Vergleich von Vertikal- und Horizontalöfen für Halbleiteranwendungen
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Vergleich Vertikal- und Horizontalöfen

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

Beschreibung	3- oder 4-Rohr Horizontalofen z.B. Modell M206	Vertikalofen für die Produktion z.B. VF5300	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).

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