A aplicação de sensores na indústria de semicondutores

Sensor de fluxo

(1) Adequado para tipos de núcleo na indústria de semicondutores

Na produção de semicondutores, os fluidos incluem principalmente gases de processo (como silano, amônia) e líquidos corrosivos (solução de corrosão, solução de limpeza). O controle de fluxo precisa levar em consideração a precisão em baixas vazões, a capacidade anticontaminação e a resistência à corrosão. Os tipos mais comuns incluem medidores de vazão mássica de gás térmicos, medidores de vazão diferencial de pressão laminar, medidores de vazão Coriolis e medidores de vazão ultrassônicos. A seleção pode ser feita de forma flexível com base no tipo de fluido e na faixa de vazão.

(2) Cenários de Aplicação Principais

1. Processo de litografia: Garantindo a precisão da exposição e do revestimento

A litografia é uma etapa fundamental na fabricação de semicondutores, com requisitos extremamente rigorosos quanto à estabilidade da concentração de gases e da proporção de líquidos. Os sensores de fluxo são utilizados principalmente em dois aspectos: primeiro, durante o processo de exposição, controlam com precisão as taxas de fluxo de gases protetores, como nitrogênio e fluoreto de hidrogênio, para manter a estabilidade da atmosfera gasosa na câmara de exposição, prevenindo a adesão de poeira e a oxidação do fotorresiste, e garantindo uma exposição uniforme, sendo adequados para controle de fluxo reduzido (1 sccm = 1 centímetro cúbico por minuto); segundo, no processo de deposição do fotorresiste, monitoram a taxa de fluxo do diluente, ajustando com precisão a concentração e a espessura da camada de fotorresiste, evitando desvios na largura da linha, atendendo aos requisitos de processo de tecnologias de fabricação avançadas, como as de 7 nm e inferiores.

2. Processo de corrosão: regulagem da taxa de reação e uniformidade

Os processos de corrosão incluem corrosão a seco e corrosão úmida, ambos exigindo sensores de fluxo para controle preciso. Na corrosão a seco, o ajuste dinâmico das taxas de fluxo de gases de reação, como oxigênio, argônio e cloro, é realizado por meio de medidores de fluxo térmicos ou de Coriolis para controlar a taxa de corrosão por plasma, mantendo as flutuações da taxa dentro de ±0,5%, reduzindo danos nas bordas e desvios na corrosão do wafer. Na corrosão úmida, a taxa de fluxo de circulação da solução de corrosão é monitorada para garantir contato suficiente e reação uniforme da superfície do wafer com a solução, evitando problemas de corrosão excessiva ou insuficiente localizada, sendo especialmente adequada para o monitoramento do fluxo de líquidos corrosivos, como fluoreto de hidrogênio e ácido sulfúrico em alta concentração.

3. Processo de Deposição de Filme (CVD/PVD): Garantindo a Qualidade do Filme

A deposição química de vapor (CVD) e a deposição física de vapor (PVD) são processos essenciais para a fabricação de filmes para dispositivos semicondutores. O controle do fluxo determina diretamente a espessura, a composição e a adesão dos filmes. Nos processos de CVD, o controle preciso das vazões de gases de reação, como silano, amônia e metano, é obtido por meio de medidores de fluxo diferencial de pressão laminar, permitindo o controle da espessura de filmes como nitreto de silício e óxido de silício em nível nanométrico, garantindo uma uniformidade de ±1% e reduzindo a corrente de fuga do dispositivo. Já nos processos de PVD, a vazão de gases inertes, como o argônio, é monitorada para manter a estabilidade da pressão do gás na câmara de vácuo, impedindo a entrada de impurezas e garantindo a pureza e a adesão dos filmes metálicos (cobre, alumínio).

