L'applicazione dei sensori nell'industria dei semiconduttori

Sensore di flusso

(1) Adatto per i tipi di nucleo nell'industria dei semiconduttori

Nella produzione di semiconduttori, i fluidi utilizzati includono principalmente gas di processo (come silano e ammoniaca) e liquidi corrosivi (soluzioni di incisione e detergenti). Il controllo del flusso deve tenere conto della precisione a basse portate, della capacità anti-contaminazione e della resistenza alla corrosione. Le tipologie più comuni includono flussimetri termici a massa di gas, flussimetri a pressione differenziale laminare, flussimetri Coriolis e flussimetri a ultrasuoni. La scelta può essere effettuata in modo flessibile in base al tipo di fluido e all'intervallo di portata.

(2) Scenari applicativi principali

1. Processo di litografia: garantire la precisione dell'esposizione e del rivestimento.

La litografia è una fase fondamentale nella produzione di semiconduttori, con requisiti estremamente elevati per la stabilità della concentrazione dei gas e del rapporto liquido/gas. I sensori di flusso sono utilizzati principalmente per due scopi: in primo luogo, durante il processo di esposizione, controllano con precisione le portate dei gas protettivi come azoto e acido fluoridrico per mantenere la stabilità dell'atmosfera gassosa nella camera di esposizione, prevenendo l'adesione della polvere e l'ossidazione del fotoresist e garantendo un'esposizione uniforme, adatti al controllo di piccoli flussi (1 sccm = 1 centimetro cubo al minuto); in secondo luogo, nel processo di rivestimento del fotoresist, monitorano la portata del diluente, regolando con precisione la concentrazione e lo spessore del rivestimento del fotoresist, evitando deviazioni nella larghezza della linea e supportando i requisiti di processo delle tecnologie di produzione avanzate come quelle a 7 nm e inferiori.

2. Processo di incisione: regolazione della velocità di reazione e dell'uniformità

I processi di incisione includono l'incisione a secco e l'incisione a umido, entrambi i quali richiedono sensori di flusso per un controllo preciso. Nell'incisione a secco, la regolazione dinamica dei rapporti di flusso dei gas di reazione come ossigeno, argon e cloro viene ottenuta tramite flussimetri termici o Coriolis per controllare la velocità di incisione del plasma, mantenendo le fluttuazioni di velocità entro ±0,5%, riducendo i danni ai bordi e le deviazioni di incisione del wafer; nell'incisione a umido, la velocità di flusso della soluzione di incisione viene monitorata per garantire un contatto sufficiente e una reazione uniforme della superficie del wafer con la soluzione di incisione, evitando problemi di sovraincisione o sottoincisione localizzata, particolarmente adatta per il monitoraggio del flusso di liquidi corrosivi come acido fluoridrico e acido solforico ad alta concentrazione.

3. Processo di deposizione della pellicola (CVD/PVD): Garanzia della qualità della pellicola

La deposizione chimica da fase vapore (CVD) e la deposizione fisica da fase vapore (PVD) sono processi chiave per la fabbricazione di film per dispositivi a semiconduttore. Il controllo del flusso determina direttamente lo spessore, la composizione e l'adesione dei film. Nei processi CVD, il controllo preciso delle portate dei gas di reazione come silano, ammoniaca e metano si ottiene tramite flussimetri a differenza di pressione laminare per raggiungere un controllo dello spessore a livello nanometrico di film come nitruro di silicio e ossido di silicio, garantendo un'uniformità di ±1% e riducendo la corrente di dispersione del dispositivo; nei processi PVD, la portata dei gas inerti come l'argon viene monitorata per mantenere la stabilità della pressione del gas nella camera a vuoto, impedendo l'ingresso di impurità e garantendo la purezza e l'adesione dei film metallici (rame, alluminio).

