自1980年代中期起,大量化學品輸送系統一直用於從子晶圓廠的大量儲存設備將半導體製程所用的化學品運輸到晶圓廠的製程工具。通常以此方式輸送的四種化學品包括製程清潔化學品、有機溶劑、光微影技術和特用化學品(specialty chemical)。大量輸送系統一直很安全,而且效率更高,因為這些系統取代了運送瓶裝、小包裝或罐裝危險(通常是揮發性)化學品的做法,這種做法相當陳舊、麻煩,而且可能有危險。

多年來,由於半導體製造同時擴大到更高的裝置體積和更精細的節點,化學品輸送系統的需求也隨著化學品純度、99.9%的可靠度、維持設備運轉時間和滿足大型設施的較高流量需求而有所演變。

本文將探討導致需要更多化學品,而最終需要大量化學品輸送系統增加輸送量的近期趨勢、與此有關的挑戰,以及採用獨特的高流量堰式閥設計能夠如何解決這些難題,而有利於提升製程效率、減少汙染和提升良率。

不斷改變的半導體基礎設施

過去幾年經歷了影響半導體製造基礎設施的重大變化。整併是最大的變化,根據IC Insights指出,2015和2016這兩年的合併和收購總額是前5年的8倍以上,2017年預期將延續2016年的整併步調。整併加上半導體裝置的需求成長,代表價格更有競爭力,這導致大型晶圓廠的快速部署,藉以實現規模經濟,這對於利潤營運極為重要。一般邏輯代工廠現在的每月晶圓投片量(WSPM)可達到80,000片,一般記憶體晶圓廠的WSPM可達到120,000片。晶圓廠也群聚集中,例如台灣新竹科學園區。此外,中國成為半導體製造業的領導者,而且中國計畫增產晶片的舉措已促使晶片製造商在中國境內建立或擴大新晶圓廠。

對於大量化學品輸送系統的影響

這表示晶圓投片量增加需要增加使用特用化學品,包括濕式蝕刻與乾淨化學品,化學機械研磨的研磨液和其他超純度化學品,其中有些是高腐蝕性化學品。從子晶圓廠的貯放槽將更多的這類原料運輸到更遠的製造廠房工具,並且以提高純度和一致性來滿足現今提煉需求的製程進行處理,對於不太受重視的一部分基礎設施構成極大的壓力:大量化學品配送系統。

對於透過現今的大型晶圓廠以最低的壓損運輸更多這類化學品而言,提高流量的大量化學品配送系統相當重要。這需要正確類型的閥,才不會妨礙、抑制或以其他方式破壞大量流量和輸送。

正確的閥所產生的差異

現今市場上大多數的堰式閥均採用兩件式隔膜:主要介質隔膜安裝於彈性體支架,並且以黏性材質固定。這些兩件式黏著型隔膜的缺點是,如果主要介質隔膜失效,黏性材質無法確實防止滲漏,如果不潔的彈性體支架材質接觸製程流,會導致製程化學品遭受汙染。此外,黏性材質也有其他缺點,例如,化學品會滲透聚合物,反而會侵蝕黏性材質,如果將介質隔膜與彈性體支架兩者隔離,則閥無法正常運作。

半導體供應商Entegris設計的創新堰式閥不僅因應不斷變化的產業需求,而且解決了與兩件式隔膜設計有關的問題。這包括單件隔膜與個別未黏附的背襯,而且是以高純度PFA和PTFE浸濕材質製成。

閥體設計使得流動路徑相當通暢,可快速抽取,沒有無效空間,因此化學變化相當乾淨快速。閥體設計可確保在很小的面積內達到高流量,Cv流量達到25.8,這是一般提升型閥的兩倍,而且比其他堰式閥高。端視管路尺寸而定,流量效能提升14~70%(圖1)。可耐受化學品的PFA與PTFE結構材料能讓流動路徑保持乾淨,不沉積汙染物,這對於所有半導體製程而言相當重要。閥的流量也相當適中,阻礙相當小(圖2)。此外,整合式安裝腳使得閥可以更緊密排列在一起,如此的特性加上整體縮小的面積,使得設備內部所需的空間變小。

20171020TA01P1 圖1 一般提升型閥、其他堰式閥、Entegris Integra Plus WS(堰式)閥三者的比較。

20171020TA01P2 圖2 Entegris堰式閥體設計流量適中,可快速抽取,而且流動路徑相當乾淨。

獨特的單件介質隔膜相當適合真空應用,閥的使用壽命更長,而且可改善運轉時間(圖3)。它在真空狀態下不會分離,黏著型隔膜就很容易分離。

20171020TA01P3 圖3 單件隔膜可改善產品可靠度。

結論

隨著半導體製程的不斷發展,供應商必須確定釐清影響支持基礎設施而且不斷變化的需求,並開發具有成本效益的可行解決方案,使製程最佳化,並且實現製程的價值。在大量化學品輸送系統中,Entegris引進以高純度材質製成的小尺寸堰式高流量閥,已解決影響大量化學品輸送的難題。