¿Cómo selecciono un transductor de presión para aplicaciones de gas UHP en semiconductores?

Si trabaja en la fabricación de semiconductores, sabrá que el proceso requiere equipos e instrumentos altamente especializados que puedan soportar aplicaciones duras con gases y productos químicos corrosivos. Los transductores, por ejemplo, son fundamentales para medir la presión en todo el proceso de producción y controlar el flujo y la distribución de gases de pureza ultra alta (UHP) de forma segura y eficaz. Sin embargo, no todos los transductores pueden soportar condiciones tan exigentes. Por eso, seleccionar el adecuado para su operación es un paso fundamental para garantizar el éxito en la creación de su producto. 

Ashcroft y nuestra empresa matriz Nagano Keiki Co. LTD, tienen una larga y probada trayectoria en el suministro de instrumentación de presión y temperatura a clientes fabricantes de semiconductores en todo el mundo. Este artículo compartirá nuestros conocimientos sobre los procesos de gas UHP de semiconductores y los desafíos únicos para la instrumentación de medición de presión utilizada en aplicaciones de semiconductores. También revisará los mejores tipos de transductores de presión diseñados para estos complejos procesos.

Las complejidades de la fabricación de semiconductores.

La fabricación de semiconductores requiere equipos de gran complejidad a lo largo de numerosas etapas para transformar una oblea de silicio virgen en un dispositivo microelectrónico. Las cámaras de proceso de estos equipos eliminan o estratifican materiales sobre la oblea y, en última instancia, forman las vías y uniones que permiten el flujo y almacenamiento de señales electrónicas. 

Para que este proceso funcione sin problemas, se necesitan mediciones de precisión para gestionar la presión, la temperatura, el caudal y otras variables. Por ejemplo, el instrumento que utilice para supervisar y controlar la presión del gas en estas aplicaciones (como el transductor de presión ZT12) debe ofrecer mediciones muy precisas y repetibles, al tiempo que garantiza una limpieza absoluta dentro del sistema.

Para obtener el mayor éxito, sus instrumentos deben ser:

Diseñado para adaptarse. 

Un diseño cuidadoso es esencial para los sistemas utilizados para suministrar gases UHP desde la fuente (es decir, un cilindro) hasta la cámara de proceso donde se encuentran las obleas. Esto implica inyectar gases UHP a una presión relativamente alta (comprimidos) y, a menudo, reducir la presión a un nivel cercano o inferior a la presión atmosférica en la cámara de proceso. 

El tamaño físico puede ser uno de los factores más importantes en la selección de cualquier instrumento en aplicaciones de equipos semiconductores y, por lo general, más grande NO es mejor. El espacio siempre es un factor importante a la hora de diseñar una herramienta de proceso y el equipo de soporte que la rodea. 

Una cámara de herramientas de proceso puede requerir 15 o más líneas diferentes de suministro de gas / vacío empaquetadas junto a miles de mazos de cables, mirillas, aberturas, calentadores y multitud de otros dispositivos. En las cajas de gas, donde los diferentes gases de proceso se conducen a la cámara de la herramienta de proceso, los transductores de presión se emparejan con combinaciones de válvulas, manómetros, reguladores, controladores de flujo másico y otros dispositivos, a menudo en disposiciones de alta densidad. 

Es importante tener en cuenta que los transductores de presión deben estar conectados a los sistemas de gas y eléctrico, y que deben ser accesibles para calibrar o ajustar la señal de salida. En este caso, reducir al mínimo la altura y el diámetro de los transductores facilita su instalación Y mantenimiento.

Utilizando la tecnología de detección y los materiales adecuados.

Los factores que pueden influir en la precisión de los transductores de presión en estas aplicaciones incluyen la tecnología de sensores utilizada en el dispositivo, los materiales de construcción y su resistencia a los impactos ambientales. Además de la pureza, la precisión y la resistencia a la corrosión, la resistencia al hidrógeno puede ser un factor crítico.

