Füllstand von Prozesschemie in Halbleiteranlagen messen: Ätzchemie, Lösungsmittel und Slurry in Kanister, Tank und IBC

Eine Waferreinigungs- oder Ätzanlage bezieht ihre Chemie aus Behältern, die selten größer sind als ein IBC und oft nur einige Dutzend Liter fassen. Wie voll sie sind, will der Anlagenbauer wissen, der die Messung in seine Maschine einplant, und ebenso die Instandhaltung im Halbleiterwerk, die rechtzeitig nachfüllen muss. Dieser Beitrag richtet sich an beide. Er folgt dem Weg der Chemie vom Versorgungskabinett über Kanister und Vorlagetank bis in die enge Anlage, behandelt danach Behälter mit schwieriger Form und endet bei der Frage, ob ein Sensortyp für eine ganze Anlagenplattform genügt. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; ein fest eingebauter Füllstandssensor ist nicht darunter. Wo der Wafer im Bad liegt, ist Sache der Positionserkennung, und die Chemietanks an Leiterplattenlinien behandelt ein eigener Beitrag dieser Reihe.

Wichtige Punkte im Überblick

Wo heute Schwimmer und Sonden in der Chemie stehen, wird eine Messung von oben gesucht, die nichts in das Medium bringt und den Behälter geschlossen lässt.
An einer Waferwaschmaschine lieferte ein Test durch einen 3 cm starken Kunststoffdeckel ein sehr gutes Ergebnis.
Für die enge Anlage mit Chemiedämpfen führt der Katalog ein chemikalienbeständiges Kompaktmodell des Radar-Füllstandssensors der Modellreihe FR mit chemikalienbeständigem PVC-Kabel.
Ob ein Modell zu einer bestimmten Säure, Lauge oder einem Lösungsmittel passt, sagt der Katalog nicht je Medium, das wird vor der Auswahl an der konkreten Chemie geklärt.
Für eine Anlagenplattform zählt, ob ein Typ den kleinsten Kanister und den größten Vorlagetank abdeckt, die Dämpfe aller Chemievarianten verträgt und zu jeder verbauten Steuerung passt.

Versorgungskabinett, Kanister, Vorlagetank: wo die Chemie in der Halbleiteranlage steht

Am Anfang der Kette stehen häufig IBCs und Fässer in einem Versorgungskabinett. Eine Aufgabe ist, den Füllstand dort durch die geschlossene Wandung zu erfassen, ohne einen Behälter zu öffnen; der Grund ist die Reinheit der Chemie. Für IBC-Tanks ist die Messung durch die Kunststoffwand zugleich das Beispiel, das der Katalog des Radar-Füllstandssensors der Modellreihe FR selbst anführt.

Ähnlich liegt der Fall bei einem Hersteller, der Siliziumkarbid-Chips poliert. Die Polierslurry steht in IBC-Tanks, gefragt ist eine Messung auf kurzer Distanz, heute arbeiten dort Ultraschallsensoren.

Eine Stufe näher an der Anlage sitzt der Kanister. In einem Chemieversorgungssystem, das Einzelwaferanlagen beliefert, soll der Füllstand in einem 30-l-Kanister erfasst werden, bei rund 500 mm Messstrecke und Chemiedämpfen in der Umgebung des Sensors. Rechnerisch liegt diese Strecke klar innerhalb der 1,5 m, die die Nahbereichsmodelle der Modellreihe erfassen.

Deutlich mehr Behälter hat eine Anlage für die stromlose Metallabscheidung, wie sie ein Anlagenbauer für die Leistungselektronik liefert. Zehn bis dreißig Vorlagetanks kommen dort je Anlage zusammen, gefertigt aus PVDF, PFA oder Quarzglas. In Frage kommen dafür das chemikalienbeständige Kompaktmodell und mehrere Auswerteeinheiten. Mit der Zahl der Tanks wächst auch die Frage, wie viele Messstellen eine einzelne Auswerteeinheit bündeln soll und wo sie in der Anlage Platz findet.

