Halbleiterfertigung Präzisionsmessung in Echtzeit zur Verbesserung von Yield und Prozessstabilität

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Die steigende Komplexität moderner Halbleiterfertigungsprozesse stellt Anlagenhersteller vor neue Herausforderungen bei Präzision, Prozesskontrolle und Qualitätssicherung. Insbesondere in der heterogenen 3D-Integration gewinnen Mess- und Regelkonzepte an Bedeutung.

In der Halbleiterindustrie zählt jedes Nanometer, jeder Defekt kostet Tausende von Euro und Prozessstabilität ist essenziell. Von Schleifen über CMP und Bonden hin zu Testverfahren werden von Herstellern von Halbleiterausrüstung die Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren zunehmend nicht mehr als optionale Zusatzfunktion betrachtet. In vielen Anwendungen stoßen klassische MEMS- oder Dehnungsmessstreifen-Sensoren an Grenzen hinsichtlich Auflösung, Messbereich oder Lebensdauer. Es kann sinnvoll sein, hochpräzise piezoelektrische Sensoren in Halbleiterproduktionsanlagen zu integrieren, um die steigenden Anforderungen an Ausbeute, Qualität und Effizienz zu erfüllen.

Die heterogene 3D-Integration revolutioniert die Halbleiterfertigung, indem sie Logik-, Speicher-, Hochfrequenz-(HF)- und Chiplet-Komponenten zu kompakten, leistungsstarken Systemen zusammenfügt. Dadurch werden technische Fortschritte bei künstlicher Intelligenz (KI), Hochleistungsrechnen (HPC) und 5G/6G möglich. Die Komplexität der Wafer-Bonding-, Die-Stacking- und Through-Silicon-Via-Prozesse (TSV) birgt jedoch auch erhebliche Risiken.

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Da die Bauteile immer kleiner werden und neue Materialien enthalten, schrumpfen die Toleranzen für Kraft, Druck, Vibration und Temperatur auf ein kritisches Maß. Die Ausbeute wird in jedem Prozessschritt durch spezifische Risiken beeinflusst: von der submikrometergenauen Ausrichtung beim Wafer-zu-Wafer-Bonden über die Vermeidung von Voids beim TSV-Füllen bis hin zu Chip-Verschiebungen während des Die-Attach-Prozesses oder Anomalien während der Verkapselung. Gleichzeitig steigen die wirtschaftlichen Folgen von Defekten rasant. Jede dieser Anomalitäten kann die Kosten vervielfachen, oft um mehrere tausend Euro. Produktionsanlagen mit integrierter Überwachung und Regelung können wesentlich zur Prozessstabilität und Ausbeute beitragen, um den erheblichen Wert jedes einzelnen Wafers zu schützen.

Halbleiter-Ausrüster tragen die Last der Präzision

Die Hersteller von Produktionsanlagen für die Halbleiterindustrie stehen im Zentrum des technologischen Wandels: Sie spielen eine zentrale Rolle für Präzision, Produktivität und Qualität. Damit sind sie Schlüsselfaktoren für die gesamte Branche. Während früher Geschwindigkeit und mechanische Genauigkeit als entscheidende Erfolgsparameter galten, stellen Halbleiterhersteller heute deutlich höhere Anforderungen. Gefordert werden unter anderem integrierte Sensorik, Closed-Loop-Prozessregelung sowie rückverfolgbare Qualitätsdaten, die eine vorausschauende Wartung ermöglichen. Infolgedessen entwickeln sich Anlagen von rein mechanischen Präzisionswerkzeugen zu intelligenten Systemen mit integrierter Überwachung und adaptiver Steuerung.

Failure Modes setzen die Ausbeute aufs Spiel

Die 3D-Integration ist mit einer Vielzahl komplexer und kostenintensiver Ausfallmechanismen verbunden. Defekte wie Risse oder Fehlausrichtungen lassen sich zwar durch optische Inline-Inspektion identifizieren, doch während der Produktion treten zusätzliche Risiken auf, die mit diesen Methoden nicht detektierbar sind. Thermomechanische Spannungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) können zu Verformungen oder Mikrorissbildung führen. TSV-Prozesse sind anfällig für unvollständige Füllungen und Voids, was die elektrische Integrität beeinträchtigt. Bereits minimale laterale Verschiebungen oder Neigungen im Mikrometerbereich während des Die-Attach-Prozesses können die Ausrichtung stören und eine präzise Kontaktierung der Interconnect-Strukturen verhindern. Ferner kann ein fehlerhaftes Druckprofil während der Verkapselung empfindliche Chips mechanisch schädigen.

