Control de caudal de purga de nitrógeno y de servicios auxiliares para herramientas de semiconductores

Purga de nitrógeno y caudal de servicios auxiliares en una herramienta de semiconductores

Purga de nitrógeno y caudal de servicios auxiliares en una herramienta de semiconductores

En una herramienta de proceso o de deposición de semiconductores, la purga de nitrógeno y las posiciones de servicios auxiliares quedan fuera de la receta, por lo que rara vez reciben el escrutinio que reciben los gas sticks cualificados. Las posiciones que purgan, protegen, enfrían y transportan no figuran en ninguna lista de piezas cualificadas, y por eso lo que las ocupa corresponde a la propia ingeniería del fabricante de la herramienta. En un plano de panel parecen intercambiables, y no lo son: van desde un par de SCCM hasta mil SLPM, y algunas exigen una presión mantenida en lugar de un caudal.

La barrera no falla de forma ruidosa cuando una de ellas está mal. Se manifiesta más tarde, en los datos de rendimiento de otra persona, en una fab que el fabricante de la herramienta no visita. Como una posición de purga o de servicios auxiliares la especifica el fabricante y no la lista de piezas cualificadas de una fab, no se le aplica ninguna cualificación de proceso de obleas, ni siquiera en una herramienta que procesa obleas de producción. Esa ausencia tiene dos caras: es lo que hace que la posición sea accesible a una línea de instrumentos estándar, y significa que ninguna revisión de cualificación respalda la elección. En una posición que luego se envía a una fab que el fabricante no puede volver a visitar, la especificación que escribe el fabricante es la única salvaguarda de la elección.

Reto

Mantener una barrera de purga en una posición de gas ajena a la receta

Por qué el caudal de purga fija la barrera, y no la tubería

Una posición de purga ajena a la receta es una barrera, no una dosis. La cadena es muy parecida en todas partes: nitrógeno a granel, aislamiento y filtración en el panel de gas, un regulador, un elemento que fija el caudal y después el módulo que se mantiene inerte, con un venteo en el extremo opuesto. La entrada de contaminantes actúa contra ella continuamente, por retrodifusión en las aperturas, permeación, desgasificación y pequeñas fugas. El elemento que fija el caudal es la única pieza que el fabricante de la herramienta elige libremente, y decide si la barrera es un número que la herramienta conoce o una posición de válvula que alguien ajustó en la instalación.

Lo que ese caudal consigue se reduce a dos relaciones, ambas suponiendo un volumen razonablemente bien mezclado: con qué rapidez la barrera alcanza su objetivo y con qué firmeza se mantiene después.

Llegar hasta ahí es dilución. El volumen debe barrerse varias veces, y el número de renovaciones lo determina cuánto tiene que moverse la pureza: limpiar una envolvente desde aire con un 20,9 por ciento de oxígeno (209 000 ppm) hasta unas 100 ppm ilustrativas supone diluir el oxígeno unas 2090 veces, y las renovaciones necesarias son el logaritmo natural de esa relación: ln(2090) ≈ 7,6. El tiempo sigue entonces al caudal, porque una renovación es el volumen del módulo dividido por el caudal, y la limpieza necesita 7,6 de ellas. A 500 SLPM, un módulo de 200 L se renueva una vez cada 200 ÷ 500 = 0,4 minutos, de modo que 7,6 renovaciones tardan 7,6 × 0,4 ≈ 3 minutos. A 150 SLPM, cada renovación tarda 200 ÷ 150 ≈ 1,3 minutos, de modo que la misma limpieza se alarga hasta 7,6 × 1,3 ≈ 10 minutos.

