Halbleiterfertigung Wie intelligente Sensorik die Prozesskontrolle in der Waferfertigung verändert

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Halbleiterfabriken müssen Produktivität und Anlagenverfügbarkeit steigern. Vidya Vijay von Nordson Test and Inspection erläutert, wie In-situ-Sensorik dabei helfen kann, Anlagenzustände zuverlässig zu überwachen und Stillstandszeiten zu reduzieren.

Mit immer kleineren Strukturgrößen und komplexeren Halbleiterarchitekturen schrumpfen die Toleranzen für mechanische Abweichungen in der Halbleiterproduktion. In modernen Fertigungsumgebungen können bereits geringste Abweichungen bei der Positionierung eines Wafers oder in der Prozessgeometrie messbare Auswirkungen auf Ausbeute, Zuverlässigkeit und Gesamtanlageneffektivität haben.

Gleichzeitig müssen Fabs die Verfügbarkeit ihrer Anlagen erhöhen, die Abhängigkeit von Bedienpersonal reduzieren und sich in Richtung stärker vernetzter und autonomer Produktionsmodelle entwickeln. Dazu verstärkt der Fachkräftemangel den Druck, manuelle Eingriffe zu verringern. Diese Anforderungen machen die Grenzen traditioneller Einrichtungs- und Wartungsverfahren deutlich – insbesondere dort, wo manuelle Prüfungen und die Einschätzung durch Bedienpersonal weiterhin eine zentrale Rolle spielen. Deshalb rücken intelligente Sensortechnologien stärker in den Fokus, die den Präzisionsanforderungen moderner Halbleiterfertigung besser gerecht werden.

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Warum moderne Prozesskontrolle einen neuen Ansatz erfordert

Über Jahrzehnte hinweg beruhten wichtige Einrichtungs- und Wartungsprozesse in der Waferfertigung auf manuellen Eingriffen. Um die Zentrierung eines Wafers zu prüfen, die Genauigkeit beim Transfer zu kontrollieren oder kritische Abstände zwischen Komponenten zu messen, mussten Anlagen häufig angehalten, geöffnet und physisch inspiziert werden.

Dieses Vorgehen ist zwar seit Langem üblich, bringt jedoch Effizienzverluste mit sich. Das Vakuum während der Produktion aufrechtzuerhalten, ist dabei nicht nur eine Frage der Bequemlichkeit, sondern entscheidend für die Prozessstabilität. Jede Unterbrechung kann das Risiko einer Kontamination erhöhen, zusätzliche Reinigungszyklen erforderlich machen und ein zeitaufwendiges erneutes Evakuieren der Anlage nach sich ziehen. Aus einer routinemäßigen Prüfung können so schnell längere und kostspielige Stillstandszeiten entstehen.

Hinzu kommt, dass manuelle Verfahren häufig iterativ ablaufen und stark von der Erfahrung des Bedienpersonals abhängen. Bereits Unterschiede in der Beurteilung im Bereich weniger zehn Mikrometer können sich spürbar auf das Prozessergebnis auswirken. Mit steigenden Stückzahlen und enger werdenden Prozesstoleranzen wird diese Variabilität zunehmend schwieriger zu beherrschen.

Mikrometergenaue Kontrolle gewinnt an Bedeutung

In fortgeschrittenen Halbleiterprozessen ist eine präzise Positionierung des Wafers entlang der X-, Y- und Z-Achse entscheidend. Bereits geringfügige Abweichungen – insbesondere beim vertikalen Abstand – können die Gleichmäßigkeit des Prozesses beeinflussen, Defekte an den Waferkanten begünstigen oder zu Verunreinigungen auf der Rückseite führen.

Bei stärkeren Fehlstellungen können Probleme beim Waferhandling oder unerwartete Anlagenalarme auftreten. In Mehrkammeranlagen wird die Aufgabe zusätzlich komplexer. Es reicht nicht aus, dass jede einzelne Kammer für sich präzise arbeitet; die Kammern müssen auch untereinander abgestimmt sein, um über verschiedene Produktionslose hinweg konsistente Ergebnisse zu erzielen. Fehlt diese Übereinstimmung, können sich kleine Abweichungen summieren, die Ausbeute beeinträchtigen und die Prozessoptimierung erschweren.

