Применение датчиков в полупроводниковой промышленности

Датчик расхода

(1) Подходит для основных типов в полупроводниковой промышленности

В полупроводниковом производстве в качестве рабочих жидкостей в основном используются технологические газы (например, силан, аммиак) и коррозионные жидкости (травильные растворы, чистящие растворы). При регулировании расхода необходимо учитывать точность малых скоростей потока, устойчивость к загрязнениям и коррозионную стойкость. К основным типам относятся тепловые газовые расходомеры, расходомеры с ламинарным перепадом давления, кориолисовые расходомеры и ультразвуковые расходомеры. Выбор может быть гибким в зависимости от типа среды и диапазона расхода.

(2) Основные сценарии применения

1. Литографический процесс: обеспечение точности экспозиции и нанесения покрытия.

Литография — ключевой этап в производстве полупроводников, предъявляющий чрезвычайно высокие требования к стабильности концентрации газа и соотношения жидкости. Датчики потока используются в основном для двух целей: во-первых, в процессе экспонирования они точно контролируют скорость потока защитных газов, таких как азот и фторид водорода, для поддержания стабильности газовой атмосферы в экспонирующей камере, предотвращая прилипание пыли и окисление фоторезиста, а также обеспечивая равномерное экспонирование, что подходит для контроля малых потоков (1 ст.см3/мин = 1 кубический сантиметр в минуту); во-вторых, в процессе нанесения покрытия из фоторезиста они контролируют скорость потока разбавителя, точно регулируют концентрацию и толщину покрытия из фоторезиста, избегая отклонений ширины линии, что соответствует требованиям передовых технологий производства, таких как 7 нм и ниже.

2. Процесс травления: регулирование скорости реакции и равномерности.

Процессы травления включают сухое и влажное травление, для точного контроля которых необходимы датчики потока. При сухом травлении динамическая регулировка соотношения потоков реакционных газов, таких как кислород, аргон и хлор, осуществляется с помощью терморасходомеров или кориолисовых расходомеров для контроля скорости плазменного травления, поддерживая колебания скорости в пределах ±0,5%, что снижает повреждение краев и отклонения травления пластины; при влажном травлении контролируется скорость циркуляции травильного раствора для обеспечения достаточного контакта и равномерной реакции поверхности пластины с травильным раствором, избегая локальных проблем перетравливания или недотравливания, что особенно подходит для контроля потока коррозионных жидкостей, таких как высококонцентрированный фторид водорода и серная кислота.

3. Процесс осаждения пленки (CVD/PVD): обеспечение качества пленки

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и физическое осаждение из газовой фазы (PVD) являются ключевыми процессами для изготовления пленок полупроводниковых приборов. Контроль потока напрямую определяет толщину, состав и адгезию пленок. В процессах CVD точный контроль скорости потока реакционных газов, таких как силан, аммиак и метан, достигается с помощью расходомеров с ламинарным перепадом давления для достижения нанометрового контроля толщины пленок, таких как нитрид кремния и оксид кремния, обеспечивая однородность ±1% и снижая ток утечки прибора; в процессах PVD контролируется скорость потока инертных газов, таких как аргон, для поддержания стабильности давления газа в вакуумной камере, предотвращения попадания примесей и обеспечения чистоты и адгезии металлических пленок (медь, алюминий).

4. Вспомогательные процессы: очистка, сушка и обработка отходящих газов.

В процессе очистки кремниевых пластин расход азота и водорода контролируется с помощью тепловых газовых расходомеров для обеспечения точного распыления чистящего раствора и быстрого высыхания пластины, что позволяет избежать остаточных примесей после очистки; одновременно контролируется скорость циркуляции чистящего раствора для обеспечения стабильного эффекта очистки партий пластин. В процессе обработки отходящих газов расход производственных отходящих газов (содержащих хлор, фтористый водород и др., токсичные газы) контролируется ультразвуковыми расходомерами, чтобы гарантировать, что отходящие газы очищаются и сбрасываются в соответствии со стандартами, избегая загрязнения окружающей среды и рисков для безопасности.

Датчики давления

(1) Основные типы, подходящие для полупроводниковой промышленности

В полупроводниковом производстве большинство основных процессов необходимо проводить в условиях высокого вакуума или определенного давления. Основные требования к датчикам давления — высокая точность, коррозионная стойкость и миниатюризация. Наиболее распространенным типом являются полупроводниковые пьезорезистивные датчики давления (подходящие для MEMS-технологий, обладающие высокой точностью), дополненные емкостными (измерение низкого давления, микродавления) и пьезоэлектрическими (мониторинг динамического давления) датчиками, которые могут охватывать широкий диапазон измерения давления от 10⁻⁹ Па до 1 МПа.

(2) Основные сценарии применения

1. Контроль давления в вакуумных камерах: поддержка основных технологических процессов.