Mantenerla ahí es la otra mitad. Una vez que la envolvente está en el objetivo, la contaminación sigue entrando y la purga sigue barriéndola, y el nivel en que se estabiliza la barrera es donde esas dos se equilibran: en una primera aproximación, la tasa de entrada dividida por el caudal de purga. Incluso tratando la entrada como fija, la misma caída de 500 a 150 SLPM que alargó la purga inicial es un factor de 500 ÷ 150 ≈ 3,3, de modo que estabiliza la envolvente con aproximadamente tres veces la contaminación que se diseñó para mantener. En la práctica es peor, porque la purga de flujo continuo mantiene la envolvente ligeramente por encima de la presión ambiente, y esa ligera sobrepresión es lo que impide que el aire de la sala se retrodifunda y entre por las aperturas. Un caudal menor significa menos sobrepresión, de modo que la entrada aumenta a la vez que disminuye el barrido. Una barrera puede debilitarse en ambos sentidos a la vez: más lenta en alcanzar el objetivo y más sucia una vez que lo alcanza.

Lo que cuesta una purga desviada y dónde se manifiesta

Ninguna de las formas en que se debilita una purga se anuncia a sí misma. Un filtro o una línea se obstruyen parcialmente. La presión de alimentación cae cuando una herramienta vecina consume. Una válvula de aguja recibe un golpe durante el servicio. Un regulador deriva. En todos los casos el caudal se mueve, la tubería tiene el mismo aspecto y, por la aritmética anterior, el volumen alcanza su objetivo mucho más tarde de lo diseñado o se mantiene en un equilibrio más sucio de lo diseñado.

Donde eso aflora es lo caro, y rara vez en la propia válvula. Aflora como una excursión de humedad u oxidación sobre cobre expuesto, como una firma de contaminación molecular en el aire (AMC), como un recuento de partículas en la cara posterior o como rendimiento productivo perdido mientras un módulo espera un objetivo de oxígeno que ahora alcanza despacio. Cada una inicia una larga investigación, en una fab que el fabricante de la herramienta no visita, sobre una herramienta que el fabricante no puede instrumentar a posteriori. El coste rara vez es el gas o el instrumento; son las semanas entre el momento en que la purga se mueve y el momento en que alguien conecta ambas cosas. Un coste más gris corre en paralelo: una válvula de aguja abierta con generosidad por seguridad gasta nitrógeno de más durante toda la vida de la herramienta.

Regla práctica

Especifique la purga inicial en renovaciones de volumen, no en minutos. Un tiempo en minutos solo es válido para el caudal con el que se midió. El número de renovaciones sobrevive a un cambio de caudal, de volumen o de objetivo de pureza, y hace explícita la dependencia del caudal para quien dimensiona la línea.

Opciones

Asignar cada posición ajena a la receta a una clase de instrumento

Las posiciones siguientes se repiten en herramientas de proceso y de deposición, y las posiciones de servicios auxiliares en herramientas de inspección. Cada una es pequeña y cada una suele especificarse por separado, y así acaba una herramienta con varios números de pieza que gestionan caudales y presiones que se comportan de forma distinta. Leerlas juntas muestra dónde una familia cubre el conjunto y dónde una posición es un trabajo de presión y no de caudal.

Tabla 1. Posiciones de purga y de servicios auxiliares ajenas a la receta que se repiten en las herramientas de semiconductores, y la clase de instrumento que requiere cada una. El rango de fondo de escala, los racores y las comunicaciones son opciones de configuración que se eligen para cada herramienta.

Posición | Lo que nombra la especificación | Servicio típico | Lo que la herramienta necesita saber | Clase de instrumento

Purga de N2 de equipo y de módulo · Más habitual | Un caudal mantenido | De 200 a 1000 SLPM, continuo, alimentación hasta 250 PSIG | Que la barrera está fluyendo, a qué caudal y cuándo no lo está | Controlador de caudal

Salida del panel de gas de la herramienta | Un caudal medido | Habitualmente cientos de SLPM | Qué sale realmente del propio panel de gas de la herramienta, por ramal | Caudalímetro

Contrapresión en la cara posterior de la oblea | Una presión mantenida | Región de los Torr, en un pequeño volumen cerrado | Que la presión se mantiene y en qué condiciones | Controlador de presión de dos válvulas

Gas de refrigeración del chuck | Un caudal mantenido | SLPM bajos; habitualmente helio | Que hay caudal, con el gas especificado | Controlador de caudal

Caudal de servicios auxiliares de gas portador, burbujeador y calefactor | Un caudal mantenido | De uno a decenas de SLPM | Que hay caudal y que es repetible de una unidad a otra | Controlador de caudal

