Die Anwendung von Sensoren in der Halbleiterindustrie

Durchflusssensor

(1) Geeignet für Kerntypen in der Halbleiterindustrie

In der Halbleiterproduktion werden hauptsächlich Prozessgase (wie Silan und Ammoniak) und korrosive Flüssigkeiten (Ätz- und Reinigungslösungen) verwendet. Die Durchflussregelung muss die Genauigkeit bei kleinen Durchflussmengen, die Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen und die Korrosionsbeständigkeit berücksichtigen. Gängige Messgerätetypen sind thermische Gasmassendurchflussmesser, Differenzdruck-Durchflussmesser, Coriolis-Durchflussmesser und Ultraschall-Durchflussmesser. Die Auswahl kann flexibel je nach Medium und Durchflussbereich erfolgen.

(2) Kernanwendungsszenarien

1. Lithographieprozess: Sicherstellung präziser Belichtung und Beschichtung

Die Lithografie ist ein zentraler Schritt in der Halbleiterfertigung und stellt extrem hohe Anforderungen an die Stabilität der Gaskonzentration und des Flüssigkeitsverhältnisses. Durchflusssensoren werden hauptsächlich für zwei Zwecke eingesetzt: Erstens steuern sie während der Belichtung präzise die Durchflussraten von Schutzgasen wie Stickstoff und Fluorwasserstoff, um die Stabilität der Gasatmosphäre in der Belichtungskammer zu gewährleisten. Dies verhindert das Anhaften von Staub und die Oxidation des Fotolacks und sorgt für eine gleichmäßige Belichtung. Die Sensoren eignen sich für die Steuerung kleiner Durchflussmengen (1 sccm = 1 Kubikzentimeter pro Minute). Zweitens überwachen sie beim Auftragen des Fotolacks die Durchflussrate des Verdünnungsmittels, passen die Konzentration und Schichtdicke des Fotolacks präzise an und vermeiden so Abweichungen in der Linienbreite. Dies unterstützt die Prozessanforderungen fortschrittlicher Fertigungstechnologien wie z. B. für Strukturgrößen von 7 nm und darunter.

2. Ätzprozess: Regulierung der Reaktionsgeschwindigkeit und Gleichmäßigkeit

Ätzprozesse umfassen Trocken- und Nassätzen, die beide Durchflusssensoren zur präzisen Steuerung benötigen. Beim Trockenätzen wird die Durchflussmenge von Reaktionsgasen wie Sauerstoff, Argon und Chlor dynamisch mittels thermischer oder Coriolis-Durchflussmesser angepasst, um die Plasmaätzrate zu steuern und Schwankungen innerhalb von ±0,5 % zu halten. Dadurch werden Kantenschäden und Ätzabweichungen des Wafers reduziert. Beim Nassätzen wird die Durchflussrate der Ätzlösung überwacht, um einen ausreichenden Kontakt und eine gleichmäßige Reaktion der Waferoberfläche mit der Lösung zu gewährleisten. So werden lokale Über- oder Unterätzungsprobleme vermieden. Diese Methode eignet sich besonders für die Durchflussüberwachung korrosiver Flüssigkeiten wie hochkonzentrierter Fluorwasserstoffsäure und Schwefelsäure.

3. Filmbeschichtungsverfahren (CVD/PVD): Sicherstellung der Filmqualität

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) sind Schlüsselprozesse zur Herstellung von Halbleiterfilmen. Die Flusskontrolle bestimmt direkt die Dicke, Zusammensetzung und Haftung der Filme. Bei CVD-Prozessen wird die Flussrate von Reaktionsgasen wie Silan, Ammoniak und Methan präzise mittels Laminardruck-Differenz-Durchflussmessern gesteuert. Dies ermöglicht eine nanometergenaue Dickenkontrolle von Filmen wie Siliziumnitrid und Siliziumdioxid, gewährleistet eine Gleichmäßigkeit von ±1 % und reduziert den Leckstrom der Bauelemente. Bei PVD-Prozessen wird die Flussrate von Inertgasen wie Argon überwacht, um die Stabilität des Gasdrucks in der Vakuumkammer aufrechtzuerhalten, das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern und die Reinheit und Haftung von Metallfilmen (Kupfer, Aluminium) sicherzustellen.