Для таких процессов, как литография, травление и осаждение тонких пленок, которые необходимо проводить в условиях высокого вакуума (степень вакуума достигает 10⁻³–10⁻⁹ Па), датчики давления в режиме реального времени отслеживают изменения давления в камере и передают сигналы обратно в вакуумный блок для динамической регулировки скорости и рабочего состояния вакуумного насоса, поддерживая стабильную степень вакуума. Недостаточная степень вакуума может привести к таким проблемам, как микропоры пленки, неравномерное травление и загрязнение фотошаблона, что напрямую снизит выход годных пластин. Поэтому точность измерения давления должна достигать ±0,1% от полной шкалы (FS) во всем диапазоне.

2. Регулирование давления технологических газов: точная связь с управлением потоком.

В процессе транспортировки технологического газа колебания давления напрямую приводят к отклонениям потока, влияя на стабильность процесса. Датчики давления и расхода объединены для достижения двухконтурного замкнутого контура управления «давление-расход», позволяющего в режиме реального времени контролировать давление газа в трубопроводе и динамически регулировать предохранительный клапан для предотвращения колебаний давления (в пределах ±1%). Это особенно подходит для контроля давления коррозионно-активных газов, таких как хлор и хлористый водород, требующих специальных коррозионно-стойких покрытий для предотвращения повреждения датчиков.

3. Процессы упаковки и склеивания: обеспечение точности адгезии.

В процессах склеивания пластин и упаковки чипов контроль давления напрямую определяет надежность продукта. Во время склеивания пластин пьезорезистивный датчик давления точно контролирует давление склеивания (обычно от нескольких миллипаскалей до нескольких десятков паскалей), обеспечивая плотное соединение двух пластин без пузырьков или смещения, что поддерживает передовые процессы упаковки, такие как многослойная упаковка чипов; в процессе пластиковой герметизации контролируется давление пластикового герметизирующего материала, и давление в пресс-форме динамически регулируется, чтобы избежать деформации чипа и недостаточного заполнения пластиковым герметизирующим материалом, что повышает процент качества упаковки.

4. Мониторинг безопасности оборудования: предотвращение утечек и рисков неисправностей.

Утечка давления в трубопроводах и камерах полупроводникового оборудования может привести к авариям и сбоям в технологическом процессе. Датчики давления в режиме реального времени отслеживают изменения давления в вакуумных камерах и технологических трубопроводах. Когда давление превышает установленный порог, срабатывает сигнализация, и процесс прекращается, чтобы предотвратить утечку коррозионных газов и повреждение камеры; одновременно контролируется рабочее давление вакуумных насосов, компрессоров и т. д., что позволяет оперативно обнаруживать перегрузки оборудования, утечки и т. д., продлевая срок службы оборудования.

Датчики температуры

(1) Основные типы, подходящие для полупроводниковой промышленности

В полупроводниковой промышленности требуется чрезвычайно высокая точность контроля температуры. В некоторых случаях температура должна находиться в пределах ±0,1℃. К распространенным датчикам температуры относятся терморезисторы (PT100/PT1000, обладающие высокой точностью и стабильностью), термопары (способные выдерживать высокие температуры, подходящие для диапазонов от 300 до 1800℃) и полупроводниковые термисторы (NTC/PTC, имеющие малые размеры и подходящие для интеграции). Выбор может осуществляться в зависимости от диапазона контроля температуры и требований к точности.

(2) Основные сценарии применения

1. Литографический процесс: стабилизация температуры фоторезиста и оборудования.

Вязкость и чувствительность фоторезиста к температуре чрезвычайно высоки. Отклонения температуры могут привести к неравномерному нанесению покрытия и неполному проявлению. Датчики температуры в режиме реального времени контролируют температуру резервуара для хранения фоторезиста и платформы для нанесения покрытия, поддерживая стабильную температуру (обычно 23±0,5℃); одновременно они контролируют температуру линзы экспонирующего аппарата, предотвращая деформацию линзы из-за длительной эксплуатации и влияя на точность литографии, обеспечивая постоянство ширины линии.

2. Процесс нанесения пленки и отжига: точный контроль температуры обеспечивает качество кристалла.

В процессах CVD температура реакционной камеры контролируется термопарными датчиками (300-1000℃), что позволяет точно регулировать температуру реакции для обеспечения полного и равномерного протекания реакции и чистого состава пленки; в процессах PVD контролируется температура мишени и подложки для предотвращения перегрева мишени и регулирования повышения и понижения температуры подложки для улучшения адгезии пленки. В процессе отжига пластин датчики температуры, соединенные терморезистором и термопарными датчиками, точно контролируют температурный градиент, скорость нагрева и скорость охлаждения печи для отжига, чтобы устранить внутренние напряжения в пластине и улучшить кристаллическую структуру, тем самым повышая электрические характеристики пластины.

