Почему холодильные агрегаты для охлаждения полупроводниковых фабрик являются обязательным элементом на производственных предприятиях?

Тонкости обеспечения термостабильности при фотолитографии с нормой транзисторов менее 7 нм и в устройствах EUV.

Для создания полупроводниковых структур размером менее 7 нм необходимо обеспечить контроль и управление уровнем тепловой нестабильности, практически недостижимым на практике. Системы литографии с использованием экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) должны функционировать при температуре, стабилизированной с точностью ±0,01 °C. Это эквивалентно поддержанию температуры всего бассейна в пределах ±0,0005 °C. При экстремально малых размерах колебания температуры вызывают тепловое расширение и сжатие оптических линз и стадий для кремниевых пластин, что приводит к (а) отклонениям от заданного топологического рисунка (крайне точных световых путей, необходимых для экспонирования мелких элементов) и (б) разрушению световых путей. Подобные трудности возникают и при иммерсионной литографии. Всего лишь изменение температуры на 0,1 °C вызывает колебания показателя преломления иммерсионной жидкости. Кроме того, это приводит к потере фокусировки рисунков. Это неумолимый — и, по сути, наиболее значимый — фактор, который следует учитывать при работе с новыми EUV-модулями питания, плотность мощности которых превышает 500 кВт/м². Если тепло не будет стабилизировано с высокой степенью точности, основная цель нанометрового производства будет достигнута, однако полученные электронные компоненты окажутся дефектными.

Технологические последствия термического дрейфа, вызванного чиллерами, для точности наложения в производстве полупроводников

Системы охлаждения-чиллеров в производстве полупроводников оказывают уникальное влияние на точность наложения (overlay accuracy) — то есть на точность совмещения нескольких слоёв кремния. Температура этих чиллеров воздействует на пластины (wafers) таким образом, что каждое термически индуцированное изменение температуры чиллера вызывает расширение кремниевых пластин со скоростью до 2,6 мкм/м. При диаметре пластин 300 мм такое расширение может привести к смещению слоёв до 3 нм. Современные процессы изготовления чипов с техпроцессом 5 нм допускают смещение слоёв не более чем на 1,7 нм. Также важно подчеркнуть влияние теплового дрейфа на литографическую стадию оборудования. Как отмечают инженеры, такие дрейфы вызывают «механическую ползучесть» литографического оборудования, вследствие чего изначально гипотетически малые погрешности позиционирования оборудования постепенно увеличиваются с каждым циклом эксплуатации. Системы охлаждения для полупроводниковых фабрик (semiconductor fab cooling chillers), контроль температуры в чистых помещениях (cleanroom process temperature control), тепловой менеджмент при производстве пластин (wafer fabrication thermal management)

При нарушении совмещения слоёв могут возникать серьёзные проблемы, например, короткое замыкание или разрывы в цепи. Такие дефекты приводят к тому, что производители теряют примерно 740 000 долларов США каждый час (Институт Понемона, 2023 г.). Современные передовые холодильные установки оснащены интеллектуальной системой управления нагрузкой и способны поддерживать стабильность температуры в пределах ±0,005 °C. Это позволяет изготавливать полупроводники с критически важной точностью ±0,15 нм, необходимой для достижения высокого выхода годных изделий.

Стандарты чистых помещений и чистоты жидкостей в полупроводниковой промышленности

Целостность жидкостного контура и контроль частиц

Холодильные агрегаты, используемые в системах охлаждения на заводах по производству полупроводников, должны соответствовать стандартам ISO классов 1–4, чтобы не нарушать процессы экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV) и другие этапы производства. Любые воздушные загрязнители размером более 0,1 мкм создают проблемы при обработке сверхмалых подзатворных пластин с геометрией менее 5 нм. Современные холодильные системы оснащены полностью герметичными контурами хладагента и изготавливаются из высококачественной нержавеющей стали, аналогичной той, что применяется при производстве хирургических инструментов, для минимизации загрязнений. Эти холодильные агрегаты используют передовые фильтры для удаления молекулярных загрязнителей, а также HEPA-фильтры, обеспечивая положительное дифференциальное давление и концентрацию воздушных загрязнителей менее 1 частицы на кубический метр при размере 0,1 мкм. Такие экстремальные меры гарантируют, что литографические установки ASML не подвергаются воздействию загрязнителей, способных ухудшить оптические характеристики оборудования. Уровень дефектов на пластинах контролируется на уровне ниже 0,01 дефекта на квадратный сантиметр. Стоимость таких установок превышает два миллиона долларов США, и они чрезвычайно чувствительны к осаждению веществ на оптических поверхностях. холодильные агрегаты для производств полупроводников, контроль температуры в чистых помещениях, тепловой контроль при производстве пластин

Выбор коррозионно-стойких материалов и соответствие требованиям к деионизированной воде (≥18,2 МОм·см)

Охлаждающие чиллеры для полупроводниковых фабрик должны обеспечивать системы ультрачистой воды (UPW) со всеми точками теплопередачи, имеющими удельное электрическое сопротивление выше 18,2 МОм·см (т.е. содержание ионных примесей менее 0,000001 %). Стандартные промышленные чиллеры здесь неприменимы из-за гальванической коррозии в сплавах меди и никеля, приводящей к выделению металлов в контуры охлаждающей жидкости. В результате решения нового поколения проектируются с использованием:

- Электрополированных жидкостных контуров из нержавеющей стали марок 316L/904L.
- Пассивирующих слоёв, не отслаивающихся в виде оксида железа.
- Неметаллических уплотнений (Kalrez® FFKM), устойчивых к термоциклированию.