4. Hilfsprozesse: Reinigung, Trocknung und Abgasreinigung

Beim Waferreinigungsprozess werden die Durchflussraten von Stickstoff und Wasserstoff mittels thermischer Gasmassenstrommesser geregelt, um ein präzises Aufsprühen der Reinigungslösung und eine schnelle Trocknung des Wafers zu gewährleisten und so Restverunreinigungen nach der Reinigung zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Zirkulationsrate der Reinigungslösung überwacht, um eine gleichbleibende Reinigungswirkung für verschiedene Waferchargen sicherzustellen. Im Abgasbehandlungsprozess wird die Emissionsrate des Produktionsabgases (das toxische Gase wie Chlor, Fluorwasserstoff usw. enthält) mittels Ultraschall-Durchflussmessern überwacht, um sicherzustellen, dass das Abgas gemäß den geltenden Normen gereinigt und abgeleitet wird und somit Umweltverschmutzung und Sicherheitsrisiken vermieden werden.

Drucksensoren

(1) Kerntypen, die für die Halbleiterindustrie geeignet sind

In der Halbleiterfertigung müssen die meisten Kernprozesse im Hochvakuum oder unter spezifischen Druckbedingungen durchgeführt werden. Die wichtigsten Anforderungen an Drucksensoren sind hohe Präzision, Korrosionsbeständigkeit und Miniaturisierung. Der gängigste Sensortyp ist der piezoresistive Halbleiter-Drucksensor (geeignet für die MEMS-Technologie, mit hoher Genauigkeit). Ergänzt wird er durch kapazitive (Niederdruck-, Mikrodruckmessung) und piezoelektrische Sensoren (dynamische Drucküberwachung), die einen breiten Druckmessbereich von 10⁻⁹ Pa bis 1 MPa abdecken.

(2) Kernanwendungsszenarien

1. Druckregelung von Vakuumkammern: Unterstützung zentraler Prozesse

Für Prozesse wie Lithografie, Ätzen und Dünnschichtabscheidung, die alle in einer Hochvakuumumgebung (mit einem Vakuumgrad von 10⁻³ bis 10⁻⁹ Pa) durchgeführt werden müssen, überwachen Drucksensoren die Druckänderungen in der Kammer in Echtzeit und leiten die Signale an die Vakuumanlage zurück. Diese passt die Drehzahl und den Betriebszustand der Vakuumpumpe dynamisch an, um einen stabilen Vakuumgrad aufrechtzuerhalten. Ein unzureichender Vakuumgrad führt zu Problemen wie Poren im Film, ungleichmäßigem Ätzen und Verschmutzung der Fotomaske, was die Waferausbeute direkt reduziert. Daher muss die Druckmessgenauigkeit über den gesamten Messbereich ±0,1 % des Messbereichsendwertes (FS) betragen.

2. Druckregelung von Prozessgasen: Präzise Verknüpfung von Durchflussregelung

Beim Transport von Prozessgasen führen Druckschwankungen direkt zu Durchflussabweichungen und beeinträchtigen somit die Prozessstabilität. Drucksensoren sind mit Durchflusssensoren gekoppelt, um eine duale Regelung von Druck und Durchfluss zu realisieren. Diese überwacht den Gasdruck in der Rohrleitung in Echtzeit und passt das Überdruckventil dynamisch an, um Druckschwankungen (innerhalb von ±1 %) zu vermeiden. Das System eignet sich besonders für die Drucküberwachung korrosiver Gase wie Chlor und Chlorwasserstoff, die spezielle korrosionsbeständige Beschichtungen zum Schutz der Sensoren erfordern.

3. Verpackungs- und Klebeprozesse: Sicherstellung der Haftungsgenauigkeit

Bei Wafer-Bonding und Chip-Packaging ist die Druckkontrolle entscheidend für die Produktzuverlässigkeit. Während des Wafer-Bondings regelt ein piezoresistiver Drucksensor präzise den Bonddruck (üblicherweise einige Millipascal bis einige zehn Pascal) und gewährleistet so ein blasenfreies und präzises Verkleben der beiden Wafer. Dies unterstützt fortschrittliche Packaging-Prozesse wie das Stapeln von Chips und das Chip-Packaging. Beim Versiegeln mit Kunststoff wird der Druck des Versiegelungsmaterials überwacht und der Druck in der Form dynamisch angepasst, um Chipverformungen und eine unzureichende Füllung des Versiegelungsmaterials zu vermeiden und die Qualifizierungsrate des Packagings zu verbessern.

