Tillämpningen av sensorer inom halvledarindustrin

Flödessensor

(1) Lämplig för kärntyper inom halvledarindustrin

Vid halvledartillverkning innefattar vätskorna huvudsakligen processgaser (såsom silan, ammoniak) och korrosiva vätskor (etsningslösning, rengöringslösning). Flödeskontroll måste ta hänsyn till noggrannheten vid små flödeshastigheter, antikontamineringsförmåga och korrosionsbeständighet. De vanligaste typerna inkluderar termiska gasmassflödesmätare, laminära tryckskillnadsflödesmätare, Coriolisflödesmätare och ultraljudsflödesmätare. Valet kan göras flexibelt baserat på medietyp och flödesområde.

(2) Kärnapplikationsscenarier

1. Litografiprocess: Säkerställande av exponerings- och beläggningsprecision

Litografi är ett centralt steg inom halvledartillverkning, med extremt höga krav på stabilitet i gaskoncentration och vätskeförhållande. Flödessensorer används huvudsakligen av två skäl: För det första, under exponeringsprocessen, styr de exakt flödeshastigheterna för skyddsgaser som kväve och vätefluorid för att bibehålla stabiliteten i gasatmosfären i exponeringskammaren, förhindra dammvidhäftning och oxidation av fotoresisten, och säkerställa enhetlig exponering, lämplig för små flödeskontroller (1 sccm = 1 kubikcentimeter per minut); för det andra, i beläggningsprocessen av fotoresist, övervakar de flödeshastigheten för utspädningsmedlet, justerar exakt koncentrationen och beläggningstjockleken för fotoresisten, undviker avvikelser i linjebredden och stöder processkraven för avancerade tillverkningstekniker som 7 nm och lägre.

2. Etsningsprocess: Reglering av reaktionshastighet och enhetlighet

Etsningsprocesser inkluderar torretsning och våtetsning, vilka båda kräver flödessensorer för exakt kontroll. Vid torretsning uppnås dynamisk justering av flödesförhållandena för reaktionsgaser som syre, argon och klor genom termiska flödesmätare eller Coriolis-flödesmätare för att kontrollera plasmaetsningshastigheten, vilket håller hastighetsfluktuationerna inom ±0,5 %, vilket minskar kantskador och etsningsavvikelser hos wafern. Vid våtetsning övervakas cirkulationsflödeshastigheten för etsningslösningen för att säkerställa tillräcklig kontakt och enhetlig reaktion mellan waferytan och etsningslösningen, vilket undviker lokala överetsnings- eller underetsningsproblem, särskilt lämpliga för flödesövervakning av korrosiva vätskor såsom högkoncentrerad vätefluorid och svavelsyra.

3. Filmdeponeringsprocess (CVD/PVD): Säkerställande av filmkvalitet

Kemisk ångdeponering (CVD) och fysisk ångdeponering (PVD) är viktiga processer för tillverkning av halvledarkomponentfilmer. Flödeskontroll bestämmer direkt filmernas tjocklek, sammansättning och vidhäftning. I CVD-processer uppnås exakt kontroll av flödeshastigheterna för reaktionsgaser såsom silan, ammoniak och metan genom laminära tryckskillnadsflödesmätare för att uppnå nanometernivå för tjocklekskontroll av filmer såsom kiselnitrid och kiseloxid, vilket säkerställer en jämnhet på ±1 % och minskar läckströmmen i enheten. I PVD-processer övervakas flödeshastigheten för inerta gaser såsom argon för att bibehålla stabiliteten hos gastrycket i vakuumkammaren, förhindra att föroreningar tränger in och säkerställa renheten och vidhäftningen hos metallfilmer (koppar, aluminium).

4. Hjälpprocesser: Rengöring, torkning och behandling av svansgas

I rengöringsprocessen för wafern styrs flödeshastigheterna för kväve och väte med hjälp av termiska gasmassflödesmätare för att uppnå exakt sprutning av rengöringslösning och snabb torkning av wafern, vilket undviker kvarvarande föroreningar efter rengöring. Samtidigt övervakas cirkulationsflödeshastigheten för rengöringslösningen för att säkerställa konsekventa rengöringseffekter för waferbatcher. I behandlingsprocessen för restgas övervakas utsläppsflödet för produktionsrestgasen (innehållande klorgas, vätefluorid etc., giftiga gaser) med hjälp av ultraljudsflödesmätare för att säkerställa att restgasen renas och släpps ut i enlighet med standarder, vilket undviker miljöföroreningar och säkerhetsrisker.

Trycksensorer

(1) Kärntyper lämpliga för halvledarindustrin

Inom halvledartillverkning måste de flesta kärnprocesser utföras i högvakuum eller specifika tryckmiljöer. Kärnkraven för trycksensorer är hög precision, korrosionsbeständighet och miniatyrisering. Den vanliga typen är den piezoresistiva halvledartrycksensorn (lämplig för MEMS-teknik, med hög noggrannhet), kompletterad med kapacitiva (lågt tryck, mikrotrycksmätning) och piezoelektriska (dynamisk tryckövervakning) sensorer, som kan täcka ett brett tryckmätningsområde från 10⁻⁹ Pa till 1 MPa.

