精度の限界を再定義する
精密工学では、誤差のためのマージンはナノメートルで測定される。この規模では、従来の材料の物理的限界(熱膨張、弾性変形、凝着摩耗、粒子の発生)が、システム性能の主要なボトルネックとなります。窒化ケイ素(Si₃N₄)セラミックス球として台頭して不満を持って批判イネーブル技術根本的な物理学の問題解決制定された計量、超高速加工光学をゴ-ルして,半導体製造和ている。
本明細書探索、正確な素材をみてからかってSi₃Nこれらのフィールドに₄が不可欠であり、核心地図アプリケーション、供給する機械コンテキストエンジニア必要これらのコンポーネントに溶け込んで次世代精密システムです
材料DNA:どうしてSi₃N₄な精密?
精密工学には、独自の特性の組み合わせが求められます。材料は、摩耗に耐えるのに十分な硬さ、慣性力を最小限に抑えるのに十分な軽さ、弾性たわみを防ぐのに十分な硬さ、寸法ドリフトを避けるための熱的に安定していなければなりません。以下の比較】どうSi₃N₄一意満たすmulti-variable最適化に比べてこれが伝統的な精密素材軸受钢と同じくルビー(逹栄アル₂O₃)ジルコニア。
図1:精密材料特性マトリックス
惰性の利点
高速走査プローブや高速走査リニアガイドでは、ローリングエレメントの質量が慣性力を決定します。Si₃N₄'s密度(3。2 g/ cm3)鋼鉄より59%低いルビーより20%低いですこれにより、敏感な計測プローブで振動や横滑り、誤ったトリガーを引き起こすことなく、加速/減速を高速化できます。
熱寸法安定性
ワインの~ 3.2 ppm / K Si₃N₄拡大だけ鋼鉄の4分の1です熱せられて。精密スピンドルベアリングや光学位置決めステージでは、摩擦熱や周囲の変動による寸法の伸びは無視できる程度であり、複雑な熱補償アルゴリズムなしでサブミクロンの精度を維持できます.
専門は精密工学
Si₃N₄精密ボールには房では無く「子供をupgrades"鉄鋼でそれらは、まったく新しいクラスの機械を機能させるコンポーネントを可能にしています。アプリケーションエコシステムには、4つの重要なハイテク分野があります。
図2:Si₃N₄精密アプリケーション生態系
メトロロジー:"の終わり;smearing "
アルミニウムのワークピースをruby針でスキャンすると、「"(接着剤摩耗")」と呼ばれるトライボロジー現象が発生し、アルミニウムがルビーの先端に付着(スミア)します。これは時間の経過とともに蓄積され、チップの半径が変化し、致命的な測定誤差が発生します。Si₃N₄はアルミニウムやチタンに対する化学的親和性はゼロです数百万回のプロービングサイクルにおいて、汚れを完全に排除し、一貫したナノメートルレベルの精度を保証します。
光学:キネマティックマウント完璧
精密光学システムは、正確な空間座標を定義するために、キネマティックマウント(3つのボールが3つの溝と嵌合する)を使用します。Si₃N₄ボール提供極端な硬度(溝着)防止、高剛性クランプロード)から(弾性ヨー防止を学んだ。非磁性のため、敏感な干渉計や電子ビーム装置に干渉しません。
精度の力学:熱成長&動的安定性
理解Si₃超精密システムでは、指定されたN₄定量化なければなら連絡したところ機械砂浜もって来い。以下の図は、精密加工におけるセラミックの主要な駆動要因である高速スピンドル軸受の熱成長差です。
図3主軸の熱成長と遠心負荷の比較
延長知识:チャーリー;Skidding"現象
超高速では、重い鉄球は、内側のレースウェイの回転速度に合わせて十分に速く加速することができず、ロールではなく、" skidd "になります。この横滑りはレースウェイを汚し、巨大な局部熱を発生させ、数分でベアリングを破壊します。ライターの60パーセントSi₃N₄ボールといって下racewayスピードの瞬時惰性できるようにしたもの、維持できるように純粋なローリング接触と債権団が要求した10万+ RPM速度精密光学精密加工機インプラント医療ます
半導体製造&アンプ;クリーンルームの詳細
半導体業界は、精密エンジニアリング要件の絶対的な頂点を表しています。ここで、Si₃N₄ボールの问题を解决するために他のどのアドレス、材料元素も具体的には今後の汚染と真空互換性ます。
isoクラス1クリーンルーム準拠
