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最大程度减少半导体制造中的能源和资源用量

By Dustin Ho and Andreas Neuber

随着晶圆加工越来越复杂,加上行业在全球范围内的生 产扩张,半导体行业对能源和其他资源的用量在增加。 面对不断上涨的成本和严格的政府监管,高效运行势在 必行。

厂务层目前消耗的能源比晶圆 制造厂的其他任何部分都要多, 但其中很大一部分是浪费的。当 生产机床空闲时,连接到其上的 泵和减排装置继续运行,不必要 地增加了成本、资源用量和温室 气体等的排放(见图 1)。


图 1. 半导体制造业传统上优先考虑的事项是有效实施制造工艺。努力增加厂务层支持设备的能源和资源节约并没有那么受到重视。但是,图表中所示的各种厂务层设备为节约能源和其他资源提供了很多机会。

为了减少这种浪费,厂务层设备供应商实施了各种节约能源和资源的解决方案。其中一项解决方案是在厂务层控制系统中纳入一个热待机空闲模式。目前,各客户的晶圆厂有 3000 多个厂务层设备连接到应用材料公司实施了节能功能的 iSystem™ 及前导控制系统上。

这些控制系统在生产机床与其在厂务层中的支持设备之间通信。它们接收关于机床和腔室状态以及正在运行的化学物质的数据,并发送与这些特定要求相匹配的信号,从而触发降低支持设备的能耗和资源消耗。根据需要,还可利用应用材料公司 iSystem 控制器收集的数据生成资源消耗和排放报告。

然而,空闲模式本质上是反应式的。根据设计,一经触动,它会在不到 10 秒的时间内将支持设备返回到标准运行模式,以免干扰机床的生产活动。但是像泵这样的主要支持设备无法如此快速恢复运行 ;气体或管道温度也不能如此快速地改变。因此,空闲模式不能始终使用,从而限制了晶圆厂能够实现的能源和资源节约量。

为了克服这一限制,同时为了充分利用晶圆厂数据量不断增加而带来的新契机,应用材料公司正在开发一项基于 SEMI 标准 E175 要求的新型预测控制技术。[1,2]

该技术其中一个功能是睡眠模式,如今已可使用,可以将支持设备的资源消耗降低到比热待机空闲时低得多的水平(见图 2)。例如,使用睡眠模式、热 / 湿洗涤 (TW)、工艺控制水 (PCW) 和支持设备功耗方面每年所节省的成本可高达每台机床 5000 美元。


图 2. 当设备直接连接到机床控制器以实现晶圆制造车间与厂务层之间更好的协同,并且由应用材料公司 iSystem 控制器监控时,降低更多厂务层设备能源和资源消耗的睡眠模式就有了可行性。原理图中的红色区域表示睡眠模式相比热待机模式在热 / 湿洗涤 (TW)、工艺控制水 (PCW) 和功耗方面带来的额外节省。每年每台机床节省的成本可高达 5000 美元。

应用材料公司开展的研究表明,实际上,睡眠模式下节省的能源和资源可以是空闲模式下的两倍(见图 3)。


图 3. 对厂务层设备使用睡眠模式,可实现相当于热待机空闲模式两倍的节省。

该技术的一个关键点是首次使用标准信号将厂务层的支持设备直接连接到机床的控制器以及监控系统上。这允许机床控制器触发支持设备本身的运行,而不会给晶圆加工带来风险。

通过用机床控制器对泵、减排装置和其他服务于该机床的支持系统进行运行排序,就可预期到更长的机床闲置时间。泵和减排装置可以进入睡眠模式,从而最大限度地节约能源和资源。

睡眠模式确实比空闲模式需要更长的唤醒时间,但由于时序信息存在于机床控制器 / 晶圆厂操作系统中,因此可以预测并考虑到这一要求。

应用材料公司还通过应用材料 iSystem 中央监控系统来整合生产数据和厂务层数据,以实现制造车间与厂务层之间更大程度的运行协同(见图 4)。利用这些数据进行更严格的控制,可以在资源节省之外带来其他潜在的好处,例如改进晶圆厂安全性、维护管理、诊断和故障检测等等。


图 4. 应用材料公司正在开发一项新的控制机制,以实现晶圆制造车间与厂务层之间更大的协同。它需要使用标准化信号直接连接厂务层设备与机床控制器,并依靠应用材料公司的 iSystem 控制器进行连续监控。原理图显示了该系统的架构,它将带时间戳的工艺信息与厂务层组件信息及外部传感器相叠加,以实现两个系统之间的紧密协同。

结论

睡眠模式是厂务层控制领域的新发展,能将能源和资源消耗降至最低。

除了睡眠模式之外,应用材料公司还在开发一种新的控制模式,收集厂务层数据并与工艺信息相协调,从而更好地理解潜在问题,改进运行和维护过程。最终的目标是充分利用足够的数据,以便引入深度学习算法来降低运行成本并进一步改善运营。

欲知详情,请联系 andreas_neuber@amat.com or dustin_ho@amat.com.

[1] http://ams.semi.org/ebusiness/standards/ SEMIStandardDetail.aspx?ProductID=211& DownloadID=3876

[2] http://electroiq.com/blog/2017/06/how-semistandard- e175-is-saving-energy-and-cutting-costs/