Af hverju eru kæliþurru fyrir halldælaframleiðslu nauðsynlegar í framleiðsluverkstöðvum?

Nánar um hitastöðugleika fyrir lítrógrafíu undir 7 nm og EUV-tæki.

Til að byggja hálfleiðisstöður minni en 7 nm er nauðsynlegt að geta stýrt og stjórnað hitabreytileika á þeim stigi sem er næstum ónálganlegur. Það er nauðsynlegt að notast við ljósmyndunarkerfi með úttrúðu útfæri (EUV) sem vinna við hitastöðugleika á ±0,01°C. Þetta er jafngilt því að halda hitastig alls sundlaugs á stöðugleika á ±0,0005°C. Við mjög litla mælingar leiða hitabreytingar til þess að linsumaterial og vefjastigir hitasvelli sig og samþrýstist, sem leidir til (a) fráviks frá áður ákveðnu mynsturinu (mjög nákvæmum ljósskjölunum sem nauðsynleg eru til að ljósmynda litla eiginleika) og (b) samrekstrar ljósskjölunarinnar. Slíkar áskoranir koma einnig fram við ljósmyndun með innblæstri. Jafnvel 0,1°C hitabreyting leiðir til breytinga á refractionsvísitölu vætis. Auk þess leiðir hún til þess að mynstrin verði út af fókus. Þetta er óþreytt og í raun mikilvægasta áhersluspurningin sem þarf að huga að í tengslum við nýju EUV aflvélarnar sem hafa aflþéttleika yfir 500 kW/m². Ef hiti er ekki mjög nákvæmlega stöðugur mun upphaflega markmið nanómetraframleiðslu verða að fullu náð, en raunverulegar hlutirnir munu vera skemmdir.

Tæknilíkamleg áhrif kælisvæðis-virkna hitastöðugleikar á nákvæmni yfirlagningar í framleiðslu hálfleiðara

Kæliskerfisbúnaður í framleiðslu á hálfleiðaraþáttum hefur einstakt áhrif á nákvæmni yfirlagningar, þ.e. nákvæmni með hversu vel margar silíkumlög eru jafnað saman. Hitastig kæliskerfisins áhrifar vefja þannig að hver hitastigsgráða sem kemur af hitabreytingum í kæliskerfinu valdar útvíkingu silíkumvefja upp að 2,6 μm/m. Við 300 mm þvermál vefja getur útvíkingin leitt til ójafnvægis á vefjum upp að 3 nm. Í þróuðum framleiðsluferlum fyrir 5 nm hringskífur er aðeins hægt að þola ójafnvægi á vefjalögum upp að 1,7 nm. Það er líka mikilvægt að benda á áhrif hitadreifinga á litógrafíustig tæknibúnaðarins. Eins og verkfræðingar segja, valda dreifingarnar „mechanical creep“ (virkilega smáhreyfingu) í litógrafíutækinu, sem gerir þegar frumsýnilega mjög litlar staðsetningarskekkjur í tækinu stærri og stærri með notkun. Kæliskerfisbúnaður fyrir hálfleiðaraþáttaframleiðslu, hitastýring í hreinrumum, hitastýring við framleiðslu á vefjum

Þegar lagin eru ekki rétt samstillt geta alvarleg vandamál verið valdin, svo sem rásafrekstur eða bil í rásunum. Slík galla leida til þess að framleiðendur missa um það bil 740.000 Bandaríkjadala á hverjum klukkustund (Ponemon Institute, 2023). Í nútíma kælikerfum með háþróaða virkni er notuð snjöll hleðslustýring og hægt er að halda hitastöðugleika innan +/− 0,005 gráðu Celsius. Þetta gerir kleift að framleiða hálfleiðara með naukvæmni +/− 0,15 nm, sem er nauðsynleg til að ná góðum útkomum.

Staðlaðar kröfur til hreinrúma og hreininda væskjunnar í hálfleiðarframleiðslu

Heildarráða væskjuslóðar og stjórnun á hnitum

Kæliker sem notaðir eru í kæliskerum fyrir framleiðsluverksmiðjur hálfleiðara verða að uppfylla ISO-klassar 1–4 til þess að ekki beri áhrif á framleiðslu með úttrýstum útfallandi ljósi (EUV) og aðrar þátttökur í framleiðslu. Allur loftbundinn óhreinindi stærri en 0,1 mikróna myndi vera vandamál við nákvæma skot til mjög litilla vefja undir 5 nanómetra. Nútímakæliker hafa fullkomlega lokaða kælmiðilsleiðir og eru gerð úr hágæða rustfritt steini, svipað og hirðingartæki, til að lágmarka óhreinindi. Þessi kæliker nota áframþróaða fjölmolekúlulega óhreinindisíur og HEPA-síur til að tryggja að jákvæð mismunstrykk og loftbundnar óhreinindi séu minni en 1 á rúmmetra við 0,1 mikróna. Þessar mjög strangar aðgerðir tryggja að ASML-ljósmyndavélarnar verði ekki áhrifar af óhreinindum sem gætu vanvirkja ljósmyndavélanna. Skortur á vefjum er stýrður svo hann sé undir 0,01 á ferningscentimetra. Þessar vélar kosta yfir tvö milljón dollara og eru mjög viðkvæmar fyrir láglagningu á ljósskynjun.

