L'application des capteurs dans l'industrie des semi-conducteurs

Capteur de débit

(1) Convient aux types de noyaux de l'industrie des semi-conducteurs

Dans la production de semi-conducteurs, les fluides utilisés comprennent principalement des gaz de procédé (tels que le silane et l'ammoniac) et des liquides corrosifs (solutions de gravure et de nettoyage). Le contrôle du débit doit garantir la précision des faibles débits, la résistance à la contamination et à la corrosion. Les principaux types de débitmètres massiques thermiques pour gaz, les débitmètres à différence de pression laminaire, les débitmètres Coriolis et les débitmètres à ultrasons sont disponibles. Le choix du débitmètre dépend du type de fluide et de la plage de débit.

(2) Scénarios d'application principaux

1. Procédé de lithographie : garantir la précision de l’exposition et du revêtement

La lithographie est une étape cruciale de la fabrication des semi-conducteurs, exigeant une stabilité extrême de la concentration des gaz et du rapport liquide/gaz. Les capteurs de débit sont principalement utilisés à deux fins : premièrement, lors de l’exposition, ils contrôlent avec précision les débits des gaz protecteurs tels que l’azote et le fluorure d’hydrogène afin de maintenir la stabilité de l’atmosphère gazeuse dans la chambre d’exposition, empêchant ainsi l’adhérence de poussières et l’oxydation de la résine photosensible, et garantissant une exposition uniforme. Ils sont particulièrement adaptés au contrôle de faibles débits (1 cm³/min = 1 cm³/min). Deuxièmement, lors du dépôt de la résine photosensible, ils surveillent le débit du diluant, ajustant avec précision la concentration et l’épaisseur du dépôt, évitant ainsi les variations de largeur de ligne et répondant aux exigences des technologies de fabrication avancées, telles que celles de 7 nm et moins.

2. Procédé de gravure : régulation de la vitesse de réaction et de l’uniformité

Les procédés de gravure comprennent la gravure sèche et la gravure humide, qui nécessitent toutes deux des capteurs de débit pour un contrôle précis. En gravure sèche, le réglage dynamique des rapports de débit des gaz de réaction, tels que l'oxygène, l'argon et le chlore, est réalisé grâce à des débitmètres thermiques ou Coriolis afin de contrôler la vitesse de gravure plasma. Les fluctuations de cette vitesse sont ainsi maintenues à ±0,5 %, ce qui réduit les dommages aux bords et les écarts de gravure sur la plaquette. En gravure humide, le débit de circulation de la solution de gravure est contrôlé pour assurer un contact suffisant et une réaction uniforme entre la surface de la plaquette et la solution, évitant ainsi les problèmes de sur-gravure ou de sous-gravure locale. Cette technique est particulièrement adaptée au contrôle du débit de liquides corrosifs tels que l'acide fluorhydrique et l'acide sulfurique à forte concentration.

3. Procédé de dépôt de film (CVD/PVD) : Garantir la qualité du film

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD) sont des procédés clés pour la fabrication de couches minces de dispositifs semi-conducteurs. Le contrôle du débit détermine directement l'épaisseur, la composition et l'adhérence des couches. En CVD, un contrôle précis des débits de gaz de réaction, tels que le silane, l'ammoniac et le méthane, est obtenu grâce à des débitmètres à pression différentielle laminaire. Ceci permet un contrôle nanométrique de l'épaisseur des couches, comme le nitrure de silicium et l'oxyde de silicium, garantissant une uniformité de ±1 % et réduisant le courant de fuite du dispositif. En PVD, le débit de gaz inertes, comme l'argon, est contrôlé afin de maintenir la stabilité de la pression gazeuse dans la chambre à vide. Ceci empêche la pénétration d'impuretés et assure la pureté et l'adhérence des couches métalliques (cuivre, aluminium).

