Die Bedeutung der Überwachung des Pumpenzustands in der Halbleiterfertigung

Jun 09, 2023

Die Halbleiterfertigung ist Teil der globalen milliardenschweren Halbleiterindustrie. In diesem Fertigungssektor werden Halbleiterbauelemente unter anderem durch Verarbeitungsschritte wie Fotolithographie, Ätzen und Abscheiden hergestellt. Der Produktionsertrag, der am stärksten von der Geräteverfügbarkeit und der Produktqualität beeinflusst wird, gilt als einer der wichtigsten Leistungsindikatoren für Hersteller. Daher liegt der Schwerpunkt verständlicherweise auf der Überwachung des Zustands und der Prozessleistung von hochpreisigen Geräten, wie zum Beispiel Lithographiegeräten, die 100 Millionen Dollar oder mehr kosten können. Obwohl diese Maschinen kritisch und teuer in der Wartung sind, ist es wichtig, auch die Schlüsselrolle von Pumpen in der Halbleiterfertigungsanlage anzuerkennen und damit die großen negativen Auswirkungen zu erkennen, die ihr Ausfall auf die Produktivität, Ressourcen und Finanzen eines Unternehmens haben kann.

Turbomolekularpumpen (Turbopumpen) und Kryopumpen sind wichtige Halbleiterverarbeitungsgeräte für einen Reinraum. Neben anderen Systemen bilden Trockenvakuumpumpen die Unterfabrik, die Vakuum- und Abgasreinigungssysteme zur Unterstützung der Hauptverarbeitungsausrüstung in der darüber liegenden Etage im Reinraum bereitstellt. In Halbleiterfabriken (Fabs) sind häufig Tausende von Trockenvakuumpumpen sowie Hunderte oder sogar Tausende von Turbopumpen vorhanden.

Aufgrund der schieren Anzahl der in diesem Fertigungsbetrieb eingesetzten Pumpen ist die Aufrechterhaltung ihres Zustands eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine Halbleiteranlage ist normalerweise 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche in Betrieb. Daher würde ein Problem mit einer trockenen Pumpe zu einem Gesamtausfall der Ausrüstung und damit zu einem Ausfall der Waferproduktion führen.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Stunde ungeplanter Ausfallzeit die Fabrik Hunderttausende von Dollar kostet.1 Obwohl es Bemühungen zur Überwachung des Pumpenzustands in der Halbleiterfertigung gibt, sind in vielen Fällen Run-to-Failure und reaktive Wartung gängige Strategien werden für Tausende von Pumpen in Industriefabriken verwendet und lassen Raum für unerwartete Ausfälle.

Dies unterstreicht das Potenzial der Nutzung von Fortschritten in der Sensorik und Analyse, um Zustandsüberwachungstechnologie für Pumpen in der Halbleiterfertigung für einen prädiktiveren und proaktiveren Ansatz einzusetzen.

Zu den häufigsten Fehlerursachen für Trockenvakuumpumpen, die in der Nebenfabrik verwendet werden, gehören plötzliche Ablagerungen, Blockaden des Abgasdrucks, durch Ablagerungen verursachte Pumpenfresser und die Verschlechterung von Pumpenkomponenten, was zu übermäßigen Leistungsverlusten führt. 2 Ampere erhöhen und verringern den Durchfluss innerhalb der Pumpen. Die Stromaufnahme des Verstärkers ist das gebräuchlichste Signal zur Überwachung von Trockenvakuumpumpen. Weitere zur Überwachung verwendete Signale sind Vibration, Gasfluss und Druck. Es ist auch üblich, zusätzliche Kontextdaten im Zusammenhang mit der Pumpengeschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute [U/min]) sowie andere Prozess- und Rezeptinformationen zu erfassen.

Im Vergleich zu Trockenvakuumpumpen arbeiten Turbopumpen mit hohen Drehzahlen, beispielsweise 30.000 U/min, und weisen andere Fehlermodi auf. Zu den Ausfallarten der Turbopumpe gehören Motorausfall, Lagerausfall und gebrochene oder verbogene Schaufelblätter an der Rotorbaugruppe.

