Een siliciumwafer die de productiefaciliteit verlaat, heeft honderden processtappen doorlopen. Bij elke stap zijn nauwkeurige hoeveelheden van ultra-pure chemicaliën, gassen en slurries in het spel. Eén afwijkende flow kan een complete batch ruïneren. En een defecte leiding zonder beveiliging kan dat doen terwijl niemand het doorheeft.
⏱ ca. 6 minuten leestijd
In de halfgeleiderindustrie is flow geen bijzaak maar een kritische procesparameter die direct bepalend is voor de kwaliteit van het eindproduct. Moderne chips bestaan uit structuren van enkele nanometers, kleiner dan het golflengte van zichtbaar licht. Bij die schaal is de hoeveelheid en uniformiteit van een chemisch medium op het waferoppervlak mede bepalend voor of een transistor werkt of niet.
Flowbeheer in een waferfabriek omvat twee fundamenteel verschillende uitdagingen. De eerste is precisie: de juiste hoeveelheid van het juiste medium op het juiste moment toedienen, herhaalbaar over duizenden runs en over een productieperiode van maanden. De tweede is veiligheid: voorkomen dat een leidingbreuk, een lek of een onverwachte piekflow schade aanricht aan apparatuur, product of personeel.
Beide uitdagingen stellen eisen aan de componentkeuze die veel verder gaan dan wat in de meeste andere industrieën gangbaar is. Ultra-hoge zuiverheidsgraad van materialen, bestand zijn tegen corrosieve chemicaliën, minimale verontreiniging van het procesmedium en betrouwbaarheid over een looptijd van jaren zonder onderhoud zijn geen wensen maar harde vereisten.
Wat staat er op het spel?
Een moderne waferfabriek verwerkt substraten van honderden euros per stuk in batches van tientallen wafers tegelijk. Uitval door procesafwijkingen kost niet alleen het materiaal zelf maar ook de machinecapaciteit, de chemicaliën en de cyclustijd. Bij geavanceerde nodes kan de scrapwaarde van één mislukte batch in de tienduizenden euros lopen.
Een wafer doorloopt grofweg vier categorieën van processtappen waarbij flowbeheer cruciaal is. Elk heeft zijn eigen risicoprofiel.
Ultra-pure zuren zoals HF, H₂SO₄ en H₂O₂ worden in nauwkeurige verhoudingen gemengd en over het waferoppervlak gevoerd. Een te hoge flow etsdiepte vergroot de kans op ondernijding van structuren. Een te lage flow geeft onvolledige reiniging. Bij een leidingbreuk komen corrosieve vloeistoffen vrij in het procesgebied.
Processgassen zoals Cl₂, HBr, SiH₄ en NH₃ worden in de proceskamer geleid bij nauwkeurig gecontroleerde flowraten. Afwijkingen in gasstroom beïnvloeden laagdiktes, etsprofielen en uniformiteit over het waferoppervlak direct. Veel van deze gassen zijn ook giftig of brandbaar.
Een slurry van abrasieve deeltjes in een chemische oplossing wordt aangebracht op het waferoppervlak. De flowrate van de slurry bepaalt de polijstsnelheid en de laagdikte die wordt verwijderd. Blokkering of pulserende flow leidt tot niet-uniform polijsten en waferdefecten.
Een slurry van abrasieve deeltjes in een chemische oplossing wordt aangebracht op het waferoppervlak. De flowrate van de slurry bepaalt de polijstsnelheid en de laagdikte die wordt verwijderd. Blokkering of pulserende flow leidt tot niet-uniform polijsten en waferdefecten.
Flowbeheer in halfgeleiderproductie werkt op twee niveaus die elkaar aanvullen maar niet vervangen.
Flowmeting meet de doorstroming van een medium en geeft dat als signaal terug aan het processysteem. Flowmonitoring voegt een bewakingsfunctie toe: de flowmonitor geeft een alarm of schakelsignaal zodra de gemeten flow buiten een ingesteld venster valt. Dit is de actieve bewaking van het procesvenster. Te weinig flow kan wijzen op een verstopping. Te veel flow kan duiden op een lekke verbinding, een defect ventiel of een onbedoelde opening elders in het systeem.