4. Processos auxiliares: limpeza, secagem e tratamento de gases residuais

No processo de limpeza de wafers, as vazões de nitrogênio e hidrogênio são controladas por medidores de vazão mássica de gás térmico para garantir a pulverização precisa da solução de limpeza e a secagem rápida do wafer, evitando impurezas residuais após a limpeza. Simultaneamente, a vazão de circulação da solução de limpeza é monitorada para assegurar a consistência dos resultados da limpeza em lotes de wafers. No processo de tratamento de gases residuais, a vazão de emissão dos gases residuais da produção (que contêm gases tóxicos como cloro e fluoreto de hidrogênio) é monitorada por medidores de vazão ultrassônicos para garantir que os gases residuais sejam purificados e descartados em conformidade com as normas, evitando a poluição ambiental e riscos à segurança.

Sensores de pressão

(1) Tipos de núcleos adequados para a indústria de semicondutores

Na fabricação de semicondutores, a maioria dos processos principais precisa ser realizada em alto vácuo ou em ambientes de pressão específica. Os principais requisitos para sensores de pressão são alta precisão, resistência à corrosão e miniaturização. O tipo mais comum é o sensor de pressão piezoresistivo semicondutor (adequado para tecnologia MEMS, com alta precisão), complementado por sensores capacitivos (baixa pressão, medição de micropressão) e piezoelétricos (monitoramento de pressão dinâmica), que podem cobrir uma ampla faixa de medição de pressão de 10⁻⁹ Pa a 1 MPa.

(2) Cenários de Aplicação Principais

1. Controle de pressão em câmaras de vácuo: suporte a processos essenciais

Para processos como litografia, corrosão e deposição de filmes finos, que precisam ser realizados em um ambiente de alto vácuo (com um grau de vácuo atingindo 10⁻³ a 10⁻⁹ Pa), sensores de pressão monitoram as mudanças de pressão na câmara em tempo real e enviam os sinais de volta para a unidade de vácuo para ajustar dinamicamente a velocidade e o estado de funcionamento da bomba de vácuo, mantendo um grau de vácuo estável. Se o grau de vácuo for insuficiente, isso causará problemas como poros no filme, corrosão irregular e contaminação da fotomáscara, reduzindo diretamente o rendimento do wafer. Portanto, a precisão da medição de pressão precisa atingir ±0,1% da escala completa (FS) em toda a faixa.

2. Regulação da pressão de gases de processo: vinculando o controle de fluxo com precisão

Durante o transporte de gases de processo, as flutuações de pressão levam diretamente a desvios de fluxo, afetando a estabilidade do processo. Sensores de pressão são interligados a sensores de fluxo para alcançar um controle de malha fechada dupla "pressão-fluxo", monitorando a pressão do gás na tubulação em tempo real e ajustando dinamicamente a válvula de alívio para evitar flutuações de pressão (dentro de ±1%), sendo especialmente adequado para o monitoramento da pressão de gases corrosivos como cloro e cloreto de hidrogênio, que requerem revestimentos especiais resistentes à corrosão para evitar danos aos sensores.

3. Processos de Embalagem e Colagem: Garantindo a Precisão da Adesão

Nos processos de colagem de wafers e encapsulamento de chips, o controle de pressão determina diretamente a confiabilidade do produto. Durante a colagem de wafers, o sensor de pressão piezoresistivo controla com precisão a pressão de colagem (geralmente de alguns milipascais a várias dezenas de pascais), garantindo que os dois wafers estejam firmemente aderidos, sem bolhas ou desalinhamento, o que permite processos avançados de encapsulamento, como chips empilhados e encapsulamento de chips. No processo de selagem plástica, a pressão do material de selagem é monitorada e a pressão no molde é ajustada dinamicamente para evitar deformações do chip e preenchimento insuficiente do material de selagem, melhorando a taxa de aprovação do encapsulamento.

