Kāpēc pusvadītāju ražošanas rūpnīcās ir būtiski pusvadītāju ražošanas dzesēšanas šķidruma dzesētāji?

Termiskās stabilitātes nianses zem 7 nm fotolitogrāfijā un EUV ierīcēs.

Lai izveidotu pusvadītāju struktūras, kas ir mazākas par 7 nm, ir nepieciešams spēt kontrolēt un pārvaldīt siltuma svārstību līmeni, kas ir gandrīz neiespējams sasniegt. Ekstrēmās ultravioletās (EUV) litogrāfijas sistēmām ir jādarbojas temperatūrā, kas stabila ±0,01 °C robežās. Tas ir ekvivalents tam, ka visu peldbaseina temperatūru uzturētu stabila ±0,0005 °C robežās. Ekstrēmi mazos izmēros temperatūras svārstības izraisa objektīva materiālu un krelles fāzes termisku izplešanos un sarukšanu, kas noved pie (a) novirzīšanās no iepriekš noteiktā izkārtojuma (tieši precīzajiem gaismas ceļiem, kas nepieciešami, lai eksponētu mazu elementu) un (b) gaismas ceļu sabrukšanas. Šādas problēmas rodas arī iegremdēšanas litogrāfijā. Pat tikai 0,1 °C temperatūras svārstība izraisa šķidruma laušanas koeficienta svārstības. Turklāt tā izraisa attēlu neattēlotības stāvokli. Tas ir nepārtraukts un, patiesībā, nozīmīgākais faktors, ko jāņem vērā saistībā ar jaunajām EUV jaudas moduļiem, kuru jaudas blīvums pārsniedz 500 kW/m². Ja siltums netiek uzturēts ļoti augstā precizitātē, nanometru mēroga ražošanas galvenais mērķis būs sasniedzams, tomēr iegūtās elektroniskās komponentes būs defektīvas.

Dzesētāju izraisīto temperatūras svārstību tehnoloģiskā ietekme uz pārklājuma precizitāti pusvadītāju ražošanā

Aukstuma sistēmas pusvadītāju ražošanā unikāli ietekmē pārklājuma precizitāti — precizitāti, ar kuru tiek izlīdzinātas vairākas silīcija slāņu kārtas. Šo aukstuma sistēmu temperatūra ietekmē plāksnītes tā, ka katrs termiski izraisītais aukstuma sistēmas grāds izraisa silīcija plāksnīšu izplešanos līdz pat 2,6 μm/m. Plāksnīšu diametrā 300 mm izplešanās var izraisīt līdz pat 3 nm lielu neatbilstību plāksnīšu izlīdzināšanā. Uzlabotās 5 nm čipa ražošanas procesi var pieļaut tikai 1,7 nm lielu neatbilstību plāksnīšu slāņu izlīdzināšanā. Arī svarīgi uzsvērt termiskās nobīdes ietekmi uz litogrāfijas posmu aprīkumā. Kā inženieri to izsaka, šīs nobīdes izraisa litogrāfijas aprīkuma „mehānisko rāpošanu“, kas liek jau hipotētiski niecīgajām pozicionēšanas neprecizitātēm aprīkumā kļūt arvien lielākām ekspluatācijas laikā. Pusvadītāju ražošanas aukstuma sistēmas, tīrās telpas procesa temperatūras kontrole, plāksnīšu ražošanas termiskā pārvaldība

Kad notiek slāņu nobīde, var rasties nopietnas problēmas, piemēram, īssavienojumi vai spraugas shēmās. Šādas defekti rada ražotājiem aptuveni 740 000 ASV dolāru zaudējumus katrā stundā (Ponemon institūts, 2023). Modernākajiem augstas veiktspējas dzesētājiem ir inteliģenta slodzes pārvaldība, un tie spēj uzturēt temperatūras stabilitāti ar precizitāti ±0,005 °C. Tas ļauj pusvadītāju ražošanu ar kritisko precizitāti ±0,15 nm, kas nepieciešama, lai sasniegtu labus iznākumus.

