La contamination est-elle proportionnelle à la rugosité de la surface?

L'équipe du projet Verspanen 4.0 présente les résultats de son étude à l'occasion du Clean Event

Dans la chaîne d'approvisionnement du fabricant néerlandais de machines à puces ASML, la pureté des pièces - 'cleanliness' - est une question importante depuis plusieurs années. Cela incite les entreprises à effectuer des recherches. Lors du récent Clean Event au Mikrocentrum mi-avril, on a présenté les résultats d'une étude portant sur la relation entre la rugosité de la surface et la propreté des pièces après le nettoyage.

Cela fait des années que la propreté technique qu'ASML attend de ses fournisseurs va bien au-delà de la simple élimination des résidus de lubrifiants réfrigérants. Alors qu'auparavant, il s'agissait principalement du nombre de particules qui restaient sur la surface après le nettoyage, la nouvelle génération de machines est également concernée par la contamination moléculaire.

Cela signifie que certains éléments qui se trouvent dans le matériau ou qui y pénètrent par l'intermédiaire des lubrifiants réfrigérants, appelés éléments HIO (Hydrogen Induced Outgassing), sont libérés au fil du temps (dégazage) en raison du vide extrêmement poussé utilisé dans les machines à copeaux. Le vide poussé les fait sortir, pour ainsi dire. Ces éléments se déposent ensuite sur les miroirs de la machine, qui perdent ainsi une partie de leurs performances.

La contamination des parties critiques empêche une puce d'être exposée correctement. Le client d'ASML perd ainsi sa capacité de production dans les deux cas. Cette dernière contamination a fait l'objet d'une recherche présentée lors du Clean Event du Mikrocentrum mi-avril.

Des particules jusqu'à 0,5 micron

Tout d'abord, il serait bon de mieux définir la contamination. Par exemple, il peut s'agir de taches dues au séchage de l'émulsion du lubrifiant réfrigérant. Ou de taches dues au fait que des pièces ont été touchées à mains nues lors du chargement ou du déchargement de la machine.

Les particules mentionnées dans les exigences de propreté (Grades) sont de plus en plus petites. Pour les pièces critiques de la nouvelle génération de machines EUV, on parle déjà de particules de 0,5 micron. Ces particules ne peuvent plus être détectées avec des techniques ordinaires, c'est pourquoi une carte PMC (Particle Measurement Card) a été mise au point.

Il s'agit en fait d'une sorte de collant - sampler - que l'on presse sur la surface de la pièce, que l'on retire et que l'on analyse ensuite à l'aide d'un scanner spécial. Le scanner détecte le nombre de particules sur le sampler et celles-ci doivent rester en dessous d'un certain nombre pour satisfaire au Grade 2 - l'une des autres normes - d'ASML. Il s'agit donc d'une mesure indirecte, non pas directement sur la surface mais par l'intermédiaire d'un sample.

L'équipe du projet Verspanen 4.0

Au sein de l'équipe de projet néerlandaise Verspanen 4.0 collaborent plusieurs entreprises issues de l'ensemble de la chaîne de valeur afin d'approfondir les thèmes actuels de la pratique de l'usinage. Il s'agit de fournisseurs de machines et d'outils, ainsi que de fournisseurs de technologies de mesure, de nettoyage high tech, de lubrifiants réfrigérants, de formation, etc.

L'équipe s'est penchée sur la question de savoir s'il existe une relation entre la rugosité de la surface et le degré de contamination par les particules. On pourrait en effet s'attendre à ce que plus la surface est lisse, moins la contamination s'y accroche.

Il s'avère que ce n'est pas tout à fait le cas. L'équipe du projet a mesuré des particules de 0,5, 1, 5 et 10 microns. Il s'avère maintenant que pour les plus petites particules (0,5 et 1 micron), il n'y a pas de relation entre la rugosité de la surface et le nombre de particules sur la surface. Pour les particules de 5 et 10 microns, la corrélation semble bel et bien exister.

La valeur Ra semble moins adaptée dès qu'il s'agit de cleanliness

Les tests ont cependant révélé autre chose: la désignation couramment utilisée pour la rugosité de surface, la valeur Ra, est moins adaptée dès lors qu'il s'agit de cleanliness. La valeur Ra est une moyenne calculée à partir des pics et des creux constatés lors d'une mesure de rugosité.

La valeur Rp (hauteur maximale du pic) et la valeur Rv (profondeur maximale du fond) sont d'autres unités permettant d'exprimer la rugosité de la surface. Lors des essais, il a été constaté que ces valeurs atteignent des sommets et diminuent respectivement. Si l'on prend la valeur Rp, pour les particules les plus petites, il existe clairement une corrélation négative avec la propreté après le nettoyage.

L'équipe du projet Verspanen 4.0 pense que les pics élevés empêchent la carte PMC de capter encore de nombreuses particules. On peut donc en conclure que les valeurs Rp et Rv mesurées à la surface en disent plus sur la propreté de la surface que la valeur Ra.

Pour répondre aux exigences de propreté élevées, les entreprises d'usinage pourraient choisir à l'avance leur stratégie de fraisage

En outre, l'équipe du projet soupçonne que la stratégie de fraisage a également une influence. En fonction de la stratégie, la carte PMC pourrait capter plus ou moins de particules.

Selon l'équipe du projet, les résultats sont suffisants pour poursuivre l'étude, qu'ils espèrent lancer dans les mois à venir. Cette étude devrait se concentrer sur la question de savoir si la valeur Ra est un paramètre correct en matière de propreté et étudier l'influence de la stratégie de fraisage.  

En envisageant les choses différemment, les machinistes pourraient choisir à l'avance la manière dont ils usinent les pièces, afin de répondre aux exigences élevées en matière de cleanliness.