Die Lager und der Motor können ausgetauscht werden, ein beschädigter Rotor würde jedoch wahrscheinlich einen Austausch der gesamten Pumpe erfordern. Diese Ausfälle der Turbopumpe verursachen eine höhere Stromaufnahme, häufigere Vibrationen, ungewöhnliche Geräusche und höhere Temperaturen; Daher ist die Messung von Vibration, Strom und Temperatur üblich.

Eine zentrale Herausforderung bei der prädiktiven Überwachung von Halbleiterpumpenanwendungen ist die Einrichtung des Datenerfassungssystems zur Überwachung verschiedener Sub-Fab- und Reinraumpumpen, darunter unter anderem Trockenvakuumpumpen, Turbopumpen und Kryopumpen. Dieses System erfordert die entsprechenden Sensoren, Infrastruktur und Protokolle, um nicht nur Strom-, Druck-, Durchfluss-, Temperatur- und Vibrationssignale zu erfassen, sondern diese Datenerfassung auch in die bestehende Datenerfassungsstruktur für andere Reinraumverarbeitungsgeräte zu integrieren, die an Ätzen und Abscheidungen beteiligt sind , Lithographie und mehr. Diese Integration ist erforderlich, da die Kontextinformationen zu Prozess- und Rezeptdaten die ordnungsgemäße Analyse der Pumpenzustandsüberwachungsdaten unterstützen und eine genauere Beurteilung des Gesundheitszustands der Pumpe ermöglichen.

Eine weitere zentrale Herausforderung ist die ordnungsgemäße Analyse der Pumpendaten. Dies liegt an der Gesamtkomplexität des Prozesses und der Vielzahl verschiedener Signale, die gemeinsam analysiert werden, wie z. B. Druck, Durchfluss, Strom, Vibration und Temperatur. Obwohl es bereits Arbeiten zum Einsatz statistischer Methoden und Methoden des maschinellen Lernens zur Pumpenüberwachung in Halbleiteranwendungen gibt, ist diese Forschung weniger etabliert als die Forschung zu Kreiselpumpen und anderen Pumpentypen, die in verschiedenen Branchen eingesetzt werden.

Es gibt noch viele ungelöste Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um eine breite Einführung der prädiktiven Überwachung in dieser Branche zu erreichen. Ein empfohlener Weg, um sicherzustellen, dass Halbleiterfabriken eine universelle Implementierung erreichen, ist wie folgt:

Erstellen Sie mit Beiträgen von Herstellern/Endbenutzern, Pumpen-OEMs und Werkzeug-/Ausrüstungsherstellern eine Liste der wichtigsten erforderlichen Signale für jeden Pumpentyp.

Industrie und Normungsorganisationen sollten zusammenarbeiten, um eine vereinbarte Datenerfassungsstrategie festzulegen, die Kommunikationsprotokolle, Abtastraten und Möglichkeiten zur Integration von Daten in andere Datenerfassungssysteme für die Halbleiterfertigung und Ausrüstung umfasst.

Entwickeln und validieren Sie mithilfe von Industriekonsortien und unabhängig finanzierten Pilotprojekten Algorithmen zur Überwachung des Pumpenzustands mithilfe verschiedener statistischer und/oder maschineller Lernmethoden.

Wenn möglich, erstellen Sie eine Reihe von Referenz- oder Benchmark-Datensätzen, um die Forschung und Entwicklung robusterer Zustandsüberwachungsalgorithmen für Halbleiterpumpenanwendungen zu unterstützen.

Entwickeln Sie eine Roadmap für die Skalierung der Lösung auf Tausende von Pumpen, einschließlich der Definition der Rollen der Pumpen-OEMs, Fabriken/Endbenutzer, Werkzeug-/Ausrüstungshersteller und Technologieanbieter.

atlascopcogroup.com/en/innovation/innovation-stories/2016/pumping-for-semiconductor-success

core.ac.uk/download/pdf/297011834.pdf

David Siegel, Ph. D., ist Chief Technology Officer bei Predictronics. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter predictronics.com.