3D-gedruckte Wafertische der nächsten Generation – Fallstudie

Angesichts der steigenden Nachfrage nach fortschrittlichen Halbleitertechnologien wird der Markt für Halbleiterfertigungsanlagen seinen Wachstumskurs voraussichtlich fortsetzen und 2025 mit 121 Milliarden US-Dollar sowie 2026 mit 139 Milliarden US-Dollar neue Rekordwerte erreichen. Getragen wird dieses Wachstum sowohl vom Front-End- als auch vom Back-End-Segment Die Umsätze im Segment der Halbleiter-Fertigungsausrüstung (Wafer Fab Equipment, WFE) sollen 2025 um 6,8 % und 2026 um weitere 14 % wachsen und damit ein Volumen von 123 Milliarden US-Dollar erreichen. Grund hierfür ist die zunehmende Nachfrage nach fortschrittlichen Logik- und Speicheranwendungen.

Die Präzision und Zuverlässigkeit von Wafertischen sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Halbleiterfertigungsanlagen. Sie haben direkten Einfluss auf die Effizienz und Ausbeute der Fertigungsprozesse und spielen insbesondere in Lithografie-, Waferinspektions-, Die-Bonding-, Ätz- und Beschichtungsanlagen eine zentrale Rolle

Der 3D-Druck kann eine entscheidende Rolle spielen, indem er einen Wandel in der Konstruktionsarchitektur ermöglicht, der mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht realisierbar ist, und dadurch die Genauigkeit, Geschwindigkeit und Verfügbarkeit von Halbleiteranlagen deutlich verbessert. Darüber hinaus ermöglicht er die Entwicklung anwendungsspezifischer Wafertisch-Konzepte, die optimal auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten sind.

Die Herausforderung

Um den Durchsatz und die Genauigkeit von Wafertischen zu verbessern und den Anforderungen der fortschreitenden Miniaturisierung gerecht zu werden, stehen die Halbleiterfertigungsprozesse vor fünf zentralen Herausforderungen:

1. Aufrechterhaltung einer Präzision im Subnanometerbereich über große Flächen
2. Minderung der Auswirkungen der Wärmeausdehnung aufgrund von Prozesswärme
3. Eindämmung von Schwingungen und Umgebungsstörungen
4. Störungen in der Lieferkette und Lieferzeiten
5. Einschränkungen herkömmlicher Verfahren:
   • Erfordert Schweißarbeiten und/oder Baugruppen für runde/verlaufende Formen; dies erhöht die Produktionszeit und die Wahrscheinlichkeit für Lecks deutlich
   • Wände bleiben aufgrund von Produktionseinschränkungen relativ stark
   • Erhebliche Kompromisse bei der Produktion herstellbarer Modelle erforderlich
   • Die Aktualisierung von Entwürfen erfordert oft kostspielige neue Werkzeuge mit langen Vorlaufzeiten
   • Für geringe Produktionsmengen sind oft andere Werkzeuge und Maschinen erforderlich als für hohe Produktionsmengen

Die Lösung

Basierend auf seinen innovativen 3D-Drucklösungen für Metalle und seiner umfassenden Anwendungsexpertise hat 3D Systems einen Demonstrator für einen Siliziumwafertisch der nächsten Generation entwickelt. Wir haben mehrere neuartige Konstruktionstechniken umgesetzt, um die Anforderungen an eine optimale Kühllösung zu erfüllen. 

Bei jeder Kühlplattenlösung erfordert die optimale Kühlmethode:

1. Schnelle Wärmeableitung
2. Gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels
3. Gleichmäßiger Temperaturgradient an der Oberfläche
4. Steuerung der Systementropie

1. Die Wärme sollte so schnell wie möglich von der Wärmequelle weggeleitet werden
   In der Regel fließt das Kühlmedium durch gewundene Rohrleitungen, wobei der kälteste Temperaturzustand (T0) am Einlass des Rohrs und der wärmste Temperaturzustand am Auslass des Rohrs vorliegt. Aufgrund von konstruktiven Einschränkungen müssen Ein- und Ausgang in der Regel an derselben Stelle liegen, was zu einer zusätzlichen Ungleichmäßigkeit führt.

• Die Rückführung des erwärmten Kühlmediums zum T0-Medium am Einlasspunkt fördert einen weiteren Wärmeaustausch mit dem T0-Medium, wodurch der Gesamtwirkungsgrad bereits am Startpunkt gesenkt wird.
• Diese Konstruktionsarchitektur ist ineffizient und erfordert einen funktionalen Kompromiss, da das planare Strömungskonzept nicht seriell ist. Dadurch wird eine Strömung über nahezu die gesamte Oberfläche ermöglicht, wobei diese als Hohlraum mit gerichteten Rippen behandelt wird. 
• Eine starke Strömung von der Mitte zum Rand hin mit einem Wasserfall-Randrücklaufverteiler ist ein neuartiges Konstruktionskonzept, das für sich genommen einen vorhersagbaren polaren Temperaturgradienten liefert. 