Präzise Sensortechnologie: Fundament für Qualität und Ausbeute

Direkt in die Bondköpfe integrierte, hochauflösende piezoelektrische Kraftsensoren überwachen sämtliche Bondprozesse in Echtzeit und können das Risiko von Qualitätsabweichungen reduzieren. Anbieter wie Kistler bieten Sensorlösungen, die Halbleiter-Ausrüstern die Implementierung von Closed-Loop-Regelungen ermöglichen und eine durchgängige Prozesstransparenz unterstützen. Dank ihrer hohen Auflösung, Signalstabilität und geringen Drift liefern die Sensoren verlässliche Messdaten für Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und lückenlose Rückverfolgbarkeit. Auch unter anspruchsvollen Bedingungen wie Hochtemperatur-Bonding und -Verkapselung können stabile Messergebnisse erzielt werden. Ebenso sind die Sensoren für Reinraum- und Vakuumanwendungen optimiert.

Die kompakten, hochsensitiven Sensoren erfassen Kräfte von Nanonewton bis Kilonewton und decken damit einen breiten Messbereich und ein Anwendungsspektrum ab – von präzisem Schleifen und Chemical Mechanical Planarization (CMP) über Bonding bis hin zur Chiplet-Platzierung und -Verkapselung. Durch die hochauflösende Echtzeit-Erfassung selbst kleinster Kräfte ermöglichen sie eine präzisere Prozessregelung und tragen dazu bei, auch bei hohen Durchsatzraten eine stabile Qualität zu erreichen.

Während der Beschleunigung und des Abbremsens von Linearantrieben überwachen integrierte Beschleunigungssensoren Mikrovibrationen und Stoßereignisse, die zu Mikrometer-Verschiebungen führen können. In den nachfolgenden Prozessschritten wie Verkapselung, Underfill oder TSV-Füllung ermöglichen Drucksensoren der neuesten Generation eine kontinuierliche Echtzeit-Überwachung der Kavitäten. Dadurch lassen sich Fehler zuverlässig erkennen, eine homogene Verkapselung sicherstellen und stabile Prozessbedingungen unterstützen.

Die Sensoren liefern in Verbindung mit industriellen Ladungsverstärkern dem Steuerungssystem der Halbleiterausrüstung, Echtzeitdaten für die Kraftüberwachung, was dann eine exakte Regelung und Überwachung ermöglicht. Weiterhin sind mobile, Diagnosewerkzeuge mit integrierten Ladungsverstärkern für eine ortsunabhängige, prozessnahe Verifikation relevanter Prozessparameter und qualitätskritischer Messgrößen verfügbar.

Sensorplatzierung erfordert individuelle Lösungen

Bei der Entwicklung von Geräten für die heterogene 3D-Integration kommt es auf mehr als nur die Auswahl der geeigneten Sensortechnologie an. Entscheidend ist auch, dass die Sensoren genau dort platziert werden, wo sie aussagekräftige Messergebnisse liefern. Kistler arbeitet mit Herstellern von Halbleiterproduktionsanlagen zusammen, um die Anwendung und den Einbau zu optimieren und sicherzustellen, dass Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren optimal angewendet werden, um wichtige Messdaten zu erfassen. Zusätzliche Serviceleistungen wie Kalibrierung und Systemvalidierung tragen zu langfristiger Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei.

Innovativ agieren, um höhere Performance und Wettbewerbsvorteile zu realisieren

Der Einsatz fortschrittlicher Sensorsysteme kann eine wichtige Grundlage für stabile Produktionsprozesse, hohe Effizienz und reproduzierbare Qualität darstellen. Gleichzeitig stellen neue Produktanforderungen wie Miniaturisierung vor komplexe Herausforderungen und eröffnen zugleich neue Chancen für Differenzierung.

Nachrüstungen in bestehenden Maschinen sind oft technisch anspruchsvoll und erreichen selten die Leistungsfähigkeit von Lösungen, die bereits in der Designphase integriert wurden. Deshalb gilt: Vorausschauende Planung und frühzeitige Integration können sich auszahlen.

Mit Blick auf die Zukunft steigen die Anforderungen weiter: Neue und innovative Materialien, sowie komplexere Fertigungsprozesse erfordern präzise und durchdachte Monitoring-Strategien. Hochauflösende Sensoren spielen dabei eine wichtige Rolle, um Qualität, Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit langfristig zu sichern. Frühzeitige Investitionen in Sensortechnologien können Wettbewerbsvorteile schaffen. (sb)

* Robert Hillinger ist Industry Lead Semiconductor bei Kistler.

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