Какво позволява на чилъра за полупроводникови процеси да осъществява прецизен температурен контрол?

Контролът на температурата е от съществено значение за подобряване на изхода, гарантиране на последователна продуктивност и поддържане на рентабилността на производствените предприятия в конкурентната пазарна среда.

Основни инженерни концепции на охладителя за полупроводникови процеси

Температурно управление в затворена верига с реално време корекция според натоварването

Хладилните агрегати за процеси в полупроводниковата индустрия поддържат температурна стабилност от около ±0,1 °C чрез използване на затворена термична система за управление, която регулира потока на хладилната течност в реално време с помощта на датчици за налягане и температура. Те използват напреднали пропорционално-интегрално-диференциални (PID) контролери, които динамично реагират на промени в термичната натовареност. Например, по време на процесите на травиране някои контролери регулират скоростта на компресорите и дебита на помпите, за да се предотврати температурна нестабилност, която може да повреди обработваните пластина. Според статия от 2023 г. на Semiconductor Engineering, проучванията показват, че при нерегулирана термична вариация процентът на дефектни изделия се увеличава с 18 %. В близко бъдеще предиктивните алгоритми ще бъдат от решаващо значение за прогнозиране на промените в натовареността при високотемпературни процеси с контролирано стационарно състояние, за да се осигури последователна експлоатационна ефективност.

Компресори с магнитни лагери и каскадно охлаждане

Постижимата изключителна точност и контрол в температурни диапазони под 0,1 °C са възможни единствено чрез напреднала инженерна разработка на системи за охлаждане, използващи двустепенна каскадна рефрижерация. Точният контрол до 0,1 °C и дори точност под 0,1 °C се постига чрез проектиране на първостепенни рефрижерантни контури, които работят по каскаден принцип – от първоначалното охлаждане или рефрижериране до второстепенните контури. Освен това в каскадните рефрижерационни системи се използват компресори с магнитни лагери и безмаслено изпълнение. Липсата на масло в системата означава по-малко триене, износване и замърсяване на системата. По-нататък, компресорите с магнитни лагери могат да правят миниатюрни корекции в работната си скорост с точност до 0,1 % стъпка. Последицата от тази експлоатационна стабилност се изразява в значително повишена експлоатационна стабилност. Това означава, че рефрижерационната система може да функционира при мощност от само 10 % от общата ѝ капацитетна мощност и все пак да поддържа температурна стабилност от ± 0,05 °C. Такава експлоатационна стабилност и точност са задължителни при температурния контрол и стабилност в EUV литографията, където дори най-малките термични вариации могат да компрометират и унищожат литографските шаблони. Освен това системите с магнитни лагери са с над 35 % по-енергийно ефективни в сравнение с предишното поколение компресори (ASHRAE, 2023)

Умна интеграция: Как охладителят за полупроводников процес се интегрира с основното оборудване

Свързване с EUV литографски, CMP и ALD системи

Хладилните агрегати за технологични процеси на производителите на полупроводникови устройства поддържат постоянна температура с точност ±0,05 °C — критично условие при директната връзка с системите за управление на технологичните инструменти по време на екстремна ултравиолетова литография, за да се предотвратят грешки в подравняването, причинени от топлинно изместване на оптичните компоненти. При химическо-механичното полирване тези хладилни агрегати непрекъснато коригират охладителната си мощност, за да реагират на синергичните и триенето предизвикани топлинни натоварвания, които могат да надвишават 10 kW на квадратен метър. При атомно-слоевото напръскване хладилните агрегати се нагаждат според изискванията за температурен контрол на условията за реакция на прекурсорите. Миналата година изданието Semiconductor Engineering съобщи, че този тип сътрудничество довело до намаляване с 18 % на броя дефекти върху пластините (wafer) при 3 nm възел. Системите за управление на технологичните инструменти комуникират в реално време с хладилните агрегати, като осигуряват синхронната работа на всички три системи чрез едни и същи комуникационни протоколи — SECS/GEM и Modbus TCP.

Постигане на ефективност при одновременното решаване на проблема с високия разход и ниския температурен диференциал (ΔT)

При работна температурна разлика (ΔT) от 2 °F или по-малко производствените мощности за полупроводникови устройства имат нужда от разход на охлаждаща течност, по-голям от 150 GPM. Тази комбинация от изисквания представлява предизвикателство за традиционните системи. Охладителите за полупроводникови процеси преодоляват това предизвикателство чрез използване на:

- Постоянно регулируеми помпи, които осигуряват и поддържат ламинарен поток с разход на охлаждаща течност до 200 GPM.

- Микроканални топлообменници, които осигуряват и поддържат ефективност на топлопреминаване, която е два пъти по-висока в сравнение с традиционните топлообменници.

- Прогностични алгоритми, които идентифицират и предвиждат промени в топлинната натовареност поради бързо променящи се процеси.

Този метод осигурява операционна температурна разлика от не повече от ±0,1 °C и намалява енергийното потребление с 35 % спрямо системите с фиксирана скорост. Хладилните агрегати за полупроводникови процеси оптимизират баланса между температурната разлика и масовия разход на течност, което позволява на системата ефективно да предотвратява загубите от прекомерно охлаждане по време на просто стояне — ключова характеристика за устойчивата работа на производствени фабрики (ASME 2023).

Поддържане на дългосрочна прецизност: калибриране, диагностика и адаптивен контрол чрез превентивен мониторинг на замърсяване на микроканалния топлообменник и деградация на потока.

Микроканалните топлообменници изискват непрекъсната диагностика. Дори натрупването на частици с размер под 5 микрона, макар и на пръв поглед незначително, води до намаляване на ефективността на топлопреминаване с 12–18% годишно, което пряко влияе върху добива на пластини. По-усъвършенстваните системи имат три допълнителни характеристики: 1. Сензори за поток в реално време (сензори за натрупване на замърсявания) откриват намаление на потока, по-голямо от 2% от очаквания спад на налягането. 2. Адаптивни системи за управление, които автоматично се настройват за допълнителното термично съпротивление в резултат на замърсяване. 3. Автоматизирани системи за цикъл на химическо инжектиране (почистване на замърсявания), които са химически активни в резултат на проводимостта. Тези характеристики помагат за поддържане на оперативен контрол в рамките на ± 0,05 °C и удължават интервалите на обслужване с 40% в сравнение с прогнозирания график за поддръжка. На всеки три месеца сензорите се калибрират, за да се демонстрира съответствие с проследимия (крио) стандарт на NIST, а машинно обучение се използва за моделиране и прогнозиране на повреди в рамките на 72-часов прозорец.

Често задавани въпроси: Защо контролът на температурата при производството на полупроводници е толкова значим фактор?

Контролът на температурата е значим фактор при производството на полупроводници, тъй като производственият процес се осъществява на наномащаб, което води до дефекти и, съответно, до загуба на рентабилност.

По какъв начин полупроводниковите чилъри постигат такъв прецизен контрол на температурата?

За постигане на такъв прецизен контрол на температурата полупроводниковите технологични чилъри използват затворена обратна връзка, каскада от хладилници и компресори с магнитни лагери.

Защо се използват компресори с магнитни лагери в тези системи?

Компресорите с магнитни лагери намаляват триенето, остават чисти и позволяват прецизни регулировки на скоростта, което е критично за осигуряване на температурна стабилност на системите и за подобряване на енергийната ефективност.