Vergleich von Vertikal- und Horizontalöfen für Halbleiteranwendungen

Koyo Thermo Systems wird in Europa vertreten durch
Crystec Technology Trading GmbH

Vergleich Vertikal- und Horizontalöfen

Wir werden oft nach den Unterschieden zwischen Vertikalöfen und Horizontalöfen sowie nach einer Begründung für den höheren Preis der Vertikalanlagen gefragt. Deshalb haben wir in der folgenden Tabelle, die Unterschiede der verschiedenen Anlagentypen herausgearbeitet. Wir hoffen, dass diese Gegenüberstellung, dieser Überblick, dieser Vergleich von Daten und Fakten Ihnen hilft, ihre Planung durchzuführen.
Bei den Vertikalöfen haben wir eine Anlage für die Massenproduktion (VF5300) sowie unseren kleinen Vertikalofen VF1000 aufgenommen, der vor allem für kleinere Firmen und Forschungsinstitute eine gute Alternative zu den Horizontalöfen darstellt.

Vergleich Ofeneigenschaften
Beschreibung
Horizontalofen 206 208
3- oder 4-Rohr Horizontalofen
z.B. Modell M206

Vertikalöfen VF5300
Vertikalofen für die Produktion
z.B. VF5300

Vertikalofen VF1000
Vertikalofen für F&E
z.B. VF1000

  Aufheizrate langsamer schneller schneller
  Ladezeit Quarzboot langsamer schneller schneller
  Abkühlgeschwindigkeit gleich gleich gleich
  Max. Temperatur bei Benutzung des LGO Heizelements 1100°C 1250°C 1250°C
  Temperaturgleichmäßigkeit niedriger höher höher
  Gegenseitige Beeinflussung der Rohre 1 - 2 °C nein nein
  Sauerstoffkonzentration in der Rohrmitte (Ende offen) 16% 0,1% 0,1%
  Sauerstoffkonzentration am Rohrende (Ende offen) hoch 500ppm 500ppm
  Sauerstoffkonzentration in der Rohrmitte (Ende zu) 0,1% 300ppm 300ppm
  Sauerstoffkonzentration am Rohrende (Ende zu) 10 - 30 ppm 10ppm 10ppm
  Gasdichte Prozeßkammer (atmospherischer Prozeß) nein ja ja
  HCl Leckfreiheit nein ja ja
  Gegenseitige Kontamination möglich nicht möglich nicht möglich
  Prozeßunabhängigkeit nicht völlig ja ja
  Partikelwerte schlechter sehr gut besser
  Flexibilität: Unterschiedliche Waferdurchmesser in einem Lauf möglich nicht möglich nicht möglich
  Flexibilität: Unterschiedliche Waferdurchmesser in verschiedenen Läufen möglich nicht möglich möglich
  Flexibilität: Mögliche Waferdurchmesser 3" - 6" (8") 4" - 300mm 3" - 300mm
  Einlagerung von Wafer-Kasetten nein ja nein
  Automatisierungsniveau niedriger sehr hoch höher
  Schichtdickengleichmäßigkeit Naßoxidation 10nm, 8" wafer keine Angaben ± 0.9 % ± 0.9 %
  Schichtdickengleichmäßigkeit trockene Oxidation 20nm, 8" wafer ± 2.4 % ± 1.2 % ± 1.2 %
  Schichtdickengleichmäßigkeit poly-Silicium 400nm, 8" wafer ± 2.0 % ± 1.0 % ± 1.0 %
  Schichtdickengleichmäßigkeit Nitrid 100nm, 8" wafer ± 2.5 % ± 1.5 % ± 1.5 %
  Kapazität >150 wafer 100 - 150 wafer 25 wafer
  Stromverbrauch höher niedriger sehr niedrig
  Wartungsunabhängigkeit der Rohre nein ja ja
  Nötige Wartungsarbeiten mehr weniger sehr  wenig
  Standfläche / Rohr 2.6 - 3.4 m2 (teils im Reinraum) 3.0 m2 (Grauraum) 1.5 m2 (Grauraum)
  Preis niedrig hoch niedrig

Heutzutage findet die Massenproduktion von Halbleiterchips mit 200mm und 300mm Silicium Wafern statt. Es werden nahezu ausschließlich Vertikalöfen eingesetzt. Nur in älteren Fabriken, die noch kleinere Wafer verwenden, sowie für einige wenige Spezialanwendungen finden noch Horizontalöfen Anwendung. Bis zu 6" Waferdurchmesser sind diese meist noch gut genug, um die Ansprüche der Kunden zu erfüllen. Die Vorteile der Vertikalöfen sind jedoch auch bei 6" Wafern unübersehbar.

