Verbessern Sie Ihre Halbleiterproduktion durch den Einsatz optimierter Legierungen

Verbessern Sie Ihre Halbleiterproduktion durch den Einsatz optimierter Legierungen

Masroor Malik, Semiconductor Market Manager, Swagelok, und Shelly Tang, Lead Principal Metallurgical Engineer, Swagelok

An schneller Innovation führt im wettbewerbsintensiven Halbleitermarkt kein Weg vorbei. Die moderne Welt ist stark von der Entwicklung immer leistungsfähigerer Chips abhängig: Immer kleinere Transistoren müssen dabei eine immer höhere Rechenleistung bereitstellen. Nach dem Moor’schen Gesetz verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre. Dieses Gesetz hat seit 1970 ungebrochen Gültigkeit und wirkt sich auch heute noch auf die Transistorentwicklung aus.

Hersteller sind nun gefragt, diesen Innovationsbedarf mit ihren eigenen Möglichkeiten zur Maximierung von Produktionsleistung und Profitabilitätin Einklang zu bringen. Aber wie kann das gelingen? Laut einem kürzlich veröffentlichten Bericht von McKinsey & Company¹ gibt es mehrere gängige Strategien, die zwar kurzfristig Erfolg versprechen – z. B. die Reduzierung der Arbeitskosten, die Verringerung des Ressourcenverbrauchs oder auch die Senkung der Ausgaben in der Beschaffung - langfristig jedoch nicht zu einer höheren Profitabilität beitragen.

Vielmehr, so legt der Bericht nahe, lässt sich eine effizientere Kostenkontrolle und höhere Profitabilität durch eine verbesserten Produktions-Output erzielen. „Die Optimierung der Produktionsausbeute galt lange Zeit als eines der wichtigsten Ziele, das sehr schwer zu erreichen ist, aber einen wichtigen Wettbewerbsvorteil in der Halbleiterfertigung darstellt“, so der McKinsey-Bericht.

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Es gibt viele unterschiedliche Wege, um den Output in der Produktion zu steigern. Ein gerne übersehener Faktor mit erheblichem Verbesserungspotenzial sind elementare Fluidsysteme und -komponenten, die reaktive Halogengase vom Lager zur Abscheidekammer transportieren. Angesichts zunehmend anspruchsvollerer Verfahrensbedingungen und dem Einsatz immer leichterer und aggressiverer Reaktionsgase müssen diese Systeme durchweg höchste Leistungsfähigkeit bieten – und diese steht und fällt mit den Werkstoffen, aus denen die Systeme gefertigt werden.

In der heutigen Halbleiterproduktion reichen Edelstähle geringer Qualitätsstufe für die gewünschte Leistung oftmals nicht aus. An dieser Stelle kommen Fluidsystemkomponenten aus hochwertigen Werkstoffen ins Spiel, die zu einem höheren Produktions-Output beitragen. Diesen Faktor sollten Halbleiterhersteller bei der Edelstahlauswahl unbedingt beachten.

Auswirkungen der Fluidsysteme auf die Produktionsleistung.

Inwieweit sich Fluid- und Gassysteme auf die Produktionsausbeute auswirken, hängt von zwei entscheidenden Faktoren ab: Verunreinigung und Korrosion.

Je kleiner die Transistoren werden, desto wichtiger wird es, Verunreinigungen aus hochreinen Produktionsumgebungen fernzuhalten. Selbst mikroskopisch kleine Fremdpartikel können sich hier zu einem schwerwiegenden Problem auswachsen. Mit den passenden Fluidsystemkomponenten lässt sich vermeiden, dass Verunreinigungen überhaupt erst in das System gelangen. So kann die Anzahl der in einem Produktionslauf hergestellten einwandfreien Chips deutlich gesteigert werden.

In der Halbleiterfertigung werden außerdem zunehmend aggressivere Prozessgase eingesetzt, die zum Teil mit höheren Betriebstemperaturen einhergehen. Dadurch erhöht sich das Korrosionspotenzial. Wenn Ventile, Verschraubungen oder Rohrleitungen aufgrund von Korrosionsschäden ausgetauscht werden müssen, bedeutet das zwangsläufig Produktionsausfälle und einen erheblich geringerenOutput. Mit korrosionsbeständigen Komponenten lassen sich solche Ausfallzeiten vermeiden. Auch das Thema Sicherheit spielt hierbei eine zentrale Rolle – wenn Komponenten nicht ordnungsgemäß funktionieren, kann es schnell zu potenziell gefährlichen Leckagen kommen.

Höhere Leistungsfähigkeit durch strategische Materialauswahl.

Ein Edelstahlwerkstoff mit einer optimierten Kombination aus hochleistungsfähigen Legierungen und Reststoffen ist in der Halbleiterproduktion von entscheidender Bedeutung.