4. Procédés auxiliaires : nettoyage, séchage et traitement des gaz résiduaires

Lors du nettoyage des plaquettes, les débits d'azote et d'hydrogène sont contrôlés par des débitmètres massiques thermiques afin d'assurer une pulvérisation précise de la solution de nettoyage et un séchage rapide, évitant ainsi les impuretés résiduelles. Parallèlement, le débit de circulation de la solution de nettoyage est surveillé pour garantir un nettoyage homogène d'un lot à l'autre. Lors du traitement des gaz résiduaires, le débit d'émission de ces gaz (contenant du chlore, du fluorure d'hydrogène et d'autres gaz toxiques) est contrôlé par des débitmètres à ultrasons afin de garantir leur purification et leur rejet conformément aux normes, prévenant ainsi la pollution environnementale et les risques pour la sécurité.

Capteurs de pression

(1) Types de noyaux adaptés à l'industrie des semi-conducteurs

Dans la fabrication des semi-conducteurs, la plupart des procédés essentiels nécessitent d'être réalisés sous vide poussé ou sous pression spécifique. Les capteurs de pression doivent impérativement présenter une haute précision, une résistance à la corrosion et une miniaturisation. Le capteur piézorésistif à semi-conducteurs est le plus répandu (adapté à la technologie MEMS et offrant une haute précision). Il est complété par des capteurs capacitifs (mesure de basses pressions et de micro-pressions) et piézoélectriques (surveillance dynamique de la pression), permettant de couvrir une large plage de mesure, de 10⁻⁹ Pa à 1 MPa.

(2) Scénarios d'application principaux

1. Contrôle de la pression des chambres à vide : soutien aux processus essentiels

Pour les procédés tels que la lithographie, la gravure et le dépôt de couches minces, qui nécessitent tous un environnement sous vide poussé (de l'ordre de 10⁻³ à 10⁻⁹ Pa), des capteurs de pression surveillent en temps réel les variations de pression dans la chambre et transmettent les signaux à l'unité de vide afin d'ajuster dynamiquement la vitesse et le fonctionnement de la pompe à vide, garantissant ainsi un vide stable. Un vide insuffisant peut engendrer des problèmes tels que des micro-perforations dans le film, une gravure irrégulière et la contamination du photomask, réduisant directement le rendement des plaquettes. Par conséquent, la précision de la mesure de pression doit atteindre ±0,1 % de la pleine échelle sur toute la plage de mesure.

2. Régulation de la pression des gaz de procédé : liaison précise du contrôle du débit

Lors du transport de gaz de procédé, les fluctuations de pression entraînent directement des variations de débit, affectant la stabilité du procédé. Des capteurs de pression sont associés à des capteurs de débit pour réaliser une régulation en boucle fermée « pression-débit », permettant une surveillance en temps réel de la pression du gaz dans la canalisation et un ajustement dynamique de la soupape de décharge afin de limiter les fluctuations de pression (à ±1 %). Ce système est particulièrement adapté à la surveillance de la pression de gaz corrosifs tels que le chlore et le chlorure d'hydrogène, qui nécessitent des revêtements anticorrosion spécifiques pour protéger les capteurs.

3. Procédés d'emballage et de collage : garantir la précision de l'adhérence

Lors des procédés de collage de plaquettes et d'encapsulation de puces, le contrôle de la pression détermine directement la fiabilité du produit. Pendant le collage, le capteur de pression piézorésistif contrôle avec précision la pression de collage (généralement de quelques millipascals à quelques dizaines de pascals), assurant ainsi une adhésion parfaite des deux plaquettes, sans bulles ni désalignement. Ceci permet des procédés d'encapsulation avancés tels que l'empilement et l'encapsulation de puces. Lors du scellage plastique, la pression du matériau de scellage est surveillée et ajustée dynamiquement dans le moule afin d'éviter toute déformation de la puce et un remplissage insuffisant du matériau de scellage, améliorant ainsi le taux de conformité de l'encapsulation.

