積層造形は半導体産業に貢献：設計を最適化し、効率を向上

積層造形 (AM) は半導体業界、特にマニホールド、組立治具、ウェーハチャックなどの製造装置やツールにおいて大きな進歩を遂げています。これは比較的ニッチではあるものの、成長を続ける応用分野であり、セラミックおよび金属の付加製造技術は、内部冷却チャネルを備えたマニホールドなどのより複雑な形状の設計、部品統合による製造プロセスの合理化とサプライチェーンの最適化、材料使用量の削減と製造柔軟性の向上によるコスト削減など、明らかな利点を示しています。次に、Antarctic Bear は半導体製造における積層造形の最新の応用例を紹介し、積層造形技術が半導体分野をどのようにサポートしているかを具体的に学びます。

金属積層造形：イノベーションと効率の推進 レーザー粉末床溶融結合やニアネットシェイプ技術などの金属付加製造プロセスは、半導体装置 (SME) に新しいソリューションを提供しています。この分野では、3D Systems、EOS、Additive Industries、VELO3Dなどの企業が半導体業界向けにさまざまなアプリケーションソリューションを提供しています。

最適化されたマニホールド設計
3D Systems は、半導体製造業界向けの金属部品の製造において、精密製造会社 Wilting をサポートしています。 Wilting 社は 3D Systems 社の技術を活用し、Applied Innovation Group (AIG) からの技術移転の恩恵を受けて、大手半導体設備製造装置メーカーに複雑な金属部品を供給しています。 2024 年 3 月、Wilting はシングルレーザー DMP Flex 350 ユニット 2 台と DMP Flex 350 デュアルメタル 3D プリンター 1 台を追加し、社内の金属 AM 能力を増強しました。

半導体製造において、Wilting は AM を使用して最適化された金属マニホールドを開発し、システムのイメージング精度と生産性を向上させました。 AM を使用して設計および製造されたこの製造ツールは、流体の流れに最適化されており、液体による外乱を最大 90% 削減します。また、マニホールド構造がよりコンパクトで、最大 50% 軽量であるため、慣性とシステム振動が最小限に抑えられます。さらに、設計の統合により信頼性も向上し、最終的にはマシンの稼働時間と速度が向上し、より多くの半導体ウェーハを処理できるようになります。

熱管理: ウェーハステージの設計と最適化 3D Systems は、半導体業界向けのマニホールドの最適化に加えて、熱管理特性が最適化されたウェーハステージなど、他の多くの半導体製造ツールの開発にも携わっています。半導体を製造する場合、特定の温度範囲を維持することが重要であるため、プロセス全体を通じて熱管理が最優先事項となります。付加製造はこのようなニーズを満たすのに適しており、冷却チャネルを内蔵したコンポーネントを製造できます。

△熱管理機能付きウエハステージ

3D Systems は、トポロジー最適化ソフトウェアを使用して、熱管理に最適化されたウェーハステージを開発しました。これにより、半導体デバイスの精度 (1 ～ 2 nm) と安定性 (5 倍) が向上しただけでなく、熱変動が 83% 削減されました。金属 AM ウェーハステージを使用すると、ウェーハ処理速度が速くなるという利点もあり、半導体メーカーの歩留まりが向上します。

チタン製キャリアパレット：効率的な材料使用と迅速な配送 ノルスク・チタニウムは2023年初頭から、急速プラズマ蒸着技術を使用して、オランダのヒットテック・グループ向けに半導体チップの生産をサポートするチタンキャリアトレイを製造しています。キャリアトレイは、重量が最大 80 kg の大型のニアネットシェイプ部品であり、ASML のフォトリソグラフィー半導体製造プロセスにとって非常に重要です。

キャリアパレットは、ニューヨーク州プラッツバーグにあるノルスク・チタニウムの工場で製造され、オランダのヒットテックに配送されます。従来の鍛造プレートと比較すると、 3D プリントされたプリフォームは大幅な材料節約 (64%、140 kg 相当) とより短い納期を実現します。

「あらゆる市場の顧客が、従来のチタン供給業者に代わるものを求めていることが分かってきました」と、ノルスク・チタニウムのコマーシャル担当副社長、ニコラス・メイヤー氏は語ります。「今回の納入により、ノルスク・チタニウムはリードタイムを短縮し、今日の環境下で混乱に陥っている可能性のあるチタン原材料供給業者に代替品を提供できる当社の能力を実証しました。」