Ein höherer Chrom-, Nickel- und Molybdängehalt kann beispielsweise dazu beitragen, dass der Edelstahl fester und beständiger gegenüber korrosiven Medien wird. Einige Reststoffe in der Stahllegierung sind unvermeidlich. Für eine optimale Oberflächenbeschaffenheit und Schweißbarkeit der Komponenten führt beispielsweise kein Weg an einem Restgehalt an Schwefel vorbei. Es ist somit alles andere als einfach, die richtige Balance zwischen allen gewünschten Leistungsmerkmalen zu finden. Hierzu ist ein erfahrener Hersteller mit weitreichender Fachkenntnis in den Bereichen Metallurgie und Werkstoffwissenschaften erforderlich.

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In der Halbleiterfertigung haben Sauberkeit und Reinheit höchste Priorität. Es werden hochreine Werkstoffe mit minimalsten Verunreinigungen eingesetzt, die beispielsweise mit Verfahren wie Argon-Sauerstoff-Entkohlung (Argon Oxygen Decarburization – AOD), Vakuum-Induktionsschmelzen (Vacuum Induction Melting – VIM) und Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (Vacuum Arc Remelting – VAR) hergestellt werden. Auch eine strenge Qualitätskontrolle und Prüfungen dürfen an dieser Stelle nicht fehlen. Mit Ultraschall- und Wirbelstromprüfungen und anderen Methoden können Hersteller selbst kleinste innere und äußere Störfaktoren erkennen, die sich auf die Reinheit auswirken. Auch eine Nachbearbeitung, z. B. durch Elektropolieren oder durch Passivierung bei bestimmten Werkstoffen, kann die Reinheit der Komponentenweiter verbessern.

Um Verunreinigungen zu reduzieren, die Korrosionsbeständigkeit zu steigern und die Gesamtproduktionsmenge zu erhöhen, sollten Halbleiterhersteller mit erfahrenen Fluidsystemanbietern zusammenarbeiten, die die individuellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung genau verstehen und dann Lösungen mit optimaler Funktion und Werkstoffauswahl anbieten.

Ein optimaler Komponentenanbieter sollte in der Lage sein, …

• ... die Herausforderungen im Hinblick auf die Werkstoffauswahl und die Halbleiterproduktion zu kennen
• ... hochwertige Edelstähle von bewährten Lieferanten zu beschaffen
• ... die spezifizierten chemischen Verbindungen und Verarbeitungsstandards genau einzuhalten
• ... alle Edelstahlwerkstoffe einer gründlichen und umfassenden Prüfung zu unterziehen
• ... über den gesamten Herstellungsprozess eine genaue Werkstoffkontrolle zu gewährleisten
• ... vom Rohstoff-Stadium bis zur Auslieferung eine lückenlose Nachverfolgung aller Edelstähle sicherzustellen

Zur Steigerung der Produktionsausbeute und um sich in diesem hart umkämpften Marktumfeld zu behaupten, sollten sich Halbleiterhersteller an einen Partner wenden, der all diese Anforderungen abdeckt. Denn hochleistungsfähige Produkte, die dank geeigneter Werkstoffauswahl und passender Auslegung Verunreinigungen und Korrosion minimieren, wirken sich letztendlich auch deutlich auf den ROI aus.

Sie möchten mehr darüber erfahren, wie Sie Ihre Profitabilität dank optimierter Fluidsysteme langfristig steigern können? Swagelok verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Lieferung von hochleistungsfähigen Komponenten für die Halbleiterindustrie. Nehmen Sie noch heute Kontakt mit unserem Team auf und erfahren Sie, welche Vorteile unsere Lösungen auch Ihnen bieten.

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¹ “„Taking the next leap forward in semiconductor yield improvement“, McKinsey & Company, 2. Mai 2018.

Als Semiconductor Market Manager ist Masroor Malik bei Swagelok für den Halbleitermarkt zuständig. In seinen 22 Jahren bei Swagelok hat er weitreichende Erfahrungen in diesem Bereich gesammelt und zahlreiche Kunden unterstützt. Er hat Abschlüsse an der University of Nebraska–Lincoln in Lincoln/Nebraska sowie an der Weatherhood School of Management der Case Western Reserve University in Cleveland/Ohio erworben.

Shelly Tang ist als Lead Principal Metallurgical Engineer bei Swagelok tätig. Nach fast 20 Jahren im Beruf besitzt sie in zahlreichen kritischen Anwendungsbereichen umfassende Kenntnisse zur Werkstoffauswahl in Fluidsystemen. Sie hat im Fach Werkstoffwissenschaften an der Pennsylvania State University promoviert.