Halbleiterausbeuten durch optimierte Legierungslösungen maximieren

Halbleiterfertigungsausbeuten mit optimierten Materialien verbessern

Masroor Malik, Semiconductor Market Manager, Swagelok, und Shelly Tang, Lead Principal Metallurgical Engineer, Swagelok

Schnelle Innovation ist eine Notwendigkeit in der hochkompetitiven Halbleiterlandschaft. Ein Großteil der modernen Welt hängt von der Entwicklung immer leistungsstärkerer Chips ab, die immer kleinere Transistoren nutzen, um hohe Verarbeitungsleistung zu erzeugen. Moores Gesetz, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem gegebenen Chip alle zwei Jahre verdoppelt, hat seit den 1970ern Bestand und beeinflusst die Transistorenentwicklung bis heute.

Fertiger müssen natürlich diese Innovationsanforderungen mit ihrer eigenen Fähigkeit in Einklang bringen, sowohl Produktionsausstoß als auch Rentabilität zu maximieren. Wie geht das? Ein aktueller Bericht von McKinsey & Company¹ legt nahe, dass mehrere gängige Strategien – Senkung der Arbeitskosten, Reduzierung des Materialverbrauchs und Reduzierung der globalen Beschaffungsausgaben – sich kurzfristig als wirksam erwiesen haben, aber langfristig keine Rentabilitätsgewinne gebracht haben.

Stattdessen schlägt der Bericht vor, dass Halbleiterfertiger Kosten effektiver managen und höhere Rentabilität nachhaltig sichern können, indem sie die End-to-End-Ausbeute verbessern. „Ausbeuteoptimierung wird seit langem als eines der kritischsten, doch schwer zu erreichenden Ziele angesehen – somit ein Wettbewerbsvorteil in Halbleiteroperationen“, laut McKinsey.

End-to-End-Ausbeuten können auf verschiedene Weise verbessert werden, aber es gibt signifikantes Potenzial in einem manchmal übersehenen Bereich des Halbleiterfertigungsprozesses: kritische Fluidsysteme und -komponenten, die Reaktanten-Halogengase vom Lager zur Abscheidungskammer transportieren. Da die Prozessbedingungen anspruchsvoller werden und Reaktionsgase leichter und aggressiver werden, müssen diese Systeme das höchste Leistungsniveau bieten – und viel davon hängt von den Materialien ab, aus denen sie hergestellt sind.

In der heutigen Halbleiterchip-Produktionsumgebung bieten minderwertige Edelstähle oft nicht die notwendigen Leistungsniveaus. Hier ist, wie Fluidsystemkomponenten aus höherwertigen Materialien zu höheren End-to-End-Ausbeuten beitragen können und was Halbleiterfertiger bei der Spezifikation von Edelstählen berücksichtigen sollten.

Auswirkungen von Fluidsystemen auf das Ausbeutepotenzial.

Die Auswirkungen von Fluidsystemen auf die Ausbeute werden hauptsächlich durch zwei Schlüsselfaktoren beeinflusst: Kontamination und Korrosion.

Erstens wird Kontaminationswiderstand, da Prozesstransistoren immer kleiner werden, zu einem immer wichtigeren Leistungsattribut für Ultrahochreinheits-Produktionsumgebungen. Selbst minimale, mikroskopische Fremdpartikel können ein großes Problem verursachen. Die richtigen Fluidsystemkomponenten können helfen, Kontaminanten davon abzuhalten, in den Chipfertigungsprozess einzutreten, und dadurch zu höheren Volumina an brauchbaren Chips während eines Produktionslaufs beitragen.

Zweitens, da Halbleiterproduktionsprozesse zunehmend aggressivere Prozessgase nutzen, die möglicherweise zunehmend hohe Betriebstemperaturen erfordern, steigt das Korrosionspotenzial. Jegliche Ausfallzeit, die durch den Austausch eines korrodierten Ventils, einer Verschraubung oder eines Rohrs in diesen Systemen resultiert, kann die Produktion stoppen und die Gesamtausbeute drastisch reduzieren. Überlegene Korrosionsbeständigkeit kann Fertigern helfen, diese Art von Ausfallzeiten zu vermeiden. Sicherheit ist auch hier eine große Überlegung – eine Systemkomponente, die nicht ordnungsgemäß funktioniert, kann zu einem potenziell gefährlichen Leck führen.

Höhere Leistung durch strategische Materialauswahl erreichen.

Eine Edelstahlformulierung mit einem optimierten Gleichgewicht aus Hochleistungslegierungen und Restgehalt ist für Halbleiterproduktionsumgebungen kritisch.