2. Im Idealfall sollte das Kühlmedium gleichmäßig über den gesamten Kühlbereich geführt werden, damit an der Kühlfläche stets die niedrigstmögliche Temperatur herrscht.
   Im vorangegangenen Abschnitt haben wir eine Methode vorgestellt, mit der das Kühlprofil gesteuert und zu einem polaren Gradienten geformt werden kann. Durch den Einsatz eines in der Industrie bewährten Injektors im „Duschkopf-Design“ wird das Kühlmedium gleichmäßig in die Lamellenstruktur eingespeist

• Dies behebt die Wärmeaufnahme, die bei der vorherigen Konstruktionsmethode mit einer Strömung von der Mitte zum Rand entsteht.
• Durch die gleichmäßige Einspritzung von T0-Flüssigkeit über den gesamten Bereich wird der polare Temperaturgradient abgeschwächt und die Temperatur über die gesamte Oberfläche angeglichen, ohne die Strömungseigenschaften zu beeinträchtigen.

3. Die gesamte Kontaktfläche sollte eine möglichst gleichmäßige Temperatur aufweisen
   • Durch den Einsatz eines generativ entworfenen Netzwerks aus Strömungsverteilungsrippen im Kühlraum, das wir bereits zuvor vorgestellt haben, bieten wir eine effiziente und einfache Geometrie zur Verteilung des Kühlmediums in der Kühlkammer. 
   • In Kombination mit den beiden vorangegangenen Konstruktionsaspekten verfügen wir über eine Methode zur Steuerung des Durchflusses und des Temperaturgradienten. 
4. Im Laufe der Zeit beeinflusst die Entropie des Gesamtsystems die transiente mittlere Gesamttemperatur. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, sind Maßnahmen erforderlich, die eine Verschiebung der mittleren Gesamttemperatur verhindern.
   Durch die Integration eines „Kältereservoirs“ vor dem Duschkopf bleibt ein bestimmtes Volumen des Kühlmediums im Ausgangszustand T0 erhalten und steht zusätzlich als Wärmesenke zur Verfügung. Dies dient zwei Zwecken: 
   • Das Kältereservoir dient dem gesamten System als kontinuierliche T0-Wärmesenke und wirkt wie ein Eiswürfel im Kern, wodurch es erheblich erschwert wird, dass vorübergehende Wärmeflüsse oder -verschiebungen die thermischen Eigenschaften des Systems wesentlich beeinflussen. 
   • Darüber hinaus wirkt das Kältereservoir als Puffer zwischen dem Kühlvolumen und dem Rücklauf. Dadurch wird verhindert, dass die Rückströmung einen nennenswerten Einfluss auf die aktive Kühlfläche ausübt. 

3D Systems bietet ein vollständiges Ökosystem, das Hardware, Software und Dienstleistungen miteinander verbindet, darunter:

• Beratung durch die Application Innovation Group (AIG) – Gemeinsam mit unseren Kunden ermitteln wir deren Anforderungen und arbeiten mit ihnen zusammen, um Entwürfe zu optimieren, Prototypen zu erstellen, diese zu validieren und einen Fertigungsablauf festzulegen.
• Bei diesem Wafertischprojekt haben wir unsere neueste, hochmoderne Lösung für den 3D-Metalldruck eingesetzt: 3D-Drucker DMP Flex 350 Triple, die Legierung A6061-RAM2 für hohe Wärmeleitfähigkeit sowie die Software 3DXpert® von Oqton.
• Technologietransfer an Auftragsfertiger – Nach der Validierung unterstützen wir Halbleiter-OEMs und Zulieferer dabei, eigene Kapazitäten im Bereich der additiven Metallfertigung aufzubauen, wodurch Kosten und Markteinführungszeit verkürzt werden. Unser engagiertes Team arbeitet mit Ihnen bei jedem Schritt zusammen, von der Vorproduktion bis zur Serienfertigung.

Vorteile/Ergebnisse

Höhere Effizienz – Optimiertes Design sowie schnelle Iteration und Fertigung von Kühlplatten mit komplexen parametrischen oder generativ entwickelten Strömungsstrukturen. Diese sorgen für eine gleichmäßige Beschleunigung des Kühlmediums, steigern die Kühlleistung und erhöhen dadurch die Ausbeute funktionsfähiger Halbleiterchips pro Wafer.

• 500-fach größere Kühlfläche
• 4–6 % – verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit
• 10-fache Erhöhung der Flüssigkeitskapazität

Zuverlässigkeit – Die einteilige Kühlplatte verhindert Leckagen im Vergleich zu herkömmlichen Kühlplatten, die aus zwei oder drei Teilen bestehen. Mit einem monolithischen Design lassen sich eine optimale Kühlmitteleinspritzung und eine hocheffiziente Wärmeabfuhr realisieren.

Verkürzte Vorlaufzeiten  und minimierte Herausforderungen in der Lieferkette

• Die Vorlaufzeit für eine einzelne Komponente nach der Entwicklung kann bereits bei einer Woche liegen. Im Vergleich dazu würde die herkömmlich gefertigte Variante die Herstellung von fast einem Dutzend Maschinenteilen sowie risikobehaftete Löt- und Schweißvorgänge an mehreren Bauteilen erfordern, was insgesamt mindestens 12 Wochen in Anspruch nehmen würde.
• Ein zusätzlicher Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass sich auf Basis praktischer Tests der ersten Prototypen gezielt Designanpassungen vornehmen lassen, um die Leistung weiter zu steigern. Gleichzeitig können überarbeitete Bauteile anschließend mit derselben Vorlaufzeit erneut produziert werden. 
• Die Produktionskosten bleiben unabhängig vom Kühlweg unverändert.

Zugang zu Experten für die additive Metallfertigung zur Entwicklung optimierter Bauteile sowie zu einem von Experten begleiteten Technologietransfer an Auftragsfertiger, um die Markteinführungszeit zu verkürzen.

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