Tīrības telpu un šķidrumu tīrības standarti pusvadītāju ražošanā

Šķidruma ceļa integritāte un daļiņu kontrole

Aukstuma iekārtas, ko izmanto pusvadītāju ražošanas rūpnīcu dzesēšanas sistēmās, jāuztur ISO klases 1–4 standartos, lai netiktu apdraudēta ārkārtīgi ultravioletā litogrāfija (EUV) un citi ražošanas posmi. Jebkurš gaisā esošs piesārņojums lielāks par 0,1 mikronu radītu problēmas, mērķojot ārkārtīgi mazus, mazāk nekā 5 nanometrus lielus silīcija plāksnītes gabalus. Mūsdienīgās aukstuma iekārtu sistēmas ir pilnībā noslēgtas attiecībā uz aukstumnesēja caurulēm un izgatavotas no augstas kvalitātes nerūsējošā tērauda, līdzīgi kā ķirurģiskie instrumenti, lai minimizētu piesārņojumu. Šīs aukstuma iekārtas izmanto modernus molekulāros piesārņojuma filtrus, kā arī HEPA filtrus, lai nodrošinātu pozitīvu diferenciālo spiedienu un gaisā esošo piesārņojumu zem 1 vienības uz kubikmetru pie 0,1 mikrona. Šādas ārkārtīgas pasākumi nodrošina, ka ASML litogrāfijas mašīnas nav pakļautas piesārņojumam, kas varētu pasliktināt šo litogrāfijas mašīnu optisko sistēmu. Defektu biežums uz silīcija plāksnītēm tiek kontrolēts zem 0,01 uz kvadrātcentimetru. Šīs mašīnas maksā vairāk nekā divus miljonus ASV dolāru un ir ļoti jutīgas pret optisko nogulsnēm. pusvadītāju ražošanas rūpnīcu dzesēšanas aukstuma iekārtas, tīrās telpas tehnoloģisko procesu temperatūras kontrole, silīcija plāksnīšu ražošanas termiskā pārvaldība

Korozijai izturīgu materiālu izvēle un deionizēta ūdens atbilstība (≥18,2 MΩ·cm)

Pusvadītāju ražošanas telpu dzesēšanas šķidruma dzesētājiem jānodrošina ultratīra ūdens (UPW) sistēmas ar visiem siltuma pārnese punktiem, kuru pretestība ir >18,2 MΩ·cm (t.i., jonu piesārņojumu līmenis ir <99,999999%). Standarta rūpnieciskie dzesētāji šeit nav piemēroti, jo var rasties galvaniskā korozija vara-nikela sakaitēs, kas izdala metālus dzesēšanas šķidruma ciklos. Tāpēc nākamās paaudzes risinājumi ir izstrādāti ar:

- Elektropolētām 316L/904L nerūsējošā tērauda šķidruma kontūrām.
- Pasivācijas kārtām, kas neizdalās kā dzelzs oksīds.
- Ne-metāliskām (Kalrez® FFKM) blīvēm, kas iztur termisko ciklēšanu.

Šāda konstrukcija novērš pretestības kritumu zem 18,0 MΩ·cm, kas izraisa virsmas miglošanos uz pusvadītāju plāksnītēm — defekts, kura izmaksas ir 740 000 USD vienā gadījumā (SEMI standartu ziņojums, „Izdošanas zudumu cēloņi jaunākajās ražošanas mezglu tehnoloģijās”, 2023. gads). Salīdzinot ar farmaceitiskās klases sistēmām, pusvadītāju dzesētājiem jāiztur arī ķīmisko reaģentu (piemēram, HF) izsmelšanās caur aprīkojuma savienojumiem.

Iekārtu kalpošanas laika pagarināšana un ražīguma uzlabošana, izmantojot uzticamus pusvadītāju ražošanas telpu dzesēšanas šķidruma dzesētājus

Ražības zuduma novērtējums: ±0,3 °C kļūda un tās saistība ar defektiem (SEMI F47)