Zum Beispiel erhöhen erhöhte Mengen an Chrom, Nickel und Molybdän in Edelstahlformulierungen sowohl die Festigkeit des Materials als auch die Fähigkeit, Korrosion durch Kontakt mit aggressiven Systemmedien zu widerstehen. Bestimmter Restgehalt muss in der Formulierung verbleiben – beispielsweise ist ein spezifisches Gleichgewicht von Schwefel erforderlich, um optimale Endverbraucherkomponenten-Oberflächenveredelung und Schweißbarkeit zu gewährleisten. Dies ist eine herausfordernde Kombination von Leistungsattributen, die auszugleichen ist, und erfordert einen Hersteller mit hohem Erfahrungs- und Wissensstand in Metallurgie und Materialwissenschaft.

In der Halbleiterfertigung sind jedoch Sauberkeit und Reinheit von kritischer Bedeutung. Sauberkeit kann durch die Verwendung von Hochreinheitsmaterial mit minimierten Verunreinigungen im Edelstahl durch Prozesse wie Argon-Sauerstoff-Entkohlung (AOD), Vakuum-Induktionsschmelzen (VIM) und Vakuum-Lichtbogennachschmelzen (VAR) verbessert werden. Strenge Qualitätskontroll- und Testmethoden sollten ebenfalls vom Hersteller eingesetzt werden – Maßnahmen wie Ultraschallprüfung, Wirbelstromprüfung und andere Methoden können selbst kleinste interne oder externe Unvollkommenheiten erkennen, die die Reinheit beeinträchtigen können. Nachbearbeitungsprozesse wie Elektropolieren und Passivierung für bestimmte Materialien können die Komponentensauberkeit weiter verbessern.

Worauf Sie bei Ihrem Fluidsystemkomponenten-Lieferanten achten sollten.

Um Kontamination zu reduzieren, Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und zu höheren End-to-End-Produktionsausbeuten beizutragen, sollten Halbleiterfertiger nach bewährten Fluidsystemkomponenten-Lieferanten suchen, die die einzigartigen Bedürfnisse ihrer kritischen Anwendungen verstehen und Lösungen mit optimierter Funktionalität und Materialkonstruktion anbieten.

Ein idealer Lieferant sollte in der Lage sein, …

• Materialwissenschaft und Halbleiterfertigungsherausforderungen gründlich zu verstehen
• Hochwertigsten Edelstahl von bewährten Lieferanten zu beschaffen
• Eng spezifizierte Materialchemie und Verarbeitungsstandards aufrechtzuerhalten
• Alle Edelstahlmaterialien rigoros und gründlich zu testen
• Strenge Kontrolle über Materialien während des gesamten Fertigungsprozesses zu halten
• Alle Edelstahlmaterialien vom Rohmaterial bis zum Versand für 100% Rückverfolgbarkeit zu verfolgen

Die Suche nach einem Lieferanten, der jedes dieser Attribute demonstriert, lohnt sich für Halbleiterhersteller, die in diesem hochkompetitiven Bereich Spitzenleistung erzielen wollen. Einen Lieferanten zu finden, der hochleistende Produkte anbietet, die Kontamination und Korrosion durch richtige Materialwahl und Produktdesign minimieren, hat signifikantes ROI-Potenzial.

Interessiert daran, mehr darüber zu erfahren, wie optimierte Fluidsysteme Ihnen helfen können, langfristige Rentabilitätsgewinne zu erzielen? Swagelok hat jahrzehntelange Erfahrung in der Bereitstellung von Hochleistungskomponenten für die Halbleiterindustrie. Kontaktieren Sie unser Team und erfahren Sie, wie Sie heute davon profitieren können.

¹ „Taking the next leap forward in semiconductor yield improvement“, McKinsey & Company, 2. Mai 2018.

Masroor Malik ist Semiconductor Market Manager für die Swagelok Company. In seinen zweiundzwanzig Jahren im Unternehmen hat er signifikante technische Erfahrung in der Unterstützung von Kunden im gesamten Halbleitermarkt. Er hat Abschlüsse von der University of Nebraska-Lincoln und der Weatherhead School of Management an der Case Western Reserve University.

Shelly Tang ist Lead Principal Metallurgical Engineer für die Swagelok Company. In ihren fast 20 Jahren in dieser Rolle hat Shelly signifikante Erfahrung in Materialwissenschaft in einer Vielzahl kritischer Fluidsystemanwendungen. Sie hat einen Ph.D. in Materials Science and Engineering von der Penn State University.