Auch bei der Entwicklung von Prozessrezepten spielt dies eine wichtige Rolle. Ingenieure müssen sicher sein können, dass beobachtete Abweichungen tatsächlich aus der Prozesschemie resultieren und nicht auf mechanische Unterschiede zurückzuführen sind. Ohne zuverlässige Messwerte lassen sich diese Einflussfaktoren nur schwer voneinander trennen.

Messen statt interpretieren

Eine häufig unterschätzte Schwäche traditioneller Verfahren ist die Abhängigkeit von visueller Beurteilung. In vielen Fällen liefern Inspektionsmethoden lediglich ein Bild oder eine qualitative Aussage über die Ausrichtung. Die eigentliche Interpretation bleibt dem Bediener überlassen.

Das kann zwar hilfreich sein, führt aber zwangsläufig zu einem gewissen Maß an Subjektivität. Ein Ingenieur kann dieselbe Abweichung anders bewerten als ein anderer – und in hochpräzisen Prozessen können bereits kleine Unterschiede relevant sein. Eine rein visuelle Beurteilung reicht deshalb häufig nicht aus, um reproduzierbare Ergebnisse sicherzustellen.

Quantitative In-situ-Messungen setzen genau hier an. Moderne Sensorsysteme liefern präzise und wiederholbare Daten über die Position des Wafers und relevante Abstände und kombinieren diese mit einer Echtzeitvisualisierung. Einstellungen können dadurch auf Grundlage objektiver Messwerte statt anhand subjektiver Einschätzungen vorgenommen werden.

Messung direkt unter Prozessbedingungen

Der Bedarf an höherer Präzision und Reproduzierbarkeit fördert den Einsatz moderner In-situ-Lösungen. Der WaferSense Auto Centering Sensor (ACS) von Nordson ist beispielsweise so ausgelegt, dass er Form und Abmessungen eines Produktionswafers nachbildet und den üblichen Weg durch die Anlage durchläuft. Währenddessen erfasst der Sensor in Echtzeit Abweichungen in X- und Y-Richtung an den Zentrier- bzw. Waferpositionen. Dafür muss die Anlage weder demontiert noch geöffnet und den Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden.

Da die Messung unter realen Prozessbedingungen einschließlich Vakuum erfolgt, können solche Systeme ein genaueres Bild vom tatsächlichen Verhalten der Anlage liefern und zugleich die Prozessumgebung unangetastet lassen. Die dabei erfassten Positionsdaten im Mikrometerbereich lassen sich unter anderem zur Ausrichtung von Robotern, zur Kalibrierung von Waferübergaben, zur Einrichtung von Prozesskammern und zur Prozessoptimierung nutzen.

Von vorbeugender Wartung zu zustandsbasierter Prozesskontrolle

Mit Echtzeitdaten aus In-situ-Messungen können Halbleiterfabriken zunehmend über fest definierte vorbeugende Wartungsintervalle hinausgehen. Traditionell werden Anlagen beispielsweise nach einer bestimmten Anzahl verarbeiteter Waferlose gewartet – unabhängig vom tatsächlichen Zustand der Anlage. Dieser Ansatz kann zwar grundsätzlich funktionieren, führt jedoch sowohl zu unnötigen Eingriffen als auch dazu, dass erste Anzeichen von Problemen übersehen werden können.

Der eigentliche Fortschritt liegt deshalb nicht allein in einer schnelleren Messung, sondern in einer fundierteren Entscheidungsgrundlage. Wenn Ingenieure kleine Veränderungen bei Waferpositionierung, Abständen oder Verschleiß frühzeitig erkennen können, richtet sich die Wartung weniger nach einem starren Zeitplan und stärker nach dem tatsächlichen Zustand der Anlage. Dadurch sind frühere und gezieltere Eingriffe möglich, bevor Abweichungen die Ausbeute beeinträchtigen oder sich zu größeren und kostspieligeren Fehlern entwickeln. Besonders bei der Qualifizierung neuer Prozessrezepte ist dies relevant, da dort sowohl mechanische als auch chemische Einflussgrößen möglichst exakt kontrolliert werden müssen.

