?
Projectteam Verspanen 4.0 presenteert onderzoeksresultaten tijdens Clean Event
In de toeleveringsketen rond de Nederlandse chipmachinefabrikant ASML is de zuiverheid van de onderdelen – 'cleanliness' – al enkele jaren een belangrijk thema. Dat zet bedrijven aan tot onderzoek. Tijdens het recente Clean Event bij Mikrocentrum werden halverwege april de resultaten gepresenteerd van een studie naar de relatie tussen de oppervlakteruwheid en de zuiverheid van de werkstukken na het reinigen.
De technische zuiverheid die ASML van toeleveranciers verlangt, gaat al jaren veel verder dan het louter verwijderen van restanten koelsmeermiddelen. Terwijl het vroeger vooral ging om het aantal partikels dat nog op het oppervlak aanwezig mocht zijn na reinigen, gaat het bij de nieuwe generatie machines eveneens om de moleculaire verontreiniging.
Hiermee wordt bedoeld dat bepaalde elementen die in het materiaal zitten of er via de koelsmeermedia indringen, de zogenaamde HIO-elementen (Hydrogen Induced Outgassing), na verloop van tijd vrijkomen (outgassing) door het extreem hoge vacuüm dat in de chipmachines wordt gebruikt. Het hoge vacuüm trekt ze er als het ware uit. Deze elementen slaan dan neer op de spiegels in de machine, die daardoor een deel van zijn werking verliezen.
De partikelverontreiniging op de kritische delen zorgt ervoor dat een chip niet goed belicht wordt. De klant van ASML verliest dus in beide gevallen productiecapaciteit. Over deze laatste verontreiniging ging het onderzoek dat halverwege april op het Clean Event van Mikrocentrum werd gepresenteerd.
Deeltjes tot 0,5 micron
Allereerst is het misschien goed om de verontreiniging beter te duiden. Het gaat bijvoorbeeld om vlekken doordat koelsmeeremulsie is ingedroogd. Of vlekken doordat de werkstukken bij het beladen of ontladen van de machine met blote handen zijn aangeraakt.
De deeltjes waar in de reinheidseisen (de Grades) wordt van gesproken, worden steeds kleiner. Voor kritische onderdelen van de nieuwe generatie EUV-machines gaat het al om delen van 0,5 micron. Die kan men met de gewone technieken niet meer opsporen en daarom is er een PMC kaart (Particle Measurement Card) ontwikkeld.
Eigenlijk is dit een soort plakker – sampler - die men op het oppervlak van het werkstuk drukt, lostrekt en dan met een speciale scanner analyseert. De scanner detecteert het aantal deeltjes op de sampler en die moeten onder een bepaald aantal blijven om aan de Grade 2 – één van de andere normen – van ASML te voldoen. Er vindt dus een indirecte meting plaats, niet rechtstreeks op het oppervlak maar via een sample.
Projectteam Verspanen 4.0
In het Nederlandse Projectteam Verspanen 4.0 werkt een aantal bedrijven uit de hele waardeketen samen om actuele thema’s uit de praktijk van de verspaning nader te onderzoeken. Dit zijn zowel machine- als gereedschapsleveranciers, alsook aanbieders van meettechnologie, hightech reiniging, koelsmeermiddelen, scholing et cetera.
Het team heeft nu onderzocht of er een relatie bestaat tussen de ruwheid van het oppervlak en de mate van deeltjesverontreiniging. Je zou immers verwachten dat hoe gladder het oppervlak is, des te minder de verontreiniging er grip op krijgt.
Het blijkt niet helemaal zo te zijn. Het projectteam heeft zowel deeltjes van 0,5; 1; 5 als 10 micron gemeten. Nu blijkt dat er bij de kleinste deeltjes (0,5 en 1 micron) geen verband bestaat tussen de oppervlakteruwheid en aantal deeltjes op het oppervlak. Bij de deeltjes van 5 en 10 micron lijkt de correlatie wel te bestaan.
De Ra-waarde blijkt minder geschikt van zodra het om cleanliness gaat
De testen hebben echter nog iets anders uitgewezen, namelijk dat de veelgebruikte aanduiding voor oppervlakteruwheid, de Ra waarde, minder geschikt is zodra het om cleanliness gaat. Ra is een gemiddelde die berekend wordt aan de hand van de pieken en dalen die bij een ruwheidsmeting worden gevonden.
Een andere eenheid om de oppervlakteruwheid uit te drukken zijn de Rp-waarde (maximale piekhoogte) en Rv-waarde (maximale bodemdiepte). In de testen is gebleken dat die pieken respectievelijk dalen. Als men de Rp waarde neemt, is er voor de allerkleinste deeltjes duidelijk een negatieve correlatie met de reinheid na reiniging.
Het projectteam Verspanen 4.0 heeft het vermoeden dat de hoge pieken verhinderen dat de PMC kaart nog veel deeltjes oppakken. Een conclusie is dan ook dat de Rp- en Rv-waarden die men aan het oppervlak meet, meer zeggen over de zuiverheid van het oppervlak dan de Ra waarde.
Om aan de hoge cleanliness eisen te voldoen, zouden verspaners al op voorhand keuzes kunnen maken over freesstrategie
Daarnaast vermoedt het projectteam dat de freesstrategie eveneens een invloed heeft. Afhankelijk van de strategie zou de PMC kaart meer of minder partikels oppakken.
De resultaten zijn volgens het projectteam voldoende redenen voor een vervolgonderzoek, dat men komende maanden hoopt op te starten. Dit onderzoek zou zich moeten toespitsen op de vraag of de Ra-waarde wel een juiste parameter is als het om cleanliness gaat en ook de invloed van de freesstrategie onderzoeken.
Door hier anders naar te kijken, zouden verspaners al op voorhand keuzes kunnen maken hoe ze de stukken bewerken, om aan de hoge cleanliness eisen te voldoen.