Val á mótsöðum efnum og samræmi við deíónískuð vatn (≥18,2 MΩ·cm)

Kælikerfi fyrir hálfleiðarhringa verða að veita kerfi fyrir ultrahreint vatn (UPW) með öllum hitaflutningssvæðum sem hafa viðnámsmæti >18,2 MΩ·cm (þ.e. >99,999999% af íjum). Venjuleg iðnaðarleg kælikerfi eru ónotandi hér vegna rafhlaðusöðunar í kopar-nikkelsamböndum sem losna máli í kælivatnskerfin. Þess vegna eru nýja kynslóðin lausna hönnuð með:

- Rafpolýraðum 316L/904L rostfritt steypujárnsvæðum fyrir væskur.
- Passíverunslagum sem ekki losna járnoxíð.
- Ómetallískum (Kalrez® FFKM) þéttunum sem standa upp á hitasveiflur.

Þessi hönnun kvarðar viðnámsmætisfall neðan 18,0 MΩ·cm sem veldur skugga á vefjum – villa sem kostar $740.000 á atvik (SEMI Benchmark Report, Yield Loss Drivers in Advanced Node Fabrication, 2023). Miðað við lyfjafræðileg kerfi verða kælikerfi fyrir hálfleiðarhringa einnig að vera ástandið til að standa undir gegnumferð etkvirkja, eins og HF, í gegnum tæknigæri viðskiptavörur.

Aukning á notkunartíma tæknisbúnaðar og hækkun á framleiðslu með traustum kæliþurru fyrir halda- og rafmagnstæknifabrik

Mat á tapa á framleiðslu: ± 0,3 °C villa og tenging hennar við galla (SEMI F47)

Það eru margar ástæður, til dæmis samruni á villum, fyrir að halda hitastigi í hálfleiðisframleiðslustöð (semiconductor fab) jafnt. Villur eru „dauðavillur“ og, samkvæmt stefnu hálfleiðisvinnsluábyrgðar um meðferð villna, SEMI F47 (drög), er útrýmingu villna mikil ástæða fyrir þessa aðgerð. Ef framleiðslustöð uppfyllir ekki staðlana SEMI F47 mun hún framleiða 1,5–3% færri chips á hverjum 100 vefjum vegna dauðavilla. Allt misnotuð silíkóna er mikil fjárhagsleg tap fyrir framleiðslustöð, en raunverulegi kostnaður breytilegra hitaskilyrða er slit á tækninni og tengdur aukningur í viðhaldskostnaði. Tæki, svo sem ljósgeislar fyrir útrásarúltravíolt (EUV) og rýðingarrými, eru sérstaklega viðkvæm fyrir hitasveiflur og eru viðkvæm fyrir fyrirbæri sem kallað er hitatöf, sem leiðir til 18% aukningar í viðhaldskostnaði og stöðvunum. Kölduvélir fyrir hálfleiðisframleiðslustöðvar, hitastýring á hreinrumuppskerum, hitastýring við vefjasköpun

Þess vegna leggja nútímaskráðar framleiðsluverkstæði niður peninga á kælisýstur sem geta haldað hitastigi innan bils af plús eða mínus 0,05 gráðum Celsius. Slík nákvæmni kvarðar mistök, verndar tækjum í gildi mörg milljón dala og tryggir jafnvel framleiðslu sem framleiðslustjórar þurfa til að styðja heilbrigða hagnað.

Rétt stærð og sérsníðin vélkælir fyrir breytilegar ferlihleðslur

Þegar kælt er í framleiðsluverkstæði fyrir hálfleiðara er þar ólík þurfta á sviði hita. Kæliþjónustan verður að vera nákvæmlega stærðsett og sérsniðin, annars munu uppstanda ýmsir vandamál. Stór kæliflæði munu skipta á og af of oft og munu með tímanum eyða rafmagni og slíta í þá hluti sem byrja og hætta of oft. Litlir kæliflæði geta ekki viðhaldið mikilvægu hitabreytingasvæði á +/− 0,3 gráðu þegar álagið hækkar hratt. Þetta valdar óstöðugleika í framleiðslu mikilvægra chips, og eins og við vitum er hitastigur mikilvægur áhrifavillistofn fyrir gæði. Til að takast á við þetta eru sérsniðin kerfi og snjórr PID-stýringartækni notuð til að stilla kæliverkefnið eftir breytingum á aðstæðum. Með því að para saman snjörri PID-stýringu við sérstakar efni sem breyta ástandi (PCM) sem hitaþokkunarþol, hafa verkfræðingar rétta samsetningu til að lágmarka galla og spara orku. Viðskiptavinir skrá sparnað á 25–30 prósentu, miðað við venjulegar fastgetnu kæliflæði.

Algengar spurningar  

Af hverju er hitastöðugleiki mikilvægur í framleiðslu hálfleiðara?

Hitastöðugleiki er nauðsynlegur í framleiðslu hálfleiðara því að hitabreytingar geta leitt til ónákvæmrar framleiðsluferlis hálfleiðara, sem á sinn tíma leiðir til skemmdra og illa virkandi hluta.

Hverjar eru afleiðingarnar af hitadreifingu sem orsakast af kælikerfum?

Hitadreifing sem orsakast af kælikerfum getur leitt til misstillingar á silíkumlögum. Þetta getur á sinn tíma leitt til rafhlaupaskemmda í silíkum og hækkað framleiðslukostnað vegna framleiðsluforsérs.

Á hvaða hátt hjálpa nútímakæli við að uppfylla staðla um hreinrúm og vötnunarsýnileika?

Nútímakæli hjálpa við að uppfylla staðla um hreinrúm með því að nota læstar köldunargöng og mótvirkisvörnarmyndanir sem leyfa ekki fyrir mengun, sem varðveitir heildarráði chipsins.