Anlagenverfügbarkeit erhöhen, Unterbrechungen reduzieren

In der Halbleiterfertigung ist Zeit eine besonders kritische Ressource. Jede Verkürzung von Wartungsarbeiten wirkt sich unmittelbar auf die Produktivität aus. Der größere Vorteil entsteht jedoch dann, wenn sich Unterbrechungen grundsätzlich vermeiden lassen.

Wenn manuelle Eingriffe und die Unterbrechung des Vakuums entfallen, können In-situ-Sensorsysteme den Zeitaufwand für Einrichtung und Überprüfung deutlich reduzieren. Vorgänge, die zuvor mehrere Stunden beanspruchten, lassen sich in manchen Fällen innerhalb weniger Minuten durchführen. Beim zuvor genannten WaferSense ACS beobachtet Nordson nach eigenen Angaben eine Reduzierung der Einrichtungszeit um typischerweise 30 bis 70 Prozent.

Ebenso wichtig ist es, schwerwiegendere Stillstände zu vermeiden. Eine falsche Waferposition oder ein fehlerhafter Abstand kann Handlingfehler auslösen und im Extremfall sogar zum Bruch eines Wafers innerhalb der Anlage führen. Die Wiederinbetriebnahme kann anschließend mehrere Tage dauern und unter anderem Reinigung, Neukalibrierung und eine vollständige erneute Prozessqualifizierung erfordern. Durch eine höhere Messgenauigkeit und eine geringere Abhängigkeit von manuellen Einschätzungen können moderne Sensorsysteme solche Risiken reduzieren und einen stabileren, besser vorhersehbaren Anlagenbetrieb unterstützen.

Software als Bindeglied zur intelligenteren Fertigung

Wie bei vielen Entwicklungen in der Halbleiterfertigung ist die Hardware nur ein Teil der Lösung. Entscheidend ist auch, wie effektiv Messdaten ausgewertet und genutzt werden können. Echtzeit-Softwareplattformen gewinnen dabei an Bedeutung.

Sie machen Anlagenzustände unmittelbar sichtbar und ermöglichen schnellere Reaktionen. Ingenieure können Messwerte während ihrer Erfassung verfolgen, Probleme schneller diagnostizieren und Anpassungen auf einer besseren Datenbasis vornehmen. Zusätzlich lassen sich Messdaten in automatisierte Abläufe integrieren. Das eröffnet Möglichkeiten für geschlossene Regelkreise und stärker vernetzte, reaktionsfähige Fertigungsumgebungen. Diese Entwicklung fügt sich in den übergeordneten Trend zu intelligenter Produktion, prädiktiver Messtechnik und datenbasierter Automatisierung ein.

Prozesskontrolle wird datenbasierter

Während sich die Aufmerksamkeit der Branche häufig auf große Technologiesprünge bei elektronischen Bauelementen richtet, gehören auch Verbesserungen bei Präzision und Reproduzierbarkeit der zugrunde liegenden Fertigungsprozesse zu den wesentlichen Entwicklungen.

Intelligente waferbasierte Sensorik soll dabei eine bestehende Lücke in der Halbleiterfertigung schließen. Mit zunehmender Automatisierung und enger werdenden Toleranzen gewinnt die Fähigkeit an Bedeutung, reale Anlagenzustände direkt zu messen und unmittelbar auf die gewonnenen Daten zu reagieren. In einer Branche, in der Abweichungen in Mikrometern und teilweise in Bruchteilen davon betrachtet werden, wird dieser Einblick in den tatsächlichen Prozesszustand zunehmend zu einer Voraussetzung für eine präzise Prozessführung.

Zu Nordson Test & Inspection

Nordson Test & Inspection bietet Inspektions- und Messtechniklösungen unter anderem auf Basis akustischer, optischer und röntgenbasierter Verfahren für Kunden aus der Halbleiter- und SMT-Fertigung. Zum Portfolio gehören außerdem Lösungen mit KI-, Deep-Learning- und Machine-Learning-Funktionen, die das Unternehmen unter dem Begriff „Nordson Intelligence“ zusammenfasst. (sb)

* Vidya Vijay ist Director of Business Development bei Nordson Test & Inspection.

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