高性能コンポーネントの新たな選択肢
Additive Industries、ASML、デルフト工科大学などの組織が共同で、「Additive IndustriesのMetalFab技術を使用したウェーハステージコンポーネントの製造」の利点を研究しました。ウェーハステージは半導体製造に不可欠なコンポーネントであり、リソグラフィプロセス装置内でウェーハを配置するために使用される高精度モーションシステムの一部です。最終的な 3D プリント部品はアルミニウム合金 AlSi10Mg で作られており、サポートは必要ありません。後処理と最終機械加工後、各ウェーハステージの重量は 8.5 kg となり、当初の設計よりも優れた性能を発揮します。 3D プリントされたウェーハステージのテスト結果では、設計とシミュレーションのパフォーマンスの誤差が 1% 以内であることも示され、金属 AM と自動設計プロセスを使用して、より効率的なワークフローと高品質の部品を作成できることが証明されました。

セラミック積層造形：高性能部品の新たな選択肢 テクニカルセラミックスは半導体業界で長い歴史があり、高い熱安定性、電気絶縁性、耐薬品性、優れた強度など、多くの望ましい特性を備えています。そのため、近年、半導体メーカーは、特に最適化された形状を持つ複雑なツールの製造において、3D プリント技術セラミックスの機能に大きな関心を示しています。

セラミックガス分配リング

△3Dプリントセラミックガス分配リング

ドイツに拠点を置く Alumina Systems GmbH は、金属とセラミックの接合において数十年の経験を持ち、現在は 3D 印刷技術セラミックの分野に進出しています。同社は、Lithoz の LCM テクノロジーを使用して、半導体業界向けの大型セラミック部品の製造を専門としています。 Alumina Systems は、直径 530 mm の世界最大の 3D プリントガス分配リングを製造しました。ガス分配リングは酸化アルミニウムから 3D プリントされており、原子層堆積プロセスを使用して半導体ウェハーをコーティングするために使用されます。

ガス分配リングは、原子層処理の専門企業である Plasway GmbH と共同で開発され、10-8 mbar·L/s までの真空気密性がテストされています。造形容積が 800 x 1200 x 1700 mm の Lithoz の大型 CeraFab 8500 は、このような大型半導体部品の開発に不可欠です。

Alumina Systems 社は 3DCeram 社と協力し、C3600 ULTIMATE システムのステレオリソグラフィー (SLA) を使用して、部品点数を減らして同様のガス分配リング (直径 380 mm ～ 500 mm) を製造しました。

真空吸盤 セラミック分野では、中国を拠点とする iLaser が独自のセラミック 3D プリント SLA プラットフォームを開発し、半導体業界向けに 3D プリント真空チャックを開発しました。真空チャックは半導体製造において不可欠なツールであり、処理プロセス全体を通じてウェハの位置決めと固定の役割を果たします。この真空効果は、外部ポンプに接続されたマイクロチャネルを吸盤の表面に組み込むことによって生み出されます。

iLaser は次のように説明しています。「真空ポンプを起動すると、吸盤とウェーハの間の空気が吸い出され、真空領域が形成されます。ウェーハは外部の大気圧の作用により、吸盤の表面にしっかりと押し付けられます。」このアプリケーションでは、iLaser の技術は高精度で効率的であるだけでなく、生産コストも削減します。

ポリマー付加製造:プラスチックの静電放電 (ESD) 特性 ポリマーは半導体製造においても重要であり、特に ESD (静電気放電) 特性を備えた頑丈なツールグレードのプラスチックが重要です。 ALM の PA 830-ESD 12 パウダーはグラファイトを統合し、静電気の蓄積を効果的に防止し、半導体アセンブリデバイスの製造に適しています。 Bond3D などの企業は、高性能ポリマーの 3D プリントに注力しており、さまざまなニーズを満たすさまざまな PEEK ベースの半導体ツールを提供しています。

結論: 継続的なイノベーションが業界の発展を促進する 半導体製造プロセスがますます複雑になるにつれ、高性能デバイスの製造をスピードアップし、コストを削減するだけでなく、製造プロセスを合理化し、サプライチェーンを簡素化することで全体的な効率を向上させる付加製造技術の重要性がますます高まります。今後も、積層造形は半導体メーカーが生産や設計の変更に対応し、製造ワークフローを円滑に運用できるよう支援し続けるでしょう。

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