Medición de N2 del chuck | Un caudal medido | SLPM bajos | Que hay caudal; la válvula se ajusta en otro lugar | Caudalímetro

Purga de puerto de carga y de front-end | Un caudal mantenido | Emergente, volúmenes pequeños, sensible al coste | Que hay caudal | Controlador compacto, en pruebas y no en producción

La decisión de la clase va antes que el rango, el racor o el bus: varias de estas posiciones son trabajos de presión, y entenderlo al revés es el error caro. Por lo demás, cada fila pide al instrumento lo mismo, que es lo que hace de una familia única en todas las posiciones de una herramienta una opción real y no una simple comodidad.

Leer importa tanto como controlar aquí. Una lectura baja con la presión de alimentación sin cambios es un problema de restricción; la misma lectura con la presión de alimentación más baja es un problema de alimentación. Comunicar juntos el caudal másico, la presión absoluta y la temperatura los separa sin una segunda penetración en un panel saturado.

Selección

Consolidar las posiciones en una plataforma medida

Cada fila de la tabla compra lo mismo. La obstrucción parcial, la alimentación que cae, la válvula golpeada y el regulador que deriva mueven el caudal y dejan la tubería sin cambios. Cuando nada en la posición mide la variable de la que depende la barrera, esas son fuentes de error. Si se mide y se cierra un lazo en torno a ella, los mismos sucesos se convierten en perturbaciones que la posición rechaza dentro de la autoridad de la válvula y comunica cuando no puede. La barrera deja de ser una posición de válvula que era correcta en la instalación y pasa a ser un número que la herramienta mantiene y puede señalizar.

Dónde se sitúa la medición del caudal de purga en el panel de gas

El instrumento se sitúa aguas abajo del aislamiento, la filtración y la regulación del panel, y aguas arriba del módulo que protege. La regulación previa mantiene la alimentación dentro de la ventana de funcionamiento del instrumento; la filtración mantiene los residuos del panel fuera de una trayectoria de caudal de precisión. Nada más del panel cambia. Lo que cambia es lo que sale de la posición, porque el caudal suministrado y las condiciones en que se suministró llegan ahora a los controles de la herramienta por el bus que la herramienta ya utiliza.

Figura 1. Purga de nitrógeno de equipo y de módulo, la posición ajena a la receta que más se repite. El bloque rojo es el instrumento de Alicat; las flechas grises discontinuas son la entrada de contaminantes que actúa contra la barrera, y el par rojo discontinuo es el enlace de datos del instrumento con los controles de la herramienta. La cadena aguas arriba es idéntica para la salida del panel de gas, el gas portador y el servicio de burbujeador, y solo cambia el volumen aguas abajo. Las posiciones controladas por presión, como la cara posterior de la oblea, sustituyen el elemento de caudal por un controlador de presión y no se muestran.

Tabla 2. Lo que aporta la familia de instrumentos a una posición de purga o de servicios auxiliares ajena a la receta.

Capacidad a nivel de familia | Lo que aporta a una posición de purga ajena a la receta

Las opciones de fondo de escala abarcan de 0,5 SCCM a 12 000 SLPM | Una familia cubre una línea de chuck a un par de SCCM y una purga de equipo de 200 a 1000 SLPM.

Caudal másico, caudal volumétrico, presión absoluta y temperatura comunicados juntos | Separa un cambio de restricción de un cambio de alimentación y registra las condiciones en que se mantuvo la barrera.

Amplia rangeabilidad de control | Una configuración mantiene un caudal alto de purga inicial y un caudal de mantenimiento más bajo sin un segundo instrumento. Como regla práctica de dimensionamiento, mantenga el caudal de mantenimiento por encima de aproximadamente el 1 por ciento del fondo de escala elegido y dimensione el fondo de escala según la banda de suministro y no según una purga máxima ocasional.