Durch den Kunststoffdeckel messen: Füllstand ohne Öffnung und ohne Teil im Medium

An vielen dieser Behälter ist heute Technik vorhanden, die in oder an der Chemie arbeitet: Schwimmer, kapazitive Sensoren, Ultraschallsensoren. Schwimmer und Sonden stehen dabei im Medium. Wo Reinheit zählt, soll aber nichts in die Chemie ragen, und ein Behälter, der für einen Messpunkt geöffnet wird, ist ein Eingriff in ein geschlossenes System.

Das Millimeterwellenradar der Modellreihe FR durchdringt nach Katalogangabe von Natur aus Kunststoff und Glas. Der Sensor kann deshalb oberhalb eines Kunststoffdeckels oder vor einem Sichtfenster aus Glas sitzen, der Behälter bleibt zu. Wie stark das Signal ankommt, hängt laut derselben Quelle vom jeweiligen Glas oder Kunststoff ab. Werkstoff und Wandstärke gehören deshalb in den Test, nicht in eine pauschale Zusage.

Wie das an einer realen Anlage aussieht, zeigt ein Test an einer Waferwaschmaschine. Gemessen wurde durch einen 3 cm starken Kunststoffdeckel, das Ergebnis war sehr gut; heute sitzt an diesem Tank ein Schwimmer. Ein Anwender von Ätzchemie für Wafer möchte ebenfalls durch den Kunststoffbehälter hindurch messen.

Kompaktmodell und Auswerteeinheit: Messstellen in der engen Anlage

Im Inneren einer Waferanlage ist wenig Platz, die Behälter sind klein und die Luft trägt Chemiedämpfe. Für diese Lage führt der Katalog ein Kompaktmodell, das er als chemikalienbeständig bezeichnet, mit einem chemikalienbeständigen PVC-Kabel und einem Sensorkopf von ø33,1 × 20,9 mm. Es wird mit einer Auswerteeinheit kombiniert, etwa für den 30-l-Kanister. Daneben gibt es eine eigenständige Kompaktausführung, ebenfalls chemikalienbeständig. Die Linse besteht laut technischen Daten aus PTFE. Wo der Abstand größer ist, bieten auch die Fernbereichsmodelle bis 20 m eine chemikalienbeständige Ausführung neben dem Standardmodell.

Ein Hersteller von Halbleiteranlagen will den Stand eines Lösungsmittels vor der Waferbeschichtung erfassen, auf etwa 40 cm Abstand. Heute arbeitet er dort mit kapazitiven Sensoren. Bei der Waferwaschmaschine aus dem Deckeltest wünscht sich der Anwender einen abgesetzten Sensorkopf und für später eine Anbindung über EtherCAT. Der Kopf sitzt dann dicht am Behälter, gebraucht wird der Wert an anderer Stelle. Bei einem Teil der Modelle, etwa dem Standardmodell für den Fernbereich, lässt sich die Anzeigeeinheit laut Katalog vom Sensorkopf trennen und bis 30 m entfernt anbringen, sodass der Füllstand außerhalb des engen Anlageninneren abgelesen werden kann.

Für die Steuerung stehen bis zu fünf Schaltausgänge, ein Analogsignal 4-20 mA und IO-Link bereit. EtherNet/IP, Modbus/TCP, PROFINET, CC-Link oder EtherCAT erreicht der Sensor über das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ. Ob ein Modell zu einer bestimmten Säure, einer Lauge oder einem Lösungsmittel passt, sagt der Katalog nicht je Medium; das wird vor der Auswahl an der konkreten Chemie geklärt.

Tankform einlernen, Volumen anzeigen: Behälter ohne einfache Geometrie

Nicht jeder Behälter ist ein gerader Zylinder. Laut Katalog rechnet der Radar-Füllstandssensor den Füllstand intern aus der Tankform um und zeigt ihn in Volumeneinheiten an. An der Waferwaschmaschine aus dem Deckeltest hat dem Anwender gerade gefallen, dass sich die Tankform einlernen lässt.