Diese Situation auf dem Ofenmarkt hat dazu geführt, dass die Weiterentwicklung von Horizontalöfen von allen großen Ofenherstellern eingestellt wurde. Eine Weiterentwicklung findet fast nur noch auf dem Gebiet der Vertikalöfen statt. Dies hat dazu geführt, dass mittlerweile die Vertikalöfen den Horizontalöfen nicht nur durch das physikalische Prinzip überlegen sind, sondern einfach das moderne Produktionsmittel darstellen und daher auch schon aus diesem Grund eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit aufweisen.
So wurde die Weiterentwicklung der Ofenautomatisierung nur für Vertikalöfen betrieben. Bei Horizontalöfen versteht man unter Automatisierung lediglich die Beladung des Cantileverarms mit Waferbooten durch ein Liftsystem. Die Beladebereiche liegen offen im Reinraum. Vertikalöfen sind hingegen geschlossene Systeme, die im Innenraum Reinraumklasse 1 aufweisen. Die Beladung der Boote erfolgt vollautomatisch aus den Kassetten durch moderne Robotersysteme.
Weitere Vorteile der Vertikalöfen sind die absolute Gasdichtheit der Ofenkammer sowie Optionen, die nur für Vertikalöfen erhältlich sind wie beispielsweise Bootrotation oder eine stickstoffgespülte Beladekammer.

Für kleinere Firmen, für Pilotlinien, Forschungsinstitute und Universitäten hat diese Entwicklung den Nachteil, dass hohe Performance gekoppelt ist mit hohem Automatisierungsgrad und damit hohem Preis. Aus Budgetgründen bleibt daher oft nur die Beschaffung eines deutlich günstigeren Horizontalofens übrig, obwohl bei dieser Kaufentscheidung deutliche Prozessnachteile akzeptiert werden müssen.
Hier bietet die Fa. Koyo Thermo Systems seit einigen Jahren einen Ausweg. KTS entwickelte einen kleinen Vertikalofen namens VF1000 speziell für diese Kundschaft. Der VF1000 ist ein vollwertiger Vertikalofen mit der vollen Prozessleistung. Da bei Forschungskunden die gewünschten Durchsätze oft klein sind, wurde dieser Ofen konsequent als Mini-Batch Ofen ausgeführt. Die Belademenge beträgt 25 Wafer (Standard) oder 50 Wafer (Option). Die Beladung erfolgt manuell, was die Flexibilität des Systems stark erhöht. Alle weiteren Schritte wie das Einfahren des Bootes in den Ofen und die Ausführung der Prozessrezepte erfolgen vollautomatisch wie bei den Produktionssystemen. Der Preis schließlich ist nur wenig höher als bei den alternativ angebotenen Horizontalöfen.
Die benötigte Standfläche für solche kleinen Vertikalöfen ist übrigens kleiner als bei der gleichen Zahl installierter Horizontalrohre! Wir zeigen Ihnen hier als Beispiel die Layouts von 12 Rohren, ausgeführt mit Anlagen VF1000 bzw. Horizontalöfen, Typ 208 (3 Rohre pro Stack).

Platzbedarf Reinraum Vertikalöfen Stellfläche Vertikalöfen VF1000

Koyo Thermo Systems produziert zahlreiche Versionen von Vertikalöfen und Horizontalöfen mit vollautomatischer und manueller Bedienung. Kleine Versionen für Pilotlinien und Forschungsinstitute stehen zur Verfügung.

Koyo Thermo Systems und Crystec freuen sich darauf, für sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.