鋼製軸受には、vocを排出し、金属粒子を排出するグリースが必要です。Si₃N₄'sの自己潤滑トライボロジーが可能です完全に乾燥した(潤滑されていない)操作。発生する微小な摩耗デブリは電気的に絶縁され、化学的に不活性であるため、金属ダストがシリコンウェハーに引き起こす静電気引力や短絡を防止します。
超高真空(uhv)対応
物理蒸着(pvd)やエッチングなどのプロセスでは、ベアリングは硬真空中で動作します。液体潤滑剤は瞬時に沸騰し、mosのような固体潤滑剤はプロセスチャンバーを汚染する可能性がある。Si₃N₄ボール確実に運営してUHV環境(< 10⁻⁹Torr)潤滑油なく維持正確なウエハー測位。
静電放電(esd)安全性
絶縁体を純粋なSi₃N₄とき、専門slightly-conductive Si₃N₄成績は設計できるwafer-handling end-effectors。これにより、粒子を引き寄せたり敏感なマイクロエレクトロニクスを損傷させたりする静電気の蓄積を防ぎ、金属部品のガルバニック腐食の問題を回避できます。
精密グレード&アンプ;選択ガイド
すべてSi₃N₄ボールが平等に創られているわけで。精密工学では、iso 3290の等級に厳密に準拠することが求められます。間違ったグレードを選択すると材料が無効になります's固有の利点がある。
| ISO年生 | Sphericity | 仕上面あらさ(Ra) | 多くサイズ変形 | 精密応用 |
|---|---|---|---|---|
| G3 | 0.08μm | ≤0.005μm | ±0.5μm | cmmスタイラスペン、リソグラフィー・ステージ、光学式キネマティックマウント |
| G5 | 0.13μm | ≤0.008μm | ±0.8μm | 超高速スピンドル(>60 k rpm)、半導体ロボットジョイント |
| G10』 | 0.25μm | ≤0.012μm | ±1.5μm | 精密リニアガイド、真円度測定機 |
| G16 / G20 | 0.40 -の値段はμm | ≤0.020μm | ±2.5 - 3.0μm | 一般工業用精密チェックバルブ(計量用を除く。) |
特技:精密工作
Si₃顽张ってN₄は極めてのにもろいです。硬い表面にわずか数センチの高さから落下すると、肉眼では見えない表面下の微小亀裂が発生する可能性がありますが、運用負荷下では致命的なスパリングが発生します。常にプラスチックチップのピンセットを使用してください柔らかいマットの上で取り扱い、組み付け中にg3 / g5のボールが互いにぶつかったり、金属の表面に当たらないようにしてください。
エンジニアリングよくある質問
q1:なぜ窒化ケイ素ボールがcmmスタイルスのルビーチップに取って代わるのですか?
rubyは、アルミニウムやチタンをスキャンすると、材料の移動(スミア)が発生し、測定精度が損なわれてしまいます。Si₃N₄展示ゼロ化学親和力非鉄金属で、汚れを排除します。また、Si₃N₄40%ルビーより軽い付き長く分解能シャフト許容少なく走査速度を大きく曲げたわみ惰性偽プローブによりトリガ欠かせない。
Q2:どうやってSi₃N半導体や装備汚染を防ぐ₄ボール?
Si₃N₄'s自己潤滑表面は、真空またはクリーンルームで完全に乾燥運転を可能にし、グリースからのvoc排出を排除します。発生する微視的摩耗粒子は電気的に絶縁され、化学的に不活性であるため、静電気引力や導電性金属破片に関連する短絡障害を防止します。これにより、isoクラス1のクリーンルーム準拠が保証されます。
Q3:エスアイ₃のワインの役割とはどの様なN₄精密測位段階で遊んで?
Si₃N₄はワインが著しく低い(~ 3.2 ppm / K)、ざっくり悪いれ製である。サブミクロンの位置決めシステム(リソグラフィ段のような)では、熱成長が主な誤差原因となります。Si₃N₄ボールを使用することにより、線形ガイド、エンジニア熱誘導次元ドリフト最小限の確保、nanometer-level再现性ほとぼり摩擦音冷めも高速traversalsするときに発生する
q4:低密度はどのようにして超高速スピンドルを実現しているのですか?
遠心力は速度の2乗に比例して増加し、質量に比例する。Si₃N₄'s密度は60%遠心外レース負荷を低減し、鋼の40%のみである。これは、接触応力を低減し、熱を低減し、"skidding"(重いスチールボールがレースウェイの速度に一致しない場合、破壊的な摺動摩擦を引き起こす)を防止します。これにより、主軸回転数120,000 rpmを超える微細加工が可能となります。
