增材制造助力半導體產業(yè)：優(yōu)化設計、提升效率

增材制造（AM）在半導體行業(yè)中正取得顯著進展，特別是在制造設備和工具方面，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用領域，但陶瓷以及金屬增材制造技術展示了明顯的優(yōu)勢，包括設計更復雜的幾何形狀，例如帶有內部冷卻通道的歧管；通過零件整合簡化生產流程并優(yōu)化供應鏈；以及通過減少材料使用量和提高生產靈活性來降低成本。接下來，南極熊將介紹增材制造在半導體生產中的最新應用，具體了解增材制造技術是如何支持半導體領域的？



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，正在為半導體設備(SME)提供新的解決方案。在這個領域，3D Systems、EOS、Additive Industries、VELO3D等公司為半導體行業(yè)提供了多種應用方案。

優(yōu)化流形設計
3D Systems為精密制造公司 Wilting 提供支持，為半導體制造業(yè)生產金屬零件。Wilting 既采用了 3D Systems 的技術，也受益于應用創(chuàng)新集團 (AIG) 的技術轉讓，為大型半導體資本設備制造商供應復雜的金屬零件。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 打印機從而提高了其內部金屬 AM 產能。

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

熱管理：晶圓臺的設計與優(yōu)化
除了為半導體行業(yè)優(yōu)化歧管外，3D Systems 還參與了許多其他半導體制造工具的開發(fā)，包括具有優(yōu)化熱管理性能的晶圓臺。在制造半導體時，保持特定的溫度范圍至關重要，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，可以生產具有內置冷卻通道的組件。


△具有熱管理功能的晶圓臺

3D Systems 利用拓撲優(yōu)化軟件開發(fā)了針對熱管理進行優(yōu)化的晶圓臺，不僅提高了半導體設備的精度（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，從而為半導體制造商帶來更高的產量。

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為荷蘭公司 Hittech Group 制造鈦載體托盤，以支持半導體芯片的生產。載體托盤是重達 80 公斤的大型近凈成形部件，對 ASML 的光刻半導體制造過程至關重要。

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

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

高性能組件的新選擇
Additive Industries 、ASML、代爾夫特理工大學等組織共同研究了“使用 Additive Industries 的 MetalFab 技術制造晶圓臺組件”的優(yōu)勢。晶圓臺是半導體制造的重要組成部分，是用于在光刻工藝設備中定位晶圓的高精度運動系統(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。3D 打印晶圓臺的測試結果還表明，設計與模擬性能的誤差在 1% 以內，證明了使用金屬 AM 和自動化設計流程來創(chuàng)建更高效​​的工作流程和優(yōu)質部件的可行性。

陶瓷增材制造：高性能組件的新選擇
技術陶瓷在半導體行業(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、耐化學性和出色的強度。因此，近年來，半導體制造商對 3D 打印技術陶瓷的能力非常感興趣，尤其是用于生產具有優(yōu)化幾何形狀的復雜工具。

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擁有數十年金屬和陶瓷連接經驗，現在已經進軍3D打印技術陶瓷領域。公司利用Lithoz 的LCM 技術專門為半導體行業(yè)生產大型陶瓷組件。Alumina Systems 生產了世界上最大的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，并經過了高達 10-8 mbar·L/s 的真空密封性測試。Lithoz 的大型 CeraFab 8500 的構建體積為 800 x 1200 x 1700 mm，對于開發(fā)這種大型半導體部件至關重要。



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

真空吸盤
在陶瓷領域，總部位于中國的iLaser已經開發(fā)了自己的陶瓷 3D 打印 SLA 平臺，并為半導體行業(yè)開發(fā)了 3D 打印真空吸盤。真空吸盤是半導體生產中必不可少的工具，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。”在這一應用中，iLaser的技術不僅精度高、效率高，還降低了生產成本。

聚合物增材制造：靜電放電(ESD)特性的塑料
聚合物在半導體制造中也十分重要，特別是具有ESD（Electrostatic Discharge，靜電放電防護）特性的堅固工具級塑料。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的半導體工具，以滿足不同需求。

結語：持續(xù)創(chuàng)新促進行業(yè)發(fā)展
隨著半導體制造工藝的日益復雜，增材制造技術將變得越來越關鍵，它不僅加快了高性能設備的生產速度，降低了成本，還通過精簡制造流程和簡化供應鏈提高了整體效率。未來，增材制造將繼續(xù)助力半導體制造商應對生產和設計變化，確保制造工作流程的順暢運行。