4. Überwachung der Anlagensicherheit: Vermeidung von Leckage- und Störungsrisiken

Bei Druckverlusten in den Rohrleitungen und Kammern von Halbleiteranlagen kommt es zu Sicherheitsvorfällen und Prozessausfällen. Drucksensoren überwachen die Druckänderungen in Vakuumkammern und Prozessleitungen in Echtzeit. Sobald der Druck einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, wird ein Alarm ausgelöst und der Prozess gestoppt, um das Austreten korrosiver Gase und Schäden an der Kammer zu verhindern. Gleichzeitig wird der Betriebsdruck von Vakuumpumpen, Kompressoren usw. überwacht, um Überlastungen, Leckagen etc. frühzeitig zu erkennen und so die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern.

Temperatursensoren

(1) Kerntypen, die für die Halbleiterindustrie geeignet sind

Die Halbleiterfertigung erfordert eine extrem präzise Temperaturregelung. In manchen Fällen muss die Temperatur innerhalb von ±0,1 °C liegen. Gängige Temperatursensoren sind Widerstandsthermometer (PT100/PT1000, mit hoher Genauigkeit und guter Stabilität), Thermoelemente (hochtemperaturbeständig, geeignet für Bereiche von 300 bis 1800 °C) und Halbleiterthermistoren (NTC/PTC, klein und integrationsfähig). Die Auswahl erfolgt anhand des erforderlichen Temperaturregelbereichs und der Genauigkeitsanforderungen.

(2) Kernanwendungsszenarien

1. Lithographieprozess: Stabilisierung der Temperatur von Fotolack und Ausrüstung

Die Viskosität und Temperaturempfindlichkeit von Fotolack sind äußerst hoch. Temperaturabweichungen können zu ungleichmäßiger Beschichtung und unvollständiger Entwicklung führen. Temperatursensoren überwachen die Temperatur des Fotolackbehälters und der Beschichtungsplattform in Echtzeit, um eine stabile Temperatur (typischerweise 23 ± 0,5 °C) zu gewährleisten. Gleichzeitig überwachen sie die Temperatur der Belichtungsanlagenlinse, um Verformungen durch Langzeitbetrieb und damit verbundene Beeinträchtigungen der Lithografiegenauigkeit zu verhindern und eine gleichmäßige Linienbreite sicherzustellen.

2. Filmbeschichtungs- und Temperprozess: Präzise Temperaturkontrolle sichert Kristallqualität

Bei CVD-Prozessen wird die Temperatur der Reaktionskammer mittels Thermoelementen (300–1000 °C) überwacht. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung der Reaktionstemperatur, um vollständige und gleichmäßige Reaktionen sowie eine reine Filmzusammensetzung zu gewährleisten. Bei PVD-Prozessen werden die Temperaturen von Target und Substrat überwacht, um eine Überhitzung des Targets zu verhindern und die Temperaturerhöhung und -absenkung des Substrats zu steuern und so die Haftung des Films zu verbessern. Im Wafer-Temperprozess steuern Temperatursensoren, die über Wärmewiderstands- und Thermoelemente gekoppelt sind, präzise den Temperaturgradienten, die Aufheiz- und Abkühlrate des Temperofens. Dadurch werden innere Spannungen im Wafer abgebaut und die Kristallstruktur verbessert, was wiederum die elektrischen Eigenschaften des Wafers erhöht.

3. Ätz- und Reinigungsprozesse: Regulierung der Reaktionseffizienz

Beim Nassätzen korreliert die Ätzrate positiv mit der Temperatur. Temperatursensoren überwachen die Temperatur der Ätzlösung in Echtzeit und halten sie im eingestellten Bereich (typischerweise 25–40 °C), um übermäßiges Ätzen bei hohen und unvollständiges Ätzen bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Beim Trockenätzen wird die Plasmatemperatur überwacht, um Schäden an der Schaltungsstruktur auf dem Wafer durch hohe Temperaturen zu verhindern. Im Reinigungsprozess wird die Temperatur der Reinigungslösung überwacht, um die Reinigungseffizienz zu verbessern und gleichzeitig Schäden an der Oxidschicht auf der Waferoberfläche durch hohe Temperaturen zu vermeiden.

4. Gerätewartung: Vermeidung von Überhitzungsausfällen

Anlagen zur Halbleiterfertigung (Vakuumpumpen, Kompressoren, Kühlsysteme, Transportmechanismen) sind aufgrund des langfristigen Hochgeschwindigkeitsbetriebs anfällig für Überhitzungsausfälle. Temperatursensoren überwachen die Temperaturen wichtiger Anlagenteile in Echtzeit. Wird ein Temperaturschwellenwert überschritten, werden Überhitzungsschutz und Alarme ausgelöst, um Anlagenschäden zu verhindern. Gleichzeitig wird die Temperatur des Wafertransportmechanismus überwacht, um eine Kontamination des Wafers oder eine Beeinträchtigung der Transportgenauigkeit durch hohe Temperaturen zu vermeiden und so die Produktionskontinuität zu gewährleisten.