4. Processi ausiliari: pulizia, asciugatura e trattamento dei gas di scarico

Nel processo di pulizia dei wafer, le portate di azoto e idrogeno sono controllate da flussimetri di massa a gas termico per ottenere una nebulizzazione precisa della soluzione detergente e una rapida asciugatura del wafer, evitando impurità residue dopo la pulizia; allo stesso tempo, la portata di circolazione della soluzione detergente viene monitorata per garantire effetti di pulizia uniformi per i lotti di wafer. Nel processo di trattamento dei gas di scarico, la portata di emissione dei gas di scarico di produzione (contenenti cloro, acido fluoridrico, ecc., gas tossici) viene monitorata da flussimetri a ultrasuoni per garantire che i gas di scarico siano purificati e scaricati in conformità con gli standard, evitando inquinamento ambientale e rischi per la sicurezza.

Sensori di pressione

(1) Tipi di nuclei adatti all'industria dei semiconduttori

Nella produzione di semiconduttori, la maggior parte dei processi fondamentali deve essere eseguita in ambienti ad alto vuoto o a pressione specifica. I requisiti principali per i sensori di pressione sono elevata precisione, resistenza alla corrosione e miniaturizzazione. Il tipo più diffuso è il sensore di pressione piezoresistivo a semiconduttore (adatto alla tecnologia MEMS, con elevata precisione), affiancato da sensori capacitivi (per basse pressioni e micropressioni) e piezoelettrici (per il monitoraggio dinamico della pressione), in grado di coprire un ampio intervallo di misurazione della pressione da 10⁻⁹ Pa a 1 MPa.

(2) Scenari applicativi principali

1. Controllo della pressione delle camere a vuoto: supporto ai processi chiave

Per processi come la litografia, l'incisione e la deposizione di film sottili, che devono essere eseguiti in un ambiente ad alto vuoto (con un grado di vuoto che raggiunge i 10⁻³ a 10⁻⁹ Pa), i sensori di pressione monitorano le variazioni di pressione nella camera in tempo reale e inviano i segnali all'unità del vuoto per regolare dinamicamente la velocità e lo stato di funzionamento della pompa del vuoto, mantenendo un grado di vuoto stabile. Se il grado di vuoto è insufficiente, si verificano problemi come microfori nel film, incisione non uniforme e contaminazione della fotomaschera, riducendo direttamente la resa del wafer. Pertanto, la precisione della misurazione della pressione deve raggiungere ±0,1% FS (fondo scala) per l'intero intervallo.

2. Regolazione della pressione dei gas di processo: collegamento preciso del controllo del flusso

Durante il trasporto del gas di processo, le fluttuazioni di pressione causano direttamente deviazioni di flusso, influenzando la stabilità del processo. I sensori di pressione sono collegati ai sensori di flusso per realizzare un doppio controllo a circuito chiuso "pressione-flusso", monitorando la pressione del gas nella tubazione in tempo reale e regolando dinamicamente la valvola di sicurezza per evitare fluttuazioni di pressione (entro ±1%), particolarmente adatti al monitoraggio della pressione di gas corrosivi come cloro e acido cloridrico, che richiedono speciali rivestimenti anticorrosione per prevenire danni ai sensori.

3. Processi di confezionamento e incollaggio: garantire la precisione dell'adesione

Nei processi di incollaggio dei wafer e di confezionamento dei chip, il controllo della pressione determina direttamente l'affidabilità del prodotto. Durante l'incollaggio dei wafer, il sensore di pressione piezoresistivo controlla con precisione la pressione di incollaggio (generalmente da pochi millipascal a diverse decine di pascal), garantendo che i due wafer aderiscano saldamente senza bolle o disallineamenti, supportando processi di confezionamento avanzati come l'impilamento dei chip e il confezionamento dei chip; nel processo di sigillatura con plastica, viene monitorata la pressione del materiale di sigillatura in plastica e la pressione nello stampo viene regolata dinamicamente per evitare la deformazione del chip e un riempimento insufficiente del materiale di sigillatura in plastica, migliorando il tasso di conformità del confezionamento.

4. Monitoraggio della sicurezza delle apparecchiature: prevenire perdite e rischi di guasto

Se si verifica una perdita di pressione nelle tubazioni e nelle camere delle apparecchiature per semiconduttori, ciò può causare incidenti e interruzioni di processo. I sensori di pressione monitorano in tempo reale le variazioni di pressione nelle camere a vuoto e nelle tubazioni di processo. Quando la pressione supera la soglia impostata, si attiva un allarme e il processo viene interrotto per prevenire la fuoriuscita di gas corrosivi e danni alla camera; allo stesso tempo, viene monitorata la pressione di esercizio di pompe per vuoto, compressori, ecc. per rilevare tempestivamente sovraccarichi, perdite, ecc., prolungando la durata utile delle apparecchiature.

