增材制造助力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升效率

增材制造（AM）在半導(dǎo)體行業(yè)中正取得顯著進(jìn)展,，特別是在制造設(shè)備和工具方面，如歧管,、裝配夾具和晶圓夾頭,。盡管這是一個相對小眾但不斷增長的應(yīng)用領(lǐng)域，但陶瓷以及金屬增材制造技術(shù)展示了明顯的優(yōu)勢,，包括設(shè)計(jì)更復(fù)雜的幾何形狀,，例如帶有內(nèi)部冷卻通道的歧管；通過零件整合簡化生產(chǎn)流程并優(yōu)化供應(yīng)鏈,；以及通過減少材料使用量和提高生產(chǎn)靈活性來降低成本,。接下來，南極熊將介紹增材制造在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的最新應(yīng)用,，具體了解增材制造技術(shù)是如何支持半導(dǎo)體領(lǐng)域的,？



金屬增材制造：推動創(chuàng)新與效率
金屬增材制造工藝，比如激光粉末床熔合和近凈成型技術(shù),，正在為半導(dǎo)體設(shè)備(SME)提供新的解決方案,。在這個領(lǐng)域，3D Systems,、EOS,、Additive Industries、VELO3D等公司為半導(dǎo)體行業(yè)提供了多種應(yīng)用方案,。

優(yōu)化流形設(shè)計(jì)
3D Systems為精密制造公司 Wilting 提供支持,，為半導(dǎo)體制造業(yè)生產(chǎn)金屬零件。Wilting 既采用了 3D Systems 的技術(shù),，也受益于應(yīng)用創(chuàng)新集團(tuán) (AIG) 的技術(shù)轉(zhuǎn)讓,，為大型半導(dǎo)體資本設(shè)備制造商供應(yīng)復(fù)雜的金屬零件。2024年3月,，Wilting 增加了兩臺單激光 DMP Flex 350 單元和一臺 DMP Flex 350 雙金屬 3D 打印機(jī)從而提高了其內(nèi)部金屬 AM 產(chǎn)能,。

在半導(dǎo)體生產(chǎn)方面，Wilting 開發(fā)了使用 AM 優(yōu)化的金屬歧管,，以提高系統(tǒng)成像精度和生產(chǎn)率,。利用 AM 設(shè)計(jì)和制造這種制造工具，針對流體流動進(jìn)行了優(yōu)化,，可將液體引起的干擾減少多達(dá) 90%,；歧管結(jié)構(gòu)更緊湊,，重量減輕多達(dá) 50%，從而最大限度地減少慣性和系統(tǒng)振動,；并且由于設(shè)計(jì)整合而更加可靠,，最終有助于提高機(jī)器的正常運(yùn)行時間和速度，從而可以處理更多的半導(dǎo)體晶圓,。

熱管理：晶圓臺的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
除了為半導(dǎo)體行業(yè)優(yōu)化歧管外,，3D Systems 還參與了許多其他半導(dǎo)體制造工具的開發(fā)，包括具有優(yōu)化熱管理性能的晶圓臺,。在制造半導(dǎo)體時,，保持特定的溫度范圍至關(guān)重要，因此整個過程中的熱管理是重中之重,。增材制造非常適合滿足這一需求,，可以生產(chǎn)具有內(nèi)置冷卻通道的組件。


△具有熱管理功能的晶圓臺

3D Systems 利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件開發(fā)了針對熱管理進(jìn)行優(yōu)化的晶圓臺,，不僅提高了半導(dǎo)體設(shè)備的精度（1-2 nm）和穩(wěn)定性（5 倍）,，而且還使熱變化減少了 83%。采用金屬增材制造晶圓臺還具有加快晶圓加工速度的優(yōu)勢,，從而為半導(dǎo)體制造商帶來更高的產(chǎn)量,。

鈦載體托盤：高效材料使用與快速交貨
自 2023 年初以來，Norsk Titanium利用其快速等離子沉積技術(shù)為荷蘭公司 Hittech Group 制造鈦載體托盤,，以支持半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn),。載體托盤是重達(dá) 80 公斤的大型近凈成形部件，對 ASML 的光刻半導(dǎo)體制造過程至關(guān)重要,。

載體托盤在 Norsk Titanium 位于紐約普拉茨堡的工廠生產(chǎn),，并交付給荷蘭的 Hittech。與傳統(tǒng)鍛造板相比,，3D 打印預(yù)制件可顯著節(jié)省材料（64%,，相當(dāng)于 140 公斤）,，交貨時間也更快,。

Norsk Titanium 商務(wù)副總裁 Nicholas Mayer 表示：“我們發(fā)現(xiàn)所有市場的客戶都在尋找傳統(tǒng)鈦供應(yīng)商的替代品。通過此次交付,，證明了 Norsk Titanium 能夠縮短交貨時間,，并為可能在當(dāng)今環(huán)境中遭遇中斷的鈦原材料供應(yīng)商提供替代方案�,！�

高性能組件的新選擇
Additive Industries ,、ASML、代爾夫特理工大學(xué)等組織共同研究了“使用 Additive Industries 的 MetalFab 技術(shù)制造晶圓臺組件”的優(yōu)勢,。晶圓臺是半導(dǎo)體制造的重要組成部分,，是用于在光刻工藝設(shè)備中定位晶圓的高精度運(yùn)動系統(tǒng)的一部分,。最終的 3D 打印部件由鋁合金 AlSi10Mg 制成，無需支撐,。經(jīng)過后處理和最終加工后,，每個晶圓臺重 8.5 公斤，性能優(yōu)于初始設(shè),。3D 打印晶圓臺的測試結(jié)果還表明,，設(shè)計(jì)與模擬性能的誤差在 1% 以內(nèi)，證明了使用金屬 AM 和自動化設(shè)計(jì)流程來創(chuàng)建更高效​​的工作流程和優(yōu)質(zhì)部件的可行性,。

陶瓷增材制造：高性能組件的新選擇
技術(shù)陶瓷在半導(dǎo)體行業(yè)有著悠久的歷史,，具有許多理想的特性，如高熱穩(wěn)定性,、電絕緣性,、耐化學(xué)性和出色的強(qiáng)度。因此,，近年來,，半導(dǎo)體制造商對 3D 打印技術(shù)陶瓷的能力非常感興趣，尤其是用于生產(chǎn)具有優(yōu)化幾何形狀的復(fù)雜工具,。

陶瓷氣體分配環(huán)


△3D 打印陶瓷氣體分配環(huán)

總部位于德國的Alumina Systems GmbH擁有數(shù)十年金屬和陶瓷連接經(jīng)驗(yàn),，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)軍3D打印技術(shù)陶瓷領(lǐng)域。公司利用Lithoz 的LCM 技術(shù)專門為半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)大型陶瓷組件,。Alumina Systems 生產(chǎn)了世界上最大的3D打印氣體分配環(huán),，其直徑為 530 mm。氣體分配環(huán)由氧化鋁 3D 打印而成,，用于使用原子層沉積工藝涂覆半導(dǎo)體晶圓,。

氣體分配環(huán)是與原子層處理專家 Plasway GmbH 合作開發(fā)的，并經(jīng)過了高達(dá) 10-8 mbar·L/s 的真空密封性測試,。Lithoz 的大型 CeraFab 8500 的構(gòu)建體積為 800 x 1200 x 1700 mm,，對于開發(fā)這種大型半導(dǎo)體部件至關(guān)重要。



Alumina Systems 還與 3DCeram 合作,，用更少的零件生產(chǎn)類似的氣體分配環(huán)（直徑為 380 mm至 500 mm）,，使用的設(shè)備是C3600 ULTIMATE 系統(tǒng)，工藝為立體光刻 (SLA),。

真空吸盤
在陶瓷領(lǐng)域,，總部位于中國的iLaser已經(jīng)開發(fā)了自己的陶瓷 3D 打印 SLA 平臺，并為半導(dǎo)體行業(yè)開發(fā)了 3D 打印真空吸盤,。真空吸盤是半導(dǎo)體生產(chǎn)中必不可少的工具,，在整個加工過程中起到定位并固定晶圓的作用。這種真空效果是通過在連接到外部泵的吸盤表面上集成微通道來產(chǎn)生的,。



iLaser解釋道：“啟動真空泵后,，吸盤與晶圓之間的空氣被抽出,，形成真空區(qū)域，晶圓在外界大氣壓的作用下,，被牢牢壓在吸盤表面,。”在這一應(yīng)用中,，iLaser的技術(shù)不僅精度高,、效率高，還降低了生產(chǎn)成本,。

聚合物增材制造：靜電放電(ESD)特性的塑料
聚合物在半導(dǎo)體制造中也十分重要,，特別是具有ESD（Electrostatic Discharge，靜電放電防護(hù)）特性的堅(jiān)固工具級塑料,。ALM的PA 830-ESD 12粉末集成了石墨,，可有效防止靜電積聚，適合制造半導(dǎo)體組裝裝置,。Bond3D等公司則專注于3D打印高性能聚合物,，提供了多種基于PEEK的半導(dǎo)體工具，以滿足不同需求,。

結(jié)語：持續(xù)創(chuàng)新促進(jìn)行業(yè)發(fā)展
隨著半導(dǎo)體制造工藝的日益復(fù)雜,，增材制造技術(shù)將變得越來越關(guān)鍵，它不僅加快了高性能設(shè)備的生產(chǎn)速度,，降低了成本,，還通過精簡制造流程和簡化供應(yīng)鏈提高了整體效率。未來,，增材制造將繼續(xù)助力半導(dǎo)體制造商應(yīng)對生產(chǎn)和設(shè)計(jì)變化,，確保制造工作流程的順暢運(yùn)行。