Ir daudz iemeslu, piemēram, defektu koncentrācija, kāpēc pusvadītāju ražotnē jāsaglabā nemainīga temperatūra. Defekti ir bīstami, un, saskaņā ar pusvadītāju rūpniecības defektu pārvaldības stratēģiju (SEMI F47, projektā), defektu novēršana ir spēcīgs motivators. Ja ražotne neatbilst SEMI F47 standartiem, tā dēļ bīstamo defektu radīs 1,5–3 % mazāk čipu katrām 100 plāksnītēm. Viss izšķiestais silīcijs ražotnei rada lielas finansiālas zaudējumus, taču patiesās izmaksas mainīgajām termiskajām apstākļiem ir aprīkojuma nodilums un saistītās uzturēšanas izmaksu palielināšanās. Aprīkojums, piemēram, ārkārtīgi ultravioletā (EUV) starojuma lāzeri un traumu veidošanas kameru sistēmas, īpaši jutīgi reaģē uz termiskajām cikliskām izmaiņām un ir pakļauti parādībai, ko sauc par termisko nogurumu, kas rada 18 % lielākas uzturēšanas izmaksas un ekspluatācijas pārtraukumus. Pusvadītāju ražotnes dzesēšanas šķidruma dzesētāji, tīrās telpas tehnoloģisko procesu temperatūras regulēšana, plāksnītu ražošanas termiskā pārvaldība

Tāpēc modernās ražošanas rūpnīcas iztērē naudu dzesēšanas sistēmām, kas spēj uzturēt temperatūru robežās plus vai mīnus 0,05 grādi pēc Celsija. Šāda precizitāte novērš darbības traucējumus, aizsargā miljonos dolāru vērtu aprīkojumu un nodrošina vienmērīgu ražošanas līmeni, kāds rūpnīcu vadītājiem nepieciešams, lai nodrošinātu veselīgu peļņu.

Rūpniecisko dzesētāju pareizā izmēra noteikšana un pielāgošana dinamiskām procesa slodzēm

Kad dzesē pusvadītāju ražošanas telpu, termiskās prasības atšķiras. Dzesēšanas sistēmai jābūt precīzi izmērotai un pielāgotai — pretējā gadījumā var rasties visdažādākās problēmas. Pārāk lieli dzesētāji bieži ieslēdzas un izslēdzas, kas ilgtermiņā izraisa enerģijas izšķiešanu un komponentu bojāšanos, kuri pārāk bieži ieslēdzas un izslēdzas. Mazāki dzesētāji nevar uzturēt kritisko ±0,3 °C temperatūras diapazonu pie straujas slodzes pieauguma. Tas izraisa kritisko mikroshēmu temperatūras svārstības ražošanas procesā, bet, kā zināms, temperatūra ir viens no galvenajiem kvalitātes faktoriem. Šīm problēmām apkarošanai tiek izmantotas pielāgotas sistēmas un gudra PID vadības tehnoloģija, kas pielāgo dzesēšanas līmeni mainīgajām apstākļu prasībām. Savienojot gudros PID vadības risinājumus ar īpašām fāžu maiņas materiālām kā termiskās trieciena absorbētājiem, inženieri iegūst optimālu kombināciju, lai minimizētu defektus un taupītu enerģiju. Klienti reģistrē enerģijas taupījumu 25–30 procentu apmērā salīdzinājumā ar standarta fiksētas jaudas dzesētājiem.

Bieži uzdavami jautājumi  

Kāpēc termiskā stabilitāte ir vitāli svarīga pusvadītāju ražošanā?

Temperatūras stabilitāte ir būtiska pusvadītāju ražošanā, jo temperatūras svārstības var izraisīt neprecīzu pusvadītāju izgatavošanas procesu, kas rezultātā rada defektīvus un slikti funkcionējošus komponentus.

Kādas ir sekas, ko izraisa aukstuma iekārtu izraisīta termiskā nobīde?

Aukstuma iekārtu izraisītā termiskā nobīde var izraisīt silīcija slāņu nobīdi. Tas savukārt var izraisīt silīcija īssavienojuma defektus un palielināt ražošanas izmaksas, jo rodas ražošanas kavējumi.

Kādā veidā modernās aukstuma iekārtas palīdz sasniegt tīrās telpas un šķidruma tīrības standartus?

Modernās aukstuma iekārtas palīdz sasniegt tīrās telpas standartus, izmantojot noslēgtas aukstumnesēja caurules un korozijas novēršanas materiālus, kas neļauj piesārņojumam nonākt sistēmā un saglabā mikroshēmu integritāti.