Sensori di temperatura

(1) Tipi di nuclei adatti all'industria dei semiconduttori

Il processo di fabbricazione dei semiconduttori richiede una precisione estremamente elevata nel controllo della temperatura. In alcuni casi, la temperatura deve rientrare entro ±0,1 °C. I sensori di temperatura più comuni includono sensori a resistenza termica (PT100/PT1000, con elevata precisione e buona stabilità), termocoppie (in grado di resistere ad alte temperature, adatte a scenari che vanno da 300 a 1800 °C) e termistori a semiconduttore (NTC/PTC, di piccole dimensioni e adatti all'integrazione). La scelta del sensore più adatto si basa sull'intervallo di temperatura da controllare e sui requisiti di precisione.

(2) Scenari applicativi principali

1. Processo di litografia: stabilizzazione della temperatura del fotoresist e delle apparecchiature

La viscosità e la sensibilità alla temperatura del fotoresist sono estremamente variabili. Le variazioni di temperatura possono causare un rivestimento non uniforme e uno sviluppo incompleto. I sensori di temperatura monitorano in tempo reale la temperatura del serbatoio del fotoresist e della piattaforma di rivestimento per mantenerla stabile (tipicamente 23±0,5℃); allo stesso tempo, monitorano la temperatura della lente della macchina di esposizione per evitare che si deformi a causa del funzionamento prolungato, compromettendo così la precisione della litografia e garantendo la uniformità dello spessore della linea.

2. Processo di deposizione e ricottura del film: il controllo preciso della temperatura garantisce la qualità cristallina.

Nei processi CVD, la temperatura della camera di reazione viene monitorata da sensori a termocoppia (300-1000℃), consentendo un controllo preciso della temperatura di reazione per garantire reazioni complete e uniformi e una composizione del film pura; nei processi PVD, le temperature del target e del substrato vengono monitorate per prevenire il surriscaldamento del target e controllare l'aumento e la diminuzione della temperatura del substrato per migliorare l'adesione del film. Nel processo di ricottura del wafer, sensori di temperatura collegati tramite termoresistenza e sensori a termocoppia controllano con precisione il gradiente di temperatura, la velocità di riscaldamento e la velocità di raffreddamento del forno di ricottura per eliminare le tensioni interne nel wafer e migliorare la struttura cristallina, migliorando così le prestazioni elettriche del wafer.

3. Processi di incisione e pulizia: regolazione dell'efficienza della reazione

Nella fase di incisione a umido, la velocità di incisione è direttamente correlata alla temperatura. I sensori di temperatura monitorano in tempo reale la temperatura della soluzione di incisione e la mantengono entro l'intervallo impostato (tipicamente 25-40 °C) per evitare un'incisione eccessiva ad alte temperature e un'incisione incompleta a basse temperature; nella fase di incisione a secco, la temperatura del plasma viene monitorata per prevenire danni alla struttura del circuito sul wafer dovuti alle alte temperature. Nel processo di pulizia, la temperatura della soluzione detergente viene monitorata per migliorare l'efficienza della pulizia, evitando al contempo danni allo strato di ossido sulla superficie del wafer dovuti alle alte temperature.

4. Manutenzione delle apparecchiature: prevenire i guasti dovuti al surriscaldamento

Le apparecchiature per la produzione di semiconduttori (pompe per vuoto, compressori, sistemi di raffreddamento, meccanismi di trasmissione) sono soggette a guasti da surriscaldamento a causa del funzionamento prolungato ad alta velocità. I ​​sensori di temperatura monitorano in tempo reale le temperature dei componenti chiave delle apparecchiature. Quando la temperatura supera la soglia, si attivano i sistemi di protezione e gli allarmi per prevenire danni alle apparecchiature; allo stesso tempo, viene monitorata la temperatura del meccanismo di trasmissione dei wafer per evitare che le alte temperature contaminino i wafer o compromettano la precisione della trasmissione, garantendo la continuità della produzione.