4. Surveillance de la sécurité des équipements : Prévention des risques de fuites et de pannes

En cas de fuite de pression dans les canalisations et les chambres des équipements de semi-conducteurs, des accidents et des arrêts de production peuvent survenir. Des capteurs de pression surveillent en temps réel les variations de pression dans les chambres à vide et les canalisations. Lorsque la pression dépasse le seuil prédéfini, une alarme se déclenche et le processus est interrompu afin de prévenir les fuites de gaz corrosifs et les dommages aux chambres. Parallèlement, la pression de service des pompes à vide, compresseurs, etc., est surveillée pour détecter rapidement toute surcharge ou fuite, prolongeant ainsi la durée de vie des équipements.

Capteurs de température

(1) Types de noyaux adaptés à l'industrie des semi-conducteurs

Le processus de fabrication des semi-conducteurs exige une précision extrême du contrôle de la température. Dans certains cas, la température doit être maintenue à ±0,1 °C près. Parmi les capteurs de température courants, on trouve les capteurs à résistance thermique (PT100/PT1000, offrant une grande précision et une bonne stabilité), les capteurs à thermocouple (résistant aux hautes températures, adaptés aux applications de 300 à 1800 °C) et les thermistances à semi-conducteurs (NTC/PTC, de petite taille et intégrables). Le choix du capteur dépend de la plage de contrôle de température et des exigences de précision.

(2) Scénarios d'application principaux

1. Procédé de lithographie : Stabilisation de la température de la résine photosensible et de l’équipement

La viscosité et la sensibilité de la résine photosensible à la température sont extrêmement importantes. Les variations de température peuvent entraîner un dépôt irrégulier et un développement incomplet. Des capteurs de température surveillent en temps réel la température du réservoir de stockage de la résine photosensible et de la plateforme de dépôt afin de maintenir une température stable (généralement 23 ± 0,5 °C). Simultanément, ils surveillent la température de la lentille de l'extincteur pour éviter toute déformation due à une utilisation prolongée et préserver la précision de la lithographie, garantissant ainsi la constance de la largeur des lignes.

2. Procédé de dépôt et de recuit du film : un contrôle précis de la température garantit la qualité cristalline

Dans les procédés CVD, la température de la chambre de réaction est contrôlée par des capteurs thermocouples (300-1000 °C), permettant un suivi précis afin de garantir des réactions complètes et uniformes ainsi qu'une composition de film pure. Dans les procédés PVD, les températures de la cible et du substrat sont surveillées pour éviter la surchauffe de la cible et contrôler les variations de température du substrat afin d'améliorer l'adhérence du film. Lors du recuit des plaquettes, des capteurs de température, associés par des résistances thermiques et des capteurs thermocouples, contrôlent avec précision le gradient de température, la vitesse de chauffage et la vitesse de refroidissement du four de recuit afin d'éliminer les contraintes internes et d'améliorer la structure cristalline, optimisant ainsi les performances électriques de la plaquette.

3. Procédés de gravure et de nettoyage : régulation de l’efficacité de la réaction

En gravure chimique, la vitesse de gravure est directement proportionnelle à la température. Des capteurs de température surveillent en temps réel la température de la solution de gravure et la maintiennent dans la plage définie (généralement entre 25 et 40 °C) afin d'éviter une gravure excessive à haute température et une gravure incomplète à basse température. En gravure chimique, la température du plasma est surveillée pour prévenir tout dommage à la structure du circuit sur la plaquette dû à des températures élevées. Lors du nettoyage, la température de la solution de nettoyage est contrôlée afin d'optimiser l'efficacité du nettoyage tout en évitant d'endommager la couche d'oxyde à la surface de la plaquette en raison de températures trop élevées.

4. Maintenance des équipements : Prévention des pannes dues à la surchauffe

Les équipements de production de semi-conducteurs (pompes à vide, compresseurs, systèmes de refroidissement, mécanismes de transmission) sont sujets aux surchauffes et aux pannes dues à un fonctionnement prolongé à haute vitesse. Des capteurs de température surveillent en temps réel la température des composants clés de ces équipements. Lorsque la température dépasse un seuil prédéfini, des protections contre la surchauffe et des alarmes se déclenchent afin de prévenir tout dommage matériel. Parallèlement, la température du mécanisme de transmission des plaquettes est surveillée pour éviter toute contamination de ces dernières ou toute altération de la précision de transmission, garantissant ainsi la continuité de la production.