Такая конструкция предотвращает падение удельного сопротивления ниже 18,0 МОм·см, вызывающее помутнение пластин — дефект, стоимость которого составляет 740 тыс. долл. США на каждый случай (отчёт SEMI «Ключевые факторы потерь выхода при производстве изделий по передовым техпроцессам», 2023 г.). По сравнению с системами фармацевтического класса, чиллеры для полупроводниковой промышленности должны также выдерживать проникновение травильных химических реагентов, например плавиковой кислоты (HF), через интерфейсы оборудования.

Повышение срока службы оборудования и улучшение выхода продукции с использованием надёжных чиллеров для охлаждения полупроводниковых фабрик

Оценка потерь выхода: погрешность ±0,3 °C и её связь с дефектами (SEMI F47)

Существует множество причин поддержания постоянной температуры на полупроводниковом заводе, например, концентрация дефектов. Дефекты являются критическими и, согласно стратегии управления дефектами в полупроводниковой отрасли (проект стандарта SEMI F47), их устранение является важнейшим стимулом. Если завод не соответствует стандарту SEMI F47, из-за критических дефектов он будет производить на 1,5–3 % меньше чипов на каждые 100 пластин. Вся потраченная впустую кремниевая подложка представляет собой значительные финансовые потери для завода, однако реальная стоимость колебаний температурного режима — это износ оборудования и связанное с ним повышение расходов на техническое обслуживание. Оборудование, такое как лазеры экстремального ультрафиолетового диапазона (EUV) и травильные камеры, особенно чувствительно к тепловым циклам и подвержено явлению, называемому тепловая усталость, что приводит к росту расходов на техническое обслуживание и простои на 18 %. Охладители для полупроводниковых заводов, контроль температуры процессов в чистых помещениях, тепловой менеджмент при изготовлении пластин

Вот почему современные производственные предприятия тратят деньги на системы охлаждения, способные поддерживать температуру в пределах плюс-минус 0,05 градуса Цельсия. Такая точность предотвращает сбои, защищает оборудование стоимостью в миллионы долларов и обеспечивает стабильный уровень производства, необходимый руководителям заводов для поддержания здоровой прибыли.

Правильный подбор и адаптация промышленных чиллеров под динамические технологические нагрузки

При охлаждении предприятий по производству полупроводников тепловые требования отличаются. Системы охлаждения с использованием чиллеров должны быть точно рассчитаны по мощности и адаптированы под конкретные задачи; в противном случае возникнут всевозможные проблемы. Чиллеры избыточной мощности будут слишком часто включаться и выключаться, что со временем приведёт к неоправданным потерям энергии и преждевременному износу компонентов, отвечающих за пуск и остановку. Чиллеры недостаточной мощности не смогут поддерживать критически важный диапазон температур ±0,3 °C при резких скачках нагрузки. Это вызывает температурные колебания при производстве критически важных микросхем, а, как известно, температура является одним из ключевых факторов качества. Для решения этой задачи применяются специализированные системы охлаждения и интеллектуальные ПИД-регуляторы, которые автоматически корректируют уровень охлаждения в зависимости от изменяющихся условий. В сочетании с интеллектуальными ПИД-регуляторами и специальными материалами с фазовым переходом, выполняющими функцию демпферов термических ударов, инженеры получают оптимальное решение для минимизации брака и экономии энергии. Потребители отмечают снижение энергопотребления на 25–30 % по сравнению со стандартными чиллерами постоянной мощности.

Часто задаваемые вопросы  

Почему термическая стабильность имеет решающее значение при производстве полупроводников?

Стабильность температуры имеет решающее значение при производстве полупроводников, поскольку колебания температуры могут привести к неточности технологического процесса, в результате чего возникают дефектные и плохо функционирующие компоненты.

Каковы последствия теплового дрейфа, вызванного чиллерами?

Тепловой дрейф, вызванный чиллерами, может привести к нарушению совмещения кремниевых слоёв. Это, в свою очередь, может вызвать короткие замыкания в кремнии и увеличение производственных затрат из-за задержек в выпуске продукции.

Каким образом современные чиллеры способствуют соблюдению стандартов чистых помещений и чистоты теплоносителя?

Современные чиллеры способствуют соблюдению стандартов чистых помещений за счёт использования герметичных контуров хладагента и антикоррозионных материалов, исключающих загрязнение и сохраняющих целостность микросхемы.