In tegenstelling tot een massaflowregelaar, die actief regelt en corrigeert, is een flowmonitor een bewaker die de operator of het systeem alarmeert. In een goed ontworpen waferfabriek zit een flowmonitor stroomafwaarts van de regelaar, als onafhankelijke bewaking die ook de regelaar zelf controleert.
Een excess flow valve (EFV) werkt op een fundamenteel ander principe dan een flowmonitor. Waar een monitor meet en signaleert, grijpt de EFV mechanisch in. Zodra de flow een ingestelde drempelwaarde overschrijdt, sluit de klep automatisch en blokkeert hij de doorstroming.
Het medium stroomt door de klep. Een magneetpiston of veer wordt op zijn plek gehouden door het drukverschil dat de stromende vloeistof of het gas creëert. De klep blijft open.
Bij een plotselinge toename van flow verandert het drukverschil over de klep. De piston of het veerloze element beweegt en sluit de poort. De flow stopt bijna direct. Na drukegalisatie kan de klep handmatig of automatisch worden gereset.
Een EFV beschermt niet tegen geleidelijke lekken of kleine afwijkingen, daarvoor is de flowmonitor de juiste tool. De EFV beschermt tegen plotselinge, grote gebeurtenissen: een volledig gebroken leiding, een losschieting van een fitting of het openen van een ventiel aan het einde van een leiding. In een omgeving met corrosieve of gevaarlijke media is dit de laatste verdedigingslinie.
Waarom flowmonitoring en EFV beide nodig zijn
Een flowmonitor zonder EFV geeft een alarm bij een leidingbreuk maar stopt de flow niet automatisch. Een EFV zonder flowmonitoring reageert pas op grote events maar mist geleidelijke afwijkingen die de productkwaliteit ondermijnen. Een goed beveiligd systeem gebruikt beide lagen: bewaking voor procesintegriteit, beveiligingsklep voor noodgevallen.
ChemTec heeft sinds 1968 een assortiment flowmonitors, flowmeters en excess flow valves ontwikkeld specifiek voor toepassingen waarbij lage flows, hoge zuiverheid en betrouwbaarheid over een lange levensduur vereist zijn. Het assortiment is beschikbaar via Inacom voor de Nederlandse markt.
De instelbare series (waaronder de FAV, LCA en CCM) bewaken de flow van gassen en vloeistoffen en geven een schakeluitgang bij afwijking. De setpoint is verstelbaar zonder tools, wat ze geschikt maakt voor gebruik in meerdere procesvensters. Beschikbaar in uitvoeringen van inerte materialen voor agressieve media. De CCM-serie is speciaal ontworpen voor toepassing bij gasanalysesystemen en corrosieve gassen, met minimale drukval over de sensor.
De LPH UHP-serie is ontwikkeld voor ultra-pure toepassingen in de halfgeleiderindustrie. Geen metalen in contact met het procesmedium, volledig inert ontwerp. De schakeldrempel is fabrieksingesteld op de gewenste flowwaarde. Ideaal voor in-line bewaking van UPW-systemen en ultra-pure chemicaliëndistributie waarbij verontreiniging absoluut onaanvaardbaar is.
De EFV-serie sluit automatisch bij een piekflow die wijst op een leidingbreuk of ruptuur. Beschikbaar als instelbaar model voor aangepaste activeringsdrempels en als HPEFV-variant voor hoge-drukgastoepassingen tot 6.000 psig, inclusief waterstof. Het magneetpistonprincipe zorgt voor een bijna-instantane respons zonder externe energie of besturingssignaal. Na activering wordt de klep gereset door drukegalisatie.
EFV
Maatwerk voor specifieke toepassingen
ChemTec biedt geen minimumbestelling voor maatwerk. Specifieke aansluitingen, niet-standaard materialen, aangepaste activeringsdrempels of compacte OEM-formaten worden op aanvraag ontwikkeld. ChemTec ontwerpt, produceert en test alle producten in eigen huis, wat korte doorlooptijden voor maatwerk mogelijk maakt. Neem contact op met Inacom voor toepassingsadvies en een offerte.