4. Monitoramento da segurança dos equipamentos: como evitar riscos de vazamento e falhas

Se houver vazamento de pressão nas tubulações e câmaras de equipamentos semicondutores, isso causará acidentes e falhas no processo. Sensores de pressão monitoram as variações de pressão em câmaras de vácuo e tubulações de processo em tempo real. Quando a pressão excede o limite predefinido, um alarme é acionado e o processo é interrompido para evitar vazamentos de gases corrosivos e danos à câmara; simultaneamente, a pressão de operação de bombas de vácuo, compressores, etc., é monitorada para detectar prontamente sobrecargas, vazamentos e outros problemas nos equipamentos, prolongando sua vida útil.

Sensores de temperatura

(1) Tipos de núcleos adequados para a indústria de semicondutores

O processo de fabricação de semicondutores exige altíssima precisão no controle de temperatura. Em alguns casos, a temperatura deve estar dentro de uma faixa de ±0,1 °C. Os sensores de temperatura comuns incluem sensores de resistência térmica (PT100/PT1000, com alta precisão e boa estabilidade), sensores de termopar (capazes de suportar altas temperaturas, adequados para cenários que variam de 300 a 1800 °C) e termistores semicondutores (NTC/PTC, de tamanho reduzido e adequados para integração). A seleção pode ser feita com base na faixa de controle de temperatura e nos requisitos de precisão.

(2) Cenários de Aplicação Principais

1. Processo de litografia: estabilização da temperatura do fotorresiste e dos equipamentos

A viscosidade e a sensibilidade do fotorresiste à temperatura são extremamente sensíveis. Variações de temperatura podem levar a uma aplicação irregular e revelação incompleta. Sensores de temperatura monitoram em tempo real a temperatura do tanque de armazenamento do fotorresiste e da plataforma de aplicação para manter uma temperatura estável (tipicamente 23 ± 0,5 °C); ao mesmo tempo, monitoram a temperatura da lente da máquina de exposição para evitar que a lente se deforme devido à operação prolongada e afete a precisão da litografia, garantindo a consistência da largura da linha.

2. Processo de deposição e recozimento do filme: o controle preciso da temperatura garante a qualidade do cristal.

Nos processos de CVD, a temperatura da câmara de reação é monitorada por sensores de termopar (300-1000 °C), permitindo um controle preciso da temperatura de reação para garantir reações completas e uniformes e uma composição de filme pura; nos processos de PVD, as temperaturas do alvo e do substrato são monitoradas para evitar o superaquecimento do alvo e controlar o aumento e a diminuição da temperatura do substrato para melhorar a adesão do filme. No processo de recozimento do wafer, sensores de temperatura interligados por sensores de resistência térmica e termopares controlam com precisão o gradiente de temperatura, a taxa de aquecimento e a taxa de resfriamento do forno de recozimento para eliminar a tensão interna no wafer e melhorar a estrutura cristalina, aumentando assim o desempenho elétrico do wafer.

3. Processos de corrosão e limpeza: regulando a eficiência da reação

Na corrosão úmida, a taxa de corrosão está diretamente relacionada à temperatura. Sensores de temperatura monitoram a temperatura da solução de corrosão em tempo real e a mantêm dentro da faixa definida (tipicamente entre 25 e 40 °C) para evitar corrosão excessiva em altas temperaturas e corrosão incompleta em baixas temperaturas. Na corrosão seca, a temperatura do plasma é monitorada para evitar danos à estrutura do circuito no wafer devido a altas temperaturas. No processo de limpeza, a temperatura da solução de limpeza é monitorada para melhorar a eficiência da limpeza, evitando danos à camada de óxido na superfície do wafer devido a altas temperaturas.