El hidrógeno se utiliza en diversas aplicaciones de semiconductores. Por ejemplo, se utiliza como un eficaz "gas de barrido" para eliminar el oxígeno en un proceso de crecimiento de cristales denominado epitaxia2. Pero el hidrógeno también plantea un desafío único: se sabe que provoca fragilidad en determinados metales.

La fragilización es un fenómeno que provoca la pérdida de ductilidad y, en consecuencia, la fragilidad de un material. En un transductor de presión que utiliza un diafragma que se flexiona constantemente como un muelle, la fragilización puede tener un impacto muy negativo en la repetibilidad y estabilidad del dispositivo. El acero inoxidable 316L se emplea habitualmente debido a su combinación de amplia resistencia a la corrosión, así como a su probada resistencia a la fragilización por hidrógeno.

También se sabe que el hidrógeno atraviesa materiales como los metales. Algunas tecnologías utilizan diafragmas de aislamiento extremadamente finos y rellenos de aceite para detectar la presión. Por ejemplo, los elementos sensores piezorresistivos aislados pueden tener diafragmas con un grosor inferior a 0,001"/0,03 mm (más fino que un cabello humano típico), lo que puede permitir que los iones de hidrógeno atraviesen el diafragma y se disuelvan en el relleno de aceite, lo que puede crear graves problemas de desviación de la precisión de la medición debido a lo que a veces se denomina efecto "Jiffy Pop". 

Además de no tener relleno de aceite, los elementos de detección de película fina, como la tecnología CVD utilizada en el ZT12 y el ZT16, utilizan un diafragma robusto que, por lo general, es 10-30 veces más grueso y reduce mucho mejor la permeación de hidrógeno.

Compatible y resistente a interferencias electromagnéticas (EMC/EMI). 

CEM/EMI son las perturbaciones electromagnéticas no deseadas que pueden interferir en el funcionamiento de dispositivos o sistemas electrónicos. En la práctica, estas interferencias pueden generarse a partir de fuentes de equipos típicos que se encuentran en entornos industriales, como motores, bombas y accionamientos. Las interferencias electromagnéticas también pueden generarse a partir de los numerosos procesos de alta tensión y alta potencia que se utilizan en las aplicaciones de semiconductores y que crean plasma, iones y campos de radiofrecuencia. Estas fuentes pueden liberar grandes cantidades de descargas estáticas o crear grandes campos electromagnéticos que pueden afectar a instrumentos como los transductores de presión.

Las interferencias electromagnéticas pueden provocar varios efectos no deseados en instrumentos como los transductores de presión, que pueden afectar temporalmente a la precisión de la señal, provocar desviaciones a largo plazo, reducir la vida útil o incluso destruir el dispositivo. Se ha creado una norma de la asociación industrial SEMI (SEMI E176-1017) para gestionar y mitigar la EMI en los procesos de semiconductores, pero puede resultar imposible eliminarla por completo. Por tanto, es muy importante seleccionar productos que cumplan las normas CEM/EMI y probarlos a fondo en las aplicaciones.

Los cambios en los procesos de semiconductores son inevitables.

Con una mejor comprensión de los retos que plantean los procesos de gas UHP para semiconductores y las soluciones de medición de presión diseñadas para hacer frente a esos retos, puede estar seguro de una cosa: se avecinan cambios. Se espera que la industria mundial de semiconductores siga creciendo con fuerza en los próximos años, por lo que los proveedores de semiconductores se enfrentan al reto de mejorar la oferta para satisfacer la demanda. Esto incluye aumentar la densidad de transistores, mejorar la fiabilidad y, por supuesto, reducir los costes de producción y compra. Esto es especialmente cierto en el caso de los materiales de tecnologías emergentes como la Inteligencia Artificial (IA), el Internet de las Cosas (IoT) y muchas otras.

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Mientras tanto, si desea más información sobre la selección de un transductor de presión para su aplicación de semiconductores, descargue nuestra guía gratuita o contacte con uno de nuestros expertos en productos con cualquier pregunta que tenga. 1 NIST Fluid Metrology Group Índice de gases de procesos semiconductores
2 Epitaxia - Principios físicos y aplicación técnica ISBN 978-3-642-08737-0