De strijd tussen warmte en afstand bij het verhitten van wafers
Als we daadwerkelijk de koolstofvoetafdruk van halfgeleidersfabrieken willen verminderen, moeten we stoppen met het gebruik van die oude resistieve ovens. Die verbruiken enorm veel energie. Het is beter om over te stappen op kortgolfinfrarood (SWIR)-systemen, want IR-lampen raken de oppervlakte van de wafer rechtstreeks aan. Hierdoor wordt geen energie meer verspild aan het opwarmen van de lucht rondom het onderdeel.
Maar hier zit het probleem: de afstand tussen de lamp en de wafer is cruciaal. Het bepaalt of alles goed gaat of dat het substraat beschadigd raakt.
Het vinden van de “veilige” afstand
Als we het hebben over de veilige afstand, gaat het niet alleen om te voorkomen dat de lamp fysiek de wafer raakt. Het gaat er ook om hoe de warmte precies op de oppervlakte terechtkomt.
Als je de lamp te dicht plaatst, ontstaan er “ hete punten”. Enerzijds wordt de wafer opgewarmd, maar anderzijds kan dit leiden tot scheuren in het materiaal. Dat is natuurlijk niet gewenst.
Maar je kunt de lamp ook niet te ver weg plaatsen om veilig te zijn. Als de afstand te groot is, gaat de energie verloren. De energie bereikt dan de wanden van de kamer in plaats van het silicium. Dit verminderd de efficiëntie en maakt je doelen voor een “groene fabriek” onhaalbaar.
Meestal berekenen we de juiste afstand door te kijken naar de vermogen van de lamp en hoe snel we de temperatuur willen verhogen. Een kleinere afstand zorgt voor een snellere temperatuurstijging. Maar het controleysteem moet zeer snel reageren om de stroomvoorziening uit te schakelen voordat de temperatuur te hoog wordt.
De verborgen kosten van verspilde warmte
Oude verwarmingsmethoden zijn net alsof je probeert één peultje op te warmen door de hele keuken op te warmen. IR-systemen werken anders: ze richten zich rechtstreeks op het silicium.
Als je de juiste afstand hebt gevonden, komt er geen “verloren” straling meer vrij die de machinebescherming beschadigt. Dit is een grote winst voor de fabriek. Waarom? Omdat het HVAC-systeem dan niet extra hard hoeft te werken om de ruimte af te koelen nadat deze is opgewarmd door verspilde warmte.
De technische uitdagingen
Je zou kunnen denken: “Waarom gebruik je niet gewoon IR-array’s met een hoger vermogen, zodat je de grotere afstand kunt compenseren?”
Geloof me, doe dat maar niet. Als je het vermogen te hoog instelt, branden de filamenten sneller uit en wordt de elektrische belasting te groot. Bovendien zal je koelsysteem onder druk komen te staan.
Het gaat erom de juiste afstand te vinden. Je wilt een afstand waarbij de temperatuur van de wafer gelijkmatig blijft, zonder dat de lampen de hele tijd op 100% capaciteit moeten werken. Hier vindt de echte efficiëntie plaats.