增材制造助力半导体产业：优化设计、提升效率

增材制造（AM）在半导体行业中正取得显著进展，特别是在制造设备和工具方面，如歧管、装配夹具和晶圆夹头。尽管这是一个相对小众但不断增长的应用领域，但陶瓷以及金属增材制造技术展示了明显的优势，包括设计更复杂的几何形状，例如带有内部冷却通道的歧管；通过零件整合简化生产流程并优化供应链；以及通过减少材料使用量和提高生产灵活性来降低成本。接下来，南极熊将介绍增材制造在半导体生产中的最新应用，具体了解增材制造技术是如何支持半导体领域的？



金属增材制造：推动创新与效率
金属增材制造工艺，比如激光粉末床熔合和近净成型技术，正在为半导体设备(SME)提供新的解决方案。在这个领域，3D Systems、EOS、Additive Industries、VELO3D等公司为半导体行业提供了多种应用方案。

优化流形设计
3D Systems为精密制造公司 Wilting 提供支持，为半导体制造业生产金属零件。Wilting 既采用了 3D Systems 的技术，也受益于应用创新集团 (AIG) 的技术转让，为大型半导体资本设备制造商供应复杂的金属零件。2024年3月，Wilting 增加了两台单激光 DMP Flex 350 单元和一台 DMP Flex 350 双金属 3D 打印机从而提高了其内部金属 AM 产能。

在半导体生产方面，Wilting 开发了使用 AM 优化的金属歧管，以提高系统成像精度和生产率。利用 AM 设计和制造这种制造工具，针对流体流动进行了优化，可将液体引起的干扰减少多达 90%；歧管结构更紧凑，重量减轻多达 50%，从而最大限度地减少惯性和系统振动；并且由于设计整合而更加可靠，最终有助于提高机器的正常运行时间和速度，从而可以处理更多的半导体晶圆。

热管理：晶圆台的设计与优化
除了为半导体行业优化歧管外，3D Systems 还参与了许多其他半导体制造工具的开发，包括具有优化热管理性能的晶圆台。在制造半导体时，保持特定的温度范围至关重要，因此整个过程中的热管理是重中之重。增材制造非常适合满足这一需求，可以生产具有内置冷却通道的组件。


△具有热管理功能的晶圆台

3D Systems 利用拓扑优化软件开发了针对热管理进行优化的晶圆台，不仅提高了半导体设备的精度（1-2 nm）和稳定性（5 倍），而且还使热变化减少了 83%。采用金属增材制造晶圆台还具有加快晶圆加工速度的优势，从而为半导体制造商带来更高的产量。

钛载体托盘：高效材料使用与快速交货
自 2023 年初以来，Norsk Titanium利用其快速等离子沉积技术为荷兰公司 Hittech Group 制造钛载体托盘，以支持半导体芯片的生产。载体托盘是重达 80 公斤的大型近净成形部件，对 ASML 的光刻半导体制造过程至关重要。

载体托盘在 Norsk Titanium 位于纽约普拉茨堡的工厂生产，并交付给荷兰的 Hittech。与传统锻造板相比，3D 打印预制件可显著节省材料（64%，相当于 140 公斤），交货时间也更快。

Norsk Titanium 商务副总裁 Nicholas Mayer 表示：“我们发现所有市场的客户都在寻找传统钛供应商的替代品。通过此次交付，证明了 Norsk Titanium 能够缩短交货时间，并为可能在当今环境中遭遇中断的钛原材料供应商提供替代方案。”

高性能组件的新选择
Additive Industries 、ASML、代尔夫特理工大学等组织共同研究了“使用 Additive Industries 的 MetalFab 技术制造晶圆台组件”的优势。晶圆台是半导体制造的重要组成部分，是用于在光刻工艺设备中定位晶圆的高精度运动系统的一部分。最终的 3D 打印部件由铝合金 AlSi10Mg 制成，无需支撑。经过后处理和最终加工后，每个晶圆台重 8.5 公斤，性能优于初始设。3D 打印晶圆台的测试结果还表明，设计与模拟性能的误差在 1% 以内，证明了使用金属 AM 和自动化设计流程来创建更高效​​的工作流程和优质部件的可行性。

陶瓷增材制造：高性能组件的新选择
技术陶瓷在半导体行业有着悠久的历史，具有许多理想的特性，如高热稳定性、电绝缘性、耐化学性和出色的强度。因此，近年来，半导体制造商对 3D 打印技术陶瓷的能力非常感兴趣，尤其是用于生产具有优化几何形状的复杂工具。

陶瓷气体分配环


△3D 打印陶瓷气体分配环

总部位于德国的Alumina Systems GmbH拥有数十年金属和陶瓷连接经验，现在已经进军3D打印技术陶瓷领域。公司利用Lithoz 的LCM 技术专门为半导体行业生产大型陶瓷组件。Alumina Systems 生产了世界上最大的3D打印气体分配环，其直径为 530 mm。气体分配环由氧化铝 3D 打印而成，用于使用原子层沉积工艺涂覆半导体晶圆。

气体分配环是与原子层处理专家 Plasway GmbH 合作开发的，并经过了高达 10-8 mbar·L/s 的真空密封性测试。Lithoz 的大型 CeraFab 8500 的构建体积为 800 x 1200 x 1700 mm，对于开发这种大型半导体部件至关重要。



Alumina Systems 还与 3DCeram 合作，用更少的零件生产类似的气体分配环（直径为 380 mm至 500 mm），使用的设备是C3600 ULTIMATE 系统，工艺为立体光刻 (SLA)。

真空吸盘
在陶瓷领域，总部位于中国的iLaser已经开发了自己的陶瓷 3D 打印 SLA 平台，并为半导体行业开发了 3D 打印真空吸盘。真空吸盘是半导体生产中必不可少的工具，在整个加工过程中起到定位并固定晶圆的作用。这种真空效果是通过在连接到外部泵的吸盘表面上集成微通道来产生的。



iLaser解释道：“启动真空泵后，吸盘与晶圆之间的空气被抽出，形成真空区域，晶圆在外界大气压的作用下，被牢牢压在吸盘表面。”在这一应用中，iLaser的技术不仅精度高、效率高，还降低了生产成本。

聚合物增材制造：静电放电(ESD)特性的塑料
聚合物在半导体制造中也十分重要，特别是具有ESD（Electrostatic Discharge，静电放电防护）特性的坚固工具级塑料。ALM的PA 830-ESD 12粉末集成了石墨，可有效防止静电积聚，适合制造半导体组装装置。Bond3D等公司则专注于3D打印高性能聚合物，提供了多种基于PEEK的半导体工具，以满足不同需求。

结语：持续创新促进行业发展
随着半导体制造工艺的日益复杂，增材制造技术将变得越来越关键，它不仅加快了高性能设备的生产速度，降低了成本，还通过精简制造流程和简化供应链提高了整体效率。未来，增材制造将继续助力半导体制造商应对生产和设计变化，确保制造工作流程的顺畅运行。