Capteurs de niveau

(1) Types de noyaux adaptés à l'industrie des semi-conducteurs

Dans la production de semi-conducteurs, les liquides à contrôler comprennent les solutions de gravure, de nettoyage, de photorésine, l'eau déminéralisée et les effluents liquides. Ces liquides sont généralement corrosifs et sujets à la contamination. Les capteurs de niveau doivent répondre aux exigences de fonctionnement sans contact, de résistance à la corrosion et de haute précision. Les types les plus courants sont les capteurs de niveau capacitifs (adaptés aux liquides corrosifs), les capteurs de niveau photoélectriques (adaptés à la détection de fuites) et les capteurs de niveau à immersion (adaptés aux grands réservoirs de stockage).

(2) Scénarios d'application principaux

1. Stockage des liquides de traitement : prévenir les débordements et les interruptions d’approvisionnement

Les liquides de procédé, tels que la solution de gravure, la solution de nettoyage et la résine photosensible, sont stockés dans des réservoirs dédiés. Des capteurs de niveau surveillent en temps réel la hauteur des liquides et mettent en œuvre un système d'alerte bidirectionnel : lorsque le niveau est inférieur au seuil défini, une alerte de réapprovisionnement est déclenchée afin d'éviter toute interruption du procédé due à une coupure d'approvisionnement ; lorsque le niveau est supérieur au seuil, une alerte de débordement est déclenchée afin d'éviter tout débordement de liquides corrosifs et toute contamination de l'environnement de production, ainsi que tout dommage aux équipements et aux plaquettes. Pour les liquides corrosifs tels que la résine photosensible, un capteur capacitif sans contact est utilisé afin d'éviter toute contamination par contact direct avec le liquide.

2. Détection des fuites de pipelines : éviter les risques pour la sécurité

Les joints et les vannes des canalisations de transport de liquides de process (notamment celles des solutions de gravure et du fluorure d'hydrogène) sont sujets aux fuites. Un capteur de niveau photoélectrique est installé au point bas de la canalisation ou au niveau du joint, permettant de détecter les fuites les plus infimes. Dès qu'une fuite est détectée, une alarme se déclenche immédiatement afin de prévenir la propagation de liquides corrosifs, de limiter les dommages matériels et la contamination des plaquettes, et de minimiser les temps d'arrêt.

3. Mélange des fluides et alimentation en eau : veiller à respecter un rapport précis

La production de semi-conducteurs exige une grande quantité d'eau déminéralisée de haute pureté. Un capteur de niveau à immersion surveille le niveau de liquide dans le réservoir de stockage d'eau déminéralisée afin de garantir un approvisionnement stable et d'éviter toute interruption des processus tels que le nettoyage et le refroidissement due à un niveau d'eau insuffisant. Lors du mélange des réactifs chimiques, le niveau de liquide dans la cuve de mélange est surveillé, en combinaison avec le système d'agitation et un capteur de débit, afin de garantir un mélange précis et d'éviter tout débordement, assurant ainsi la stabilité du processus.

4. Traitement des eaux usées : Contrôle de la conformité et stabilité du processus

Les eaux usées de gravure et de nettoyage générées lors du processus de production doivent être collectées et traitées de manière uniforme. Un capteur de niveau surveille le niveau de liquide dans la cuve de stockage. Lorsque ce niveau atteint la valeur prédéfinie, une alarme se déclenche afin d'alerter le personnel et d'éviter tout débordement susceptible de provoquer une pollution environnementale. Parallèlement, le niveau de liquide dans l'équipement de traitement est contrôlé pour garantir la stabilité du processus et assurer un rejet conforme aux normes.