Cuando la posición es la contrapresión en la cara posterior de la oblea

Una condición en la cara posterior de la oblea se especifica como una presión mantenida, con una práctica que varía según la fuerza de sujeción y el proceso, y que suele situarse en el rango de una cifra a unas pocas decenas de Torr. Controlar el caudal hacia ese volumen no mantiene la presión en él. Un controlador de presión de dos válvulas sí, porque puede admitir y ventear a la vez, y mantiene una presión fijada en un volumen cerrado o sin salida sin purgar gas continuamente. Establezca primero qué variable nombra la especificación, porque eso decide la clase de instrumento antes que cualquier otra cosa.

Cuando un instrumento medido no es la respuesta adecuada

Hay una persona presente para leer la posición. Cuando se permite que el caudal sea un ajuste manual y alguien lo lee, una válvula de aguja y un caudalímetro de área variable son la respuesta correcta y siempre lo fueron. El argumento a favor de un instrumento se basa en que la posición permanece desatendida durante años, no en que el rotámetro sea impreciso.

El caudal es realmente fijo durante la vida de la herramienta. Cuando el caudal no cambia y la alimentación está estrictamente regulada, un orificio fijo cuesta menos, no consume energía y no tiene nada que pueda derivar. No señaliza nada, de modo que la elección cambia un menor coste por no tener retroalimentación de la posición.

La posición está en la lista de piezas cualificadas o dosifica la receta. Un gas stick se cualifica como unidad, de modo que cambiar el instrumento significa recualificar. Utilice el MFC de proceso que nombra la cualificación; queda fuera del alcance de este artículo.

La posición especifica materiales de ultraalta pureza. Cuando una fab de vanguardia ha escrito una norma de materiales en contacto con el fluido que exige superficies electropulidas y juntas totalmente metálicas, un instrumento estándar de servicios auxiliares no la cumple. La preparación para servicio de oxígeno y la construcción resistente a la corrosión de Alicat son un proceso de limpieza y una opción de materiales; ninguna es una certificación de pureza, y ninguna debe presentarse ante una fab como tal.

MC-Series · Controladores de caudal másico

Controladores de caudal másico MC-Series

Servicio de purga de equipo, de módulo, de panel de gas y de gas portador

Controladores de caudal de presión diferencial laminar para las posiciones que mantienen una barrera inerte, enfrían un chuck o transportan un gas de servicios auxiliares. Las purgas de equipo y de panel de esta clase suelen funcionar de forma continua a de 200 a 1000 SLPM.

- De 98 a 130 calibraciones de gas precargadas (Gas Select); cambie el gas activo sin recalibrar

- La exactitud depende del rango: ±0,6 % de la lectura o ±0,1 % del fondo de escala (el mayor de los dos) en los rangos de caudal medio, y ±0,8 % de la lectura con ±0,2 % del fondo de escala en los rangos de caudal bajo y alto, que incluyen la banda de purga de equipo de cientos de SLPM; en cada rango se ofrece una opción de mayor exactitud

- Repetibilidad de caudal de ±(0,1 % de la lectura + 0,02 % del fondo de escala) en los rangos medios y de ±(0,2 % de la lectura + 0,02 % del fondo de escala) en los rangos de caudal bajo y alto, de modo que todas las unidades de una configuración se comportan igual

- Detección de presión diferencial laminar con corrección de temperatura y presión, calibrado de fábrica con aire y trasladado al gas de trabajo a partir de sus modelos residentes de propiedades de gas real

- Variante de alto caudal y baja caída de presión para servicio de purga continua de equipo y de panel

- Opciones analógicas, serie (RS-232 o RS-485, con el protocolo ASCII nativo de Alicat o Modbus RTU) y de red industrial, como EtherCAT y EtherNet/IP; conexiones de proceso de compresión o de junta frontal metálica

- Certificado de calibración trazable al NIST con cada unidad, fabricado bajo pedido con el plazo de entrega actual confirmado en la cotización

Ver la MC-Series Manuales y especificaciones PCD-Series · Controladores de presión de dos válvulas

Controladores de presión PCD-Series

Contrapresión en la cara posterior de la oblea y pequeños volúmenes cerrados

Para posiciones ajenas a la receta cuya especificación nombra una presión y no un caudal.