Sensori di livello

(1) Tipi di nuclei adatti all'industria dei semiconduttori

Nella produzione di semiconduttori, i liquidi che devono essere controllati includono soluzioni di incisione, soluzioni detergenti, fotoresist, acqua deionizzata e liquidi di scarto. Questi liquidi sono per lo più corrosivi e soggetti a contaminazione. I sensori di livello devono soddisfare i requisiti di funzionamento senza contatto, resistenza alla corrosione e alta precisione. Le tipologie più diffuse sono i sensori di livello capacitivi (adatti a liquidi corrosivi), i sensori di livello fotoelettrici (adatti al rilevamento di perdite) e i sensori di livello a immersione (adatti a serbatoi di grandi dimensioni).

(2) Scenari applicativi principali

1. Stoccaggio dei liquidi di processo: prevenire fuoriuscite e interruzioni di fornitura

I liquidi di processo, come la soluzione di incisione, la soluzione detergente e il fotoresist, sono conservati in serbatoi dedicati. I sensori di livello monitorano in tempo reale l'altezza del liquido e implementano un sistema di allarme bidirezionale: quando il livello del liquido è inferiore alla soglia impostata, viene attivato un allarme di rabbocco per evitare l'interruzione del processo a causa di un'interruzione dell'alimentazione; quando il livello del liquido è superiore alla soglia, viene attivato un allarme di trabocco per impedire che liquidi corrosivi fuoriescano e contaminino l'ambiente di produzione, danneggiando apparecchiature e wafer. Per i liquidi corrosivi come il fotoresist, viene utilizzato un sensore capacitivo senza contatto per evitare la contaminazione causata dal contatto del sensore con il liquido.

2. Rilevamento delle perdite nelle condotte: evitare rischi per la sicurezza

Le giunzioni e le valvole delle tubazioni per il trasporto dei liquidi di processo (in particolare quelle per la soluzione di incisione e per il fluoruro di idrogeno) sono soggette a perdite. Il sensore di livello fotoelettrico, installato nel punto più basso della tubazione o in corrispondenza della giunzione, è in grado di rilevare anche minime perdite. Una volta individuata una perdita, si attiva immediatamente un allarme per prevenire la diffusione di liquidi corrosivi, ridurre i danni alle apparecchiature e la contaminazione dei wafer, nonché minimizzare i tempi di fermo macchina.

3. Miscelazione dei fluidi e fornitura d'acqua: garantire un rapporto preciso

La produzione di semiconduttori richiede una grande quantità di acqua deionizzata ad elevata purezza. Il sensore di livello a immersione monitora il livello del liquido nel serbatoio di stoccaggio dell'acqua deionizzata per garantire un approvvigionamento idrico stabile ed evitare che processi come la pulizia e il raffreddamento vengano compromessi da un'insufficiente fornitura d'acqua. Nel processo di miscelazione dei reagenti chimici, il livello del liquido nel serbatoio di miscelazione viene monitorato, in combinazione con il sistema di agitazione e il sensore di flusso, per garantire una miscelazione precisa dei reagenti ed evitare la fuoriuscita di liquido durante il processo di miscelazione, assicurando la stabilità del processo.

4. Trattamento dei liquidi di scarto: controllo della conformità e processo stabile

I liquidi di scarto derivanti dal processo di incisione e dalla pulizia, prodotti durante la lavorazione, devono essere raccolti e trattati in modo uniforme. Un sensore di livello monitora il livello del liquido nel serbatoio di stoccaggio dei liquidi di scarto. Quando il livello del liquido raggiunge il valore impostato, si attiva un allarme per avvisare il personale e consentire un intervento tempestivo, evitando così la fuoriuscita di liquidi di scarto e il conseguente inquinamento ambientale. Contemporaneamente, viene monitorato il livello del liquido nell'impianto di trattamento dei liquidi di scarto per garantire la stabilità del processo e assicurare che i liquidi di scarto vengano scaricati in conformità con le normative vigenti.