(2) Kärnapplikationsscenarier

1. Tryckreglering av vakuumkammare: Stödjande av kärnprocesser

För processer som litografi, etsning och tunnfilmsdeponering, vilka alla måste utföras i en högvakuummiljö (med en vakuumgrad som når 10⁻³ till 10⁻⁹ Pa), övervakar trycksensorer tryckförändringarna i kammaren i realtid och matar tillbaka signalerna till vakuumenheten för att dynamiskt justera vakuumpumpens hastighet och arbetstillstånd, vilket bibehåller en stabil vakuumgrad. Om vakuumgraden är otillräcklig kommer det att orsaka problem som filmhål, ojämn etsning och kontaminering av fotomasken, vilket direkt minskar waferutbytet. Därför måste tryckmätningsnoggrannheten nå ±0,1 % FS (full skala) för hela intervallet.

2. Tryckreglering av processgaser: Exakt länkning av flödeskontroll

Under processgastransport leder tryckfluktuationer direkt till flödesavvikelser, vilket påverkar processstabiliteten. Trycksensorer är kopplade till flödessensorer för att uppnå dubbel sluten slinga för "tryck-flöde", som övervakar gastrycket i rörledningen i realtid och dynamiskt justerar säkerhetsventilen för att undvika tryckfluktuationer (inom ±1 %), särskilt lämplig för tryckövervakning av korrosiva gaser som klor och väteklorid, vilka kräver speciella korrosionsbeständiga beläggningar för att förhindra sensorskador.

3. Förpacknings- och bindningsprocesser: Säkerställande av vidhäftningsnoggrannhet

I processerna för waferbonding och chippackning avgör tryckreglering direkt produktens tillförlitlighet. Under waferbonding styr den piezoresistiva trycksensorn exakt bindningstrycket (vanligtvis flera millipascal till flera tiotals pascal), vilket säkerställer att de två wafers är tätt sammanfogade utan bubblor eller feljustering, vilket stöder avancerade förpackningsprocesser som staplade chip och chippackning. I plastförseglingsprocessen övervakas trycket i plastförseglingsmaterialet, och trycket i formen justeras dynamiskt för att undvika chipdeformation och otillräcklig fyllning av plastförseglingsmaterialet, vilket förbättrar förpackningskvalificeringsgraden.

4. Säkerhetsövervakning av utrustning: Undvik läckage- och felrisker

Om det finns ett tryckläckage i rörledningar och kammare i halvledarutrustning, kommer det att orsaka säkerhetsolyckor och processfel. Trycksensorer övervakar tryckförändringarna i vakuumkammare och processrörledningar i realtid. När trycket överstiger det inställda tröskelvärdet utlöses ett larm och processen avbryts för att förhindra läckage av korrosiva gaser och skador på kammaren. Samtidigt övervakas arbetstrycket för vakuumpumpar, kompressorer etc. för att snabbt upptäcka överbelastning, läckage etc. av utrustningen, vilket förlänger utrustningens livslängd.

Temperatursensorer

(1) Kärntyper lämpliga för halvledarindustrin

Halvledarprocessen kräver extremt hög precision vid temperaturkontroll. I vissa scenarier måste temperaturen ligga inom ±0,1 ℃. Vanliga temperatursensorer inkluderar termiska resistanssensorer (PT100/PT1000, med hög noggrannhet och god stabilitet), termoelementsensorer (kan motstå höga temperaturer, lämpliga för scenarier från 300 till 1800 ℃) och halvledartermistorer (NTC/PTC, med liten storlek och lämpliga för integration). Valet kan göras baserat på temperaturkontrollområdet och noggrannhetskraven.

(2) Kärnapplikationsscenarier

1. Litografiprocess: Stabilisering av temperaturen hos fotoresist och utrustning

Fotoresistens viskositet och temperaturkänslighet är extremt känsliga. Temperaturavvikelser kan leda till ojämn beläggning och ofullständig framkallning. Temperatursensorer övervakar temperaturen i fotoresistens lagringstank och beläggningsplattform i realtid för att upprätthålla en stabil temperatur (vanligtvis 23 ± 0,5 ℃); samtidigt övervakar de temperaturen på exponeringsmaskinens lins för att förhindra att linsen deformeras på grund av långvarig drift och påverkar litografins noggrannhet, vilket säkerställer en jämn linjebredd.

2. Filmavsättning och glödgningsprocess: Exakt temperaturkontroll säkerställer kristallkvalitet

I CVD-processer övervakas temperaturen i reaktionskammaren med termoelementsensorer (300-1000 ℃), vilket möjliggör exakt kontroll av reaktionstemperaturen för att säkerställa fullständiga och enhetliga reaktioner och ren filmkomposition. I PVD-processer övervakas temperaturerna på målet och substratet för att förhindra överhettning av målet och kontrollera temperaturökningen och -minskningen av substratet för att förbättra filmens vidhäftning. I waferglödgningsprocessen styr temperatursensorer sammankopplade med termiskt motstånd och termoelementsensorer exakt temperaturgradienten, uppvärmningshastigheten och kylningshastigheten för glödgningsugnen för att eliminera intern spänning i wafern och förbättra kristallstrukturen, vilket förbättrar waferns elektriska prestanda.