- Controla la presión absoluta, relativa o diferencial, con rangos absolutos en la región de los torr para el servicio de cara posterior y de volumen cerrado

- Las dos válvulas admiten y ventean, y mantienen una presión fijada en un volumen cerrado o sin salida sin purgar de forma continua

- Control estable con una amplia rangeabilidad, que mantiene consignas bajas sin un segundo instrumento

- Presión comunicada a la herramienta junto con las condiciones en que se mantuvo

- Opciones analógicas, serie (RS-232 o RS-485, con el protocolo ASCII nativo de Alicat o Modbus RTU) y de red industrial, como EtherCAT y EtherNet/IP

- Certificado de calibración trazable al NIST con cada unidad

Ver la PCD-Series Hoja de especificaciones de la PCD-Series (PDF)

Familias relacionadas: los caudalímetros másicos M-Series, cuando la posición solo necesita medir el caudal, como la salida de un panel de gas o una línea de nitrógeno del chuck; los controladores para servicio de vacío, cuando una posición funciona por debajo de la presión atmosférica; y la compacta IMC-Series, que actualmente se está probando para las posiciones más sencillas de puerto de carga y de front-end y no se suministra en un programa de producción. Hable con un ingeniero para confirmar la idoneidad y seleccionar una configuración.

Siguiente paso

Configure el instrumento adecuado para sus posiciones de purga.

Envíenos la lista de posiciones: gas, rango de caudal o de presión, presión de alimentación en el panel, racor, conector y el bus que utiliza la herramienta. Recibirá una recomendación de familia y de configuración para cada posición y, cuando una configuración pueda cubrir varias, cuáles.

Hable con un ingeniero Solicite una cotización o llame al +1 888-290-6060

Resultados

Qué cambia al mantener estas posiciones

Una posición de purga medida y controlada deja de ser un ajuste en el que se confía desde la instalación; es un valor que la herramienta mantiene, registra y puede señalizar. Esos mismos fallos ya no esperan a aflorar como la excursión de rendimiento de otra persona; aparecen en la posición, como un caudal que se movió y una alarma que saltó, antes de que se vea comprometido el módulo que protegen. Comunicar juntos el caudal másico, la presión absoluta y la temperatura permite a la herramienta separar una restricción de un problema de alimentación a partir de sus propios registros y no de una visita de servicio.

Leer las posiciones juntas, en lugar de un número de pieza cada vez, es lo que permite que una sola familia cubra una línea de chuck a un par de SCCM y una purga de equipo a mil SLPM. Y una purga medida puede dimensionarse correctamente: el coste permanente de nitrógeno de una válvula abierta con generosidad por seguridad es real durante la vida útil de una herramienta, y solo es recuperable cuando alguien puede ver lo que realmente consume la posición.

Valor obtenido

- Una barrera que la herramienta puede demostrar – la purga pasa a ser un número medido y registrado con una banda de alarma, no una posición de válvula que se da por correcta desde la instalación.

- Restricción distinguida de alimentación – el caudal másico, la presión absoluta y la temperatura en el mismo bus separan un filtro que se obstruye de una alimentación que cae sin una segunda penetración en el panel.

- Una familia para todas las posiciones – fondos de escala de 0,5 SCCM a 12 000 SLPM cubren el servicio de chuck, de gas portador, de panel y de purga de equipo con una única familia de instrumentos.

- Nitrógeno bien dimensionado – una purga medida puede dimensionarse según lo que necesita la barrera, recuperando el coste permanente de gas de una válvula de purga demasiado abierta.

- Caudal o presión, según la especificación – un controlador de caudal cuando la posición nombra un caudal, un controlador de presión de dos válvulas cuando nombra una presión, como la cara posterior de la oblea.