Ungewöhnlicher ist eine Aufgabe mit Epoxidharz. Das Harz steht in einem schräg gestellten Stahleimer, der seinerseits in einem Metalltank unter Druck sitzt, und gemessen werden soll von oben. Ob die Volumenanpassung zu dieser Geometrie passt und wo der Sensor in diesem Aufbau Platz findet, ist noch zu prüfen.

Beide Fälle zeigen, was vor der Auswahl auf den Tisch gehört: die tatsächliche Form des Behälters, die Lage des Sensors darüber und die Frage, ob die Anlage eine Höhe oder ein Volumen erwartet.

Ein Sensortyp für alle Füllstände einer Anlagenplattform

Viele dieser Aufgaben stammen von Anlagenbauern, deren Kunden Chiphersteller sind. Ein Halbleiter-OEM nutzt heute an mehreren Chemikalien kapazitive Sensoren. In Frage kommt für ihn der chemikalienbeständige Radar-Füllstandssensor mit 1,5 m Kabel, und für ihn zählt, ob derselbe Typ an allen diesen Chemikalien den Füllstand erfasst. Beim Anlagenbauer für stromlose Metallabscheidung kommen mit zehn bis dreißig Vorlagetanks je Anlage viele Messstellen in einer Anlage zusammen.

Für eine Plattform zählen andere Fragen als für einen einzelnen Tank, denn ein Fehlgriff wiederholt sich an jeder ausgelieferten Anlage. Deckt ein Typ den kleinsten Kanister und den größten Vorlagetank ab? Verträgt er die Dämpfe aller Chemievarianten, und passen seine Ausgänge zu jeder Steuerung, die der Anlagenbauer verbaut? Beantworten lassen sich diese Fragen an einem Gerät an einer Anlage, am echten Behälter und mit der echten Chemie, bevor die Auslegung auf die Baureihe übertragen wird.

Häufige Fragen

F Welche Messdistanz deckt der Radar-Füllstandssensor an kleinen Chemiebehältern ab?

Die Nahbereichsmodelle der Modellreihe FR erfassen bis 1,5 m, die Fernbereichsmodelle bis 20 m. Für Kanister und Vorlagetanks in einer Waferanlage mit Abständen von wenigen Zentimetern bis etwa einem halben Meter ist der Nahbereich die Ausgangsbasis. Wie viel Abstand zum höchsten Füllstand bleiben muss, gehört zur Auswahl der Messstelle.

F Gibt es eine chemikalienbeständige Ausführung?

Der Katalog führt das Kompaktmodell und eine eigenständige Kompaktausführung als chemikalienbeständig, mit chemikalienbeständigem PVC-Kabel; auch bei den Fernbereichsmodellen gibt es eine chemikalienbeständige Variante. Die Linse besteht aus PTFE. Die Eignung für eine bestimmte Säure oder ein Lösungsmittel klärt man je Chemikalie, bevor ein Modell festgelegt wird.

F Lässt sich der Füllstand als Volumen ausgeben?

Laut Katalog rechnet der Sensor den Füllstand aus der Tankform intern in Volumeneinheiten um. Bei Behältern mit ungewöhnlicher Geometrie ist vorab zu prüfen, wie gut die hinterlegte Form den realen Tank abbildet.

F Funktioniert die Messung an IBCs im Versorgungskabinett?

IBC-Tanks nennt der Katalog als Beispiel für die Messung durch die Kunststoffwand. Weil die Signalstärke vom Kunststoff abhängt, klärt ein Test am tatsächlichen Behälter, ob das Signal ausreicht. Für Fässer und andere Gebinde gilt dieselbe Reihenfolge.

F Warum wird der Füllstand von oben und nicht mit einer Sonde gemessen?

Schwimmer und Sonden stehen im Medium und berühren die Chemie. Ein Radarsensor oberhalb des Deckels bringt kein Teil in den Behälter, und der Tank muss für die Messung nicht geöffnet werden. Bei Ätzchemie und hochreinen Lösungen ist genau das die Anforderung.

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