3. Etsnings- och rengöringsprocesser: Reglering av reaktionseffektivitet

Vid våtetsning är etsningshastigheten positivt korrelerad med temperaturen. Temperatursensorer övervakar etsningslösningens temperatur i realtid och håller den inom det inställda intervallet (vanligtvis 25-40 ℃) för att undvika överdriven etsning vid höga temperaturer och ofullständig etsning vid låga temperaturer. Vid torretsning övervakas plasmatemperaturen för att förhindra skador på kretsstrukturen på wafern på grund av höga temperaturer. I rengöringsprocessen övervakas rengöringslösningens temperatur för att förbättra rengöringseffektiviteten samtidigt som man undviker skador på oxidskiktet på waferns yta på grund av höga temperaturer.

4. Utrustningsunderhåll: Förebygga överhettningsfel

Halvledarproduktionsutrustning (vakuumpumpar, kompressorer, kylsystem, transmissionsmekanismer) är benägen att överhettas och haverera på grund av långvarig höghastighetsdrift. Temperatursensorer övervakar temperaturen på viktiga delar av utrustningen i realtid. När temperaturen överstiger tröskelvärdet utlöses övertemperaturskydd och larm för att förhindra skador på utrustningen. Samtidigt övervakas temperaturen på waferns överföringsmekanism för att förhindra att höga temperaturer kontaminerar wafern eller påverkar överföringsnoggrannheten, vilket säkerställer produktionskontinuitet.

Nivåsensorer

(1) Kärntyper lämpliga för halvledarindustrin

Vid halvledartillverkning behöver vätskor som behöver kontrolleras bland annat etsningslösning, rengöringslösning, fotoresist, avjoniserat vatten och spillvätska. Dessa vätskor är mestadels korrosiva och benägna att kontamineras. Nivåsensorerna måste uppfylla kraven på beröringsfrihet, korrosionsbeständighet och hög precision. De vanligaste typerna är kapacitiva nivåsensorer (lämpliga för korrosiva vätskor), fotoelektriska nivåsensorer (lämpliga för läckagedetektering) och nedsänkningsnivåsensorer (lämpliga för stora lagringstankar).

(2) Kärnapplikationsscenarier

1. Lagring av processvätska: Förhindra överfyllning och avbrott i tillförseln

Processvätskor som etsningslösning, rengöringslösning och fotoresist lagras i dedikerade tankar. Nivåsensorerna övervakar vätskenivån i realtid och implementerar tvåvägsvarningar: när vätskenivån är under det inställda tröskelvärdet utlöses en påfyllningsvarning för att förhindra att processen avbryts på grund av matningsfel; när vätskenivån är över tröskelvärdet utlöses en överfyllningsvarning för att förhindra att korrosiva vätskor svämmar över och förorenar produktionsmiljön, vilket skadar utrustning och wafers. För korrosiva vätskor som fotoresist används en beröringsfri kapacitiv sensor för att undvika kontaminering orsakad av att sensorn kommer i kontakt med vätskan.

2. Läckagedetektering i rörledningar: Undvik säkerhetsrisker

Skarvar och ventiler i rörledningar för transport av processvätskor (särskilt etsningslösningar och vätefluoridrör) är benägna att läcka. Den fotoelektriska nivåsensorn är installerad vid rörledningens lägsta punkt eller vid skarven, vilket kan upptäcka spårläckor. När en läcka upptäcks utlöses ett larm omedelbart för att förhindra spridning av frätande vätskor och minska utrustningsskador och kontaminering av skivor, samt minimera förluster på grund av driftstopp.

3. Vätskeblandning och vattentillförsel: Säkerställ exakt blandningsförhållande

Halvledarproduktion kräver en stor mängd avjoniserat vatten med hög renhet. Nivåsensorn övervakar vätskenivån i lagringstanken för avjoniserat vatten för att säkerställa stabil vattenförsörjning och undvika att processer som rengöring och kylning påverkas på grund av otillräcklig vattenförsörjning. I blandningsprocessen för kemiska reagenser övervakas vätskenivån i blandningstanken, i kombination med omrörningssystemet och flödessensorn, för att säkerställa exakt reagensblandning och undvika vätskeöverflöde under blandningsprocessen, vilket säkerställer processstabilitet.

4. Behandling av flytande avfall: Kontroll av efterlevnad och stabil process

Etsningsavloppsvätskan och rengöringsavloppsvätskan som produceras under produktionsprocessen måste samlas upp och behandlas jämnt. Nivåsensorn övervakar vätskenivån i avloppsvätskans lagringstank. När vätskenivån når det inställda värdet utlöses en utsläppsvarning för att meddela personalen att åtgärda problemet i tid för att förhindra att överflödig avloppsvätska orsakar miljöföroreningar. Samtidigt övervakas vätskenivån i avloppsvätskans behandlingsutrustning för att säkerställa behandlingsprocessens stabilitet och säkerställa att avloppsvätskan släpps ut i enlighet med standarder.