Notas de implantación en campo

Consideraciones de ingeniería

Presión de alimentación por encima de la ventana de funcionamiento estándar La ventana de funcionamiento estándar de la MC-Series es de 11,5 a 160 PSIA. La alimentación de la purga de equipo en un panel suele estar muy por encima de eso, y las entradas de 250 PSIG son habituales en el servicio de purga de alto caudal. O bien se regula a la baja antes del instrumento, algo que la mayoría de los paneles ya hacen, o bien se especifica la variante de alta presión de la familia, que funciona hasta 320 PSIA. Es una decisión de ubicación en el plano del panel, por lo que es más barato resolverla antes de diseñar el panel que después. Caída de presión disponible con caudal de purga alto Una línea de purga de alto caudal suele tener poca presión de sobra entre el regulador y el módulo, y cualquier elemento de caudal consume parte de ella. Confirme el diferencial disponible antes de fijar el rango de fondo de escala, porque un diferencial demasiado pequeño se manifiesta como un instrumento que no puede alcanzar la consigna en la parte alta de su rango. Cuando el margen es escaso, la variante de baja caída de presión existe para este caso. Véase qué significa la caída de presión para la selección de instrumentos. Política de bandas de alarma entre la purga inicial y el mantenimiento Una sola banda de alarma de caudal bajo rara vez sirve para ambos regímenes. Durante la purga inicial el caudal está en su máximo ordenado y una banda estrecha en torno a él tiene sentido. Durante el mantenimiento el caudal puede estar legítimamente mucho más bajo. Decida si la herramienta enclava una alarma de purga o la trata como informativa, y si una purga inicial que se prolonga debe bloquear el paso siguiente. Esa decisión corresponde a los controles de la herramienta, no al instrumento. Preparación para servicio de oxígeno y materiales resistentes a la corrosión Ambas existen como opciones de construcción y ambas se malinterpretan habitualmente. Una preparación para servicio de oxígeno es un proceso de limpieza aplicado a la trayectoria del caudal. Una construcción resistente a la corrosión es una elección de materiales en contacto con el fluido. Ninguna es una certificación de pureza, ninguna convierte el instrumento en un dispositivo limpio o de ultraalta pureza, y ninguna debe presentarse ante una fab como tal. Recalibración en una flota que el fabricante no visita El intervalo declarado por Alicat es anual. En una población de herramientas ubicadas en fabs a las que el fabricante no da servicio, ese intervalo es una conversación que hay que tener con la fab y no una suposición que dar por buena. Decida en la fase de diseño si el instrumento de purga es sustituible en campo, un elemento que se devuelve para servicio o uno que recoge el propio programa de calibración de la fab, porque esa decisión determina la distribución del panel y la lista de repuestos.

Preguntas frecuentes

¿Es suficiente un rotámetro para una purga de nitrógeno?

Un rotámetro es adecuado cuando hay una persona presente para leerlo y se permite que el caudal de purga sea un ajuste manual. No es adecuado en una herramienta suministrada, porque no comunica nada a los controles de la herramienta y no da ningún aviso cuando el caudal se mueve, que es el modo de fallo que realmente tiene una posición de purga.

¿Necesita un controlador de caudal másico de purga una cualificación SEMI?

No. Una posición de purga o de servicios auxiliares ajena a la receta la especifica la propia ingeniería del fabricante de la herramienta y no la lista de piezas cualificadas de una fab, por lo que no conlleva ningún requisito de cualificación de proceso de obleas, ni siquiera en una herramienta que procesa obleas de producción. SEMI publica guías y documentos de referencia; no existe una certificación de instrumento que un MFC de purga supere. La propia herramienta sigue cumpliendo las directrices de equipos de SEMI, como la S2, pero eso corresponde al fabricante de la herramienta, separado de la cualificación del instrumento para una receta.

¿Cuánto nitrógeno consume una purga continua de herramienta?

Lo suficiente como para que sea un coste operativo permanente y no un error de redondeo. Las purgas de equipo y de panel de gas de cientos de SLPM funcionan de forma continua durante la vida útil de la herramienta, y una válvula ajustada con un margen generoso gasta de más durante todo ese período. Medir la posición es lo que hace posible dimensionarla correctamente.

¿Qué diferencia hay entre un MFC de receta y un MFC de purga?

Un MFC de receta dosifica química que se convierte en película o grabado y está en una lista de piezas cualificadas, de modo que tanto su exactitud como su pedigrí los especifica la fab. Un instrumento de purga mantiene un caudal de barrera protectora, lo selecciona el fabricante de la herramienta y se especifica por su estabilidad y por su capacidad de demostrar que la barrera está presente.