4. Manutenção de Equipamentos: Prevenção de Falhas por Superaquecimento

Equipamentos de produção de semicondutores (bombas de vácuo, compressores, sistemas de refrigeração, mecanismos de transmissão) são propensos a falhas por superaquecimento devido à operação prolongada em alta velocidade. Sensores de temperatura monitoram em tempo real a temperatura de componentes-chave do equipamento. Quando a temperatura ultrapassa o limite predefinido, a proteção contra superaquecimento e alarmes são acionados para evitar danos ao equipamento; simultaneamente, a temperatura do mecanismo de transmissão de wafers é monitorada para evitar que altas temperaturas contaminem o wafer ou afetem a precisão da transmissão, garantindo a continuidade da produção.

Sensores de nível

(1) Tipos de núcleos adequados para a indústria de semicondutores

Na produção de semicondutores, os líquidos que precisam ser controlados incluem solução de corrosão, solução de limpeza, fotorresistente, água deionizada e efluentes líquidos. Esses líquidos são, em sua maioria, corrosivos e propensos à contaminação. Os sensores de nível devem atender aos requisitos de operação sem contato, resistência à corrosão e alta precisão. Os tipos mais comuns são sensores de nível capacitivos (adequados para líquidos corrosivos), sensores de nível fotoelétricos (adequados para detecção de vazamentos) e sensores de nível por imersão (adequados para grandes tanques de armazenamento).

(2) Cenários de Aplicação Principais

1. Armazenamento de líquidos de processo: Prevenção de transbordamentos e interrupções no fornecimento

Os líquidos de processo, como solução de corrosão, solução de limpeza e fotorresiste, são armazenados em tanques dedicados. Os sensores de nível monitoram a altura do nível do líquido em tempo real e implementam alertas bidirecionais: quando o nível do líquido está abaixo do limite definido, um alerta de reabastecimento é acionado para evitar a interrupção do processo devido à falha no fornecimento; quando o nível do líquido está acima do limite, um alerta de transbordamento é acionado para evitar que líquidos corrosivos transbordem e contaminem o ambiente de produção, danificando equipamentos e wafers. Para líquidos corrosivos, como o fotorresiste, utiliza-se um sensor capacitivo sem contato para evitar a contaminação causada pelo contato do sensor com o líquido.

2. Detecção de Vazamentos em Dutos: Evite Riscos à Segurança

As juntas e válvulas das tubulações de transporte de líquidos de processo (especialmente as de solução de corrosão e fluoreto de hidrogênio) são propensas a vazamentos. O sensor de nível fotoelétrico é instalado no ponto mais baixo da tubulação ou na junta, sendo capaz de detectar vazamentos mínimos. Assim que um vazamento é detectado, um alarme é acionado imediatamente para evitar a propagação de líquidos corrosivos, reduzir danos aos equipamentos e contaminação dos wafers, além de minimizar as perdas por tempo de inatividade.

3. Mistura de fluidos e abastecimento de água: Garantir a proporção precisa

A produção de semicondutores exige uma grande quantidade de água deionizada de alta pureza. O sensor de nível por imersão monitora o nível do líquido no tanque de armazenamento de água deionizada para garantir um fornecimento estável e evitar que processos como limpeza e resfriamento sejam afetados por falta de água. No processo de mistura de reagentes químicos, o nível do líquido no tanque de mistura é monitorado, em conjunto com o sistema de agitação e o sensor de fluxo, para garantir uma mistura precisa dos reagentes e evitar transbordamentos durante o processo, assegurando a estabilidade do mesmo.

4. Tratamento de Efluentes Líquidos: Controle de Conformidade e Processo Estável

Os efluentes líquidos de corrosão e limpeza gerados durante o processo de produção precisam ser coletados e tratados de forma uniforme. O sensor de nível monitora o nível do líquido no tanque de armazenamento de efluentes. Quando o nível do líquido atinge o valor predefinido, um alerta de emissão é acionado para notificar a equipe e evitar o transbordamento de efluentes que possam causar poluição ambiental. Simultaneamente, o nível do líquido no equipamento de tratamento de efluentes é monitorado para garantir a estabilidade do processo e assegurar que o descarte dos efluentes esteja em conformidade com as normas.