Анализ состояния автоматизации систем в полупроводниковых производствах



В статье авторы пытаются определить состояние автоматизации в области микроэлектроники.

Ключевые слова: автоматизация, микроэлектроника.

Во многих случаях выражение «ручная работа» является синонимом чего-то дорогого и качественного, но в полупроводниковом производстве от этого выражения пытаются избавиться, так как при участии человека в производстве существует ряд проблем.

Например, неточность движений. Каждый оператор кладет пластину в установку по-разному, с разной силой куда-то давит, а производству необходимо выдавать каждый раз один и тот же результат, независимо от оператора.

Также важной проблемой являются ошибки, совершаемые человеком. Каким бы ответственным и сосредоточенным не был оператор, ошибки, в той или иной степени, все равно будут. Например, оператор может перепутать пластины, положить их не той стороной, выполнить не тот рецепт или перепутать маршруты.

Помимо этого, на заре полупроводникового производства стало ясно, что частицы, присутствующие в атмосфере, при попадании на пластину уничтожают приборы. Для устранения данной проблемы было принято решение о переносе производства в чистые помещения с фильтрованным воздухом. Очистить воздух не проблема, но поддерживать его чистым уже не так просто и главная проблема — человек, который является основным источником частиц в чистом помещении.

Из всего вышесказанного становится ясно, что чем меньше степень участия человека в производстве, тем больше «выход годных» с одной пластины.

Первые установки как таковой автоматизации не имели. Оператор сам открывал камеру, клал пластину, откачивал камеру, выставлял потоки газов, настраивал мощность и запускал сам процесс.

Рис. 1. Установка сухого травления Leybold F1 [1]

У данной установки имеется ряд недостатков:

1) Откачка камеры осуществлялась каждый раз при смене пластины.

2) При открытии камеры выделялись газы, а также попадали новые частицы.

3) Результаты работы установки зависели от аккуратности оператора.

На сегодняшний день, такие машины не актуальны и используются только в учебных целях.

Следующим шагом было внедрение рецептурного управления и шлюза с манипулятором. При таком управлении инженер-технолог пишет рецепт, в котором все параметры указаны, а за соблюдением параметров следит уже сама машина.

Рис. 2. Установка глубокого травления кремния Plasma Pro Estrelas 100 [2]

Камера, в которой происходит процесс, открывается редко, только для обслуживания и ремонта. Оператор загружает пластину в шлюз, откачивает шлюз до рабочего давления камеры и с помощью манипулятора перемещает пластину в камеру, возвращая манипулятор, закрывает перегородку между шлюзом и камерой. Далее остается выбрать рецепт для обработки и нажать «старт». После окончания процесса оператор вынимает манипулятором пластину и загружает через шлюз следующую. Несмотря на все преимущества, пластину в шлюз все равно кладет оператор — источник ошибок.

Такие установки широко используются и в наше время в университетах и лабораториях при изучении новых приборов.

Для устранения минусов предыдущего поколения загрузку пластин переложили на робота. Оператор ставит в установку кассету с пластинами (25 шт.), робот берет пластину из кассеты, ориентирует по базовому срезу и помещает в шлюз, а из шлюза в камеру пластину перемещает уже другой робот. Преимуществом данной установки является то, что она автоматически обрабатывает пластину за пластиной, то есть оператор может обслуживать несколько установок. Недостатком является стоимость робота, которая составляет 40 %-50 % от стоимости всей установки. При этом время технологического процесса существенно превышает время загрузки пластины, то есть робот в основном простаивает.

Рис.3 Установка сухого травления диэлектриков Rainbow [3]

Подобные установки начали широко применяться в промышленности в 80-х и 90-х и продолжают использоваться сегодня.

Чтобы устранить недостаток дороговизны робота, было предложено использовать кластерную систему, в которой один робот обслуживает сразу несколько камер. Получается один транспортный модуль и 3–6 модулей, в которых происходит обработка пластины.

Рис.4 Кластерная установка напыления Endura фирмы Applied Materials [4]

Несмотря на устранения большинства недостатков, в данной системе оператор все еще может совершить ошибку, например, взяв не ту кассету с пластинами или выбрав не тот рецепт на установке.

В заключении можно заявить, что кластерный тип установок является самым современным типом установок для автоматизации полупроводниковой промышленности.

Литература:

1. Delft University of Technology: [Электронный ресурс], URL: https://www.tudelft.nl/tnw/over-faculteit/afdelingen/quantum-nanoscience/kavli-nanolab-delft/equipment/deposition/leybold-l560 (Дата обращения: 03.01.2023).

2. Oxford Instruments Plasma Technology: [Электронный ресурс], URL: https://plasma.oxinst.com/products/dsie/plasmapro-100-estrelas-dsie (Дата обращения: 08.01.2023).

3. Lam Research: [Электронный ресурс], URL: https://www.semigroup.com/pdf_form/lam-research-rainbow-4520-etch (Дата обращения: 11.01.2023).

4. Applied Materials: [Электронный ресурс], URL: https://www.appliedmaterials.com/us/en/product-library/endura-alps-pvd-alps-co-ni.html (Дата обращения: 13.01.2023).