Füllstandssensoren

(1) Kerntypen, die für die Halbleiterindustrie geeignet sind

In der Halbleiterproduktion müssen unter anderem Ätzlösung, Reinigungslösung, Fotolack, deionisiertes Wasser und Abfallflüssigkeiten kontrolliert werden. Diese Flüssigkeiten sind meist korrosiv und anfällig für Verunreinigungen. Füllstandssensoren müssen berührungslos, korrosionsbeständig und hochpräzise sein. Gängige Typen sind kapazitive Füllstandssensoren (geeignet für korrosive Flüssigkeiten), fotoelektrische Füllstandssensoren (geeignet zur Leckageerkennung) und Tauchfüllstandssensoren (geeignet für große Lagertanks).

(2) Kernanwendungsszenarien

1. Lagerung von Prozessflüssigkeiten: Überlaufen und Versorgungsunterbrechungen verhindern

Prozessflüssigkeiten wie Ätzlösung, Reinigungslösung und Fotolack werden in separaten Tanks gelagert. Füllstandssensoren überwachen den Flüssigkeitsstand in Echtzeit und geben Warnmeldungen in zwei Richtungen aus: Unterschreitet der Flüssigkeitsstand einen festgelegten Schwellenwert, wird eine Nachfüllwarnung ausgelöst, um Prozessunterbrechungen durch Versorgungsengpässe zu vermeiden. Überschreitet der Flüssigkeitsstand den Schwellenwert, wird eine Überlaufwarnung ausgelöst, um das Überlaufen korrosiver Flüssigkeiten und die damit verbundene Verschmutzung der Produktionsumgebung sowie die Beschädigung von Anlagen und Wafern zu verhindern. Für korrosive Flüssigkeiten wie Fotolack wird ein berührungsloser kapazitiver Sensor eingesetzt, um Verunreinigungen durch direkten Kontakt des Sensors mit der Flüssigkeit zu vermeiden.

2. Leckageerkennung in Rohrleitungen: Sicherheitsrisiken vermeiden

Die Verbindungsstellen und Ventile der Prozessflüssigkeitsleitungen (insbesondere der Ätzlösungs- und Fluorwasserstoffleitungen) sind anfällig für Leckagen. Ein fotoelektrischer Füllstandssensor ist am tiefsten Punkt der Leitung oder an der Verbindungsstelle installiert und kann selbst geringste Leckagen erkennen. Sobald eine Leckage festgestellt wird, wird umgehend ein Alarm ausgelöst, um die Ausbreitung korrosiver Flüssigkeiten zu verhindern, Anlagenschäden und Waferkontaminationen zu reduzieren sowie Ausfallzeiten zu minimieren.

3. Flüssigkeitsmischung und Wasserzufuhr: Genaues Mischungsverhältnis sicherstellen

Die Halbleiterproduktion erfordert große Mengen hochreinen, deionisierten Wassers. Ein Tauchpegelsensor überwacht den Flüssigkeitsstand im deionisierten Wassertank, um eine stabile Wasserversorgung sicherzustellen und Beeinträchtigungen von Prozessen wie Reinigung und Kühlung durch unzureichende Wasserzufuhr zu vermeiden. Beim Mischen der chemischen Reagenzien wird der Flüssigkeitsstand im Mischbehälter in Kombination mit dem Rührsystem und einem Durchflusssensor überwacht, um ein präzises Mischen der Reagenzien zu gewährleisten und ein Überlaufen während des Mischvorgangs zu verhindern. Dies sichert die Prozessstabilität.

4. Abwasserbehandlung: Einhaltung der Vorschriften und stabiler Prozess

Die bei der Produktion anfallenden Ätz- und Reinigungsabfälle müssen gesammelt und einheitlich behandelt werden. Ein Füllstandssensor überwacht den Flüssigkeitsstand im Abfallbehälter. Sobald der eingestellte Wert erreicht ist, wird eine Emissionswarnung ausgelöst, um das Personal rechtzeitig zu informieren und ein Überlaufen mit Umweltbelastung zu verhindern. Gleichzeitig wird der Füllstand der Abfallbehandlungsanlage überwacht, um die Stabilität des Behandlungsprozesses zu gewährleisten und die normgerechte Abfallentsorgung sicherzustellen.