3. Процессы травления и очистки: регулирование эффективности реакции

При влажном травлении скорость травления положительно коррелирует с температурой. Датчики температуры в режиме реального времени контролируют температуру травильного раствора и поддерживают ее в заданном диапазоне (обычно 25-40℃), чтобы избежать чрезмерного травления при высоких температурах и неполного травления при низких температурах; при сухом травлении контролируется температура плазмы, чтобы предотвратить повреждение структуры схемы на пластине из-за высоких температур. В процессе очистки контролируется температура чистящего раствора для повышения эффективности очистки и предотвращения повреждения оксидного слоя на поверхности пластины из-за высоких температур.

4. Техническое обслуживание оборудования: предотвращение перегрева и поломок.

Оборудование для производства полупроводников (вакуумные насосы, компрессоры, системы охлаждения, механизмы передачи) подвержено перегреву и поломкам из-за длительной работы на высоких скоростях. Датчики температуры в режиме реального времени контролируют температуру ключевых частей оборудования. При превышении порогового значения срабатывает защита от перегрева и сигнализация, предотвращая повреждение оборудования; одновременно контролируется температура механизма передачи пластин, чтобы предотвратить загрязнение пластин высокими температурами или снижение точности передачи, обеспечивая непрерывность производства.

Датчики уровня

(1) Основные типы, подходящие для полупроводниковой промышленности

В полупроводниковом производстве необходимо контролировать уровень таких жидкостей, как травильный раствор, чистящий раствор, фоторезист, деионизированная вода и отработанные жидкости. Эти жидкости в основном коррозионно-активны и склонны к загрязнению. Датчики уровня должны соответствовать требованиям бесконтактности, коррозионной стойкости и высокой точности. Основные типы датчиков — емкостные датчики уровня (подходят для коррозионно-активных жидкостей), фотоэлектрические датчики уровня (подходят для обнаружения утечек) и погружные датчики уровня (подходят для больших резервуаров).

(2) Основные сценарии применения

1. Хранение технологических жидкостей: предотвращение перелива и перебоев в подаче.

Технологические жидкости, такие как травильный раствор, чистящий раствор и фоторезист, хранятся в специальных резервуарах. Датчики уровня отслеживают высоту уровня жидкости в режиме реального времени и обеспечивают двустороннюю систему предупреждений: когда уровень жидкости ниже установленного порогового значения, срабатывает предупреждение о необходимости пополнения, чтобы предотвратить прерывание процесса из-за сбоя в подаче; когда уровень жидкости выше порогового значения, срабатывает предупреждение о переливе, чтобы предотвратить перелив агрессивных жидкостей и загрязнение производственной среды, повреждение оборудования и пластин. Для агрессивных жидкостей, таких как фоторезист, используется бесконтактный емкостной датчик, чтобы избежать загрязнения, вызванного контактом датчика с жидкостью.

2. Обнаружение утечек в трубопроводах: предотвращение угроз безопасности.

Соединения и клапаны трубопроводов для транспортировки технологических жидкостей (особенно трубопроводов для травильных растворов и фтороводорода) подвержены протечкам. Фотоэлектрический датчик уровня устанавливается в нижней точке трубопровода или в месте соединения и может обнаруживать следы утечек. При обнаружении утечки немедленно срабатывает сигнализация, предотвращая распространение коррозионных жидкостей, уменьшая повреждения оборудования и загрязнение пластин, а также минимизируя потери из-за простоев.

3. Смешивание жидкостей и водоснабжение: обеспечение точного соотношения.

Для производства полупроводников требуется большое количество высокочистой деионизированной воды. Погружной датчик уровня контролирует уровень жидкости в резервуаре для хранения деионизированной воды, обеспечивая стабильную подачу воды и предотвращая влияние недостатка воды на такие процессы, как очистка и охлаждение. В процессе смешивания химических реагентов уровень жидкости в смесительном резервуаре контролируется в сочетании с системой перемешивания и датчиком расхода, что обеспечивает точное смешивание реагентов и предотвращает перелив жидкости во время процесса смешивания, гарантируя стабильность процесса.

4. Очистка сточных вод: контроль соответствия нормативным требованиям и обеспечение стабильности процесса.

Сточные воды от травления и очистки, образующиеся в процессе производства, необходимо собирать и утилизировать единообразным образом. Датчик уровня контролирует уровень жидкости в резервуаре для хранения сточных вод. Когда уровень жидкости достигает заданного значения, срабатывает предупреждение о выбросе, оповещающее персонал о необходимости своевременной утилизации сточных вод, чтобы предотвратить перелив и загрязнение окружающей среды; одновременно контролируется уровень жидкости в оборудовании для очистки сточных вод, чтобы обеспечить стабильность процесса очистки и гарантировать сброс сточных вод в соответствии со стандартами.