Защо охладителите за полупроводникови фабрики са незаменими в производствените предприятия?

Тонкостите на термичната стабилност при фотолитография под 7 нм и EUV устройства.

За изграждане на полупроводникови структури с размери под 7 нм е необходимо да се постигне контрол и управление на топлинната променливост на ниво, което е почти недостижимо. Системите за литография с екстремен ултравиолет (EUV) трябва да работят при температура, стабилизирана до ±0,01 °C. Това е еквивалентно на стабилизиране на температурата на цял плувен басейн до ниво ±0,0005 °C. При екстремно малки размери температурните колебания водят до термично разширение и свиване на материалите на лещите и на стадиите за филми (wafer stages), което предизвиква (а) отклонения от предварително определения дизайн (изключително прецизните светлинни пътища, необходими за експониране на малки елементи) и (б) разрушаване на светлинните пътища. Подобни предизвикателства се срещат и при имерзионната литография. Само 0,1 °C температурна промяна води до вариации в показателя на пречупване на течността. Освен това това води до разфокусиране на образците. Това е неумолим и всъщност най-значимият фактор, който трябва да се има предвид при новите EUV модули за захранване с плътност на мощността над 500 kW/m². Ако топлината не е стабилизирана с висока точност, основната цел на производството в нанометров мащаб ще бъде постигната, но получените електронни компоненти ще бъдат дефектни.

Технологичните последици от термичното отклонение, предизвикано от чилъри, върху точността на наслагването при производството на полупроводникови устройства

Чилърните системи в производството на полупроводникови устройства оказват уникален ефект върху точността на наслагването — т.е. прецизността, с която се подреждат множество слоеве кремний. Температурата на тези чилъри влияе върху пластините по такъв начин, че всяко термично индуцирано градусово изменение води до разширение на кремниевите пластина със скорост до 2,6 μm/m. При диаметър на пластините от 300 mm разширението може да доведе до несъвпадение до 3 nm. Напредналите производствени процеси за чипове с технологичен възел 5 nm могат да допуснат несъвпадение само до 1,7 nm между слоевете на пластините. Също така е важно да се подчертае ефектът, който термичното отклонение оказва върху литографската стъпка на оборудването. Както изразяват инженерите, тези отклонения имат причиняващ ефект върху „механичното пълзене“ при използването на литографското оборудване, което води до все по-големи и по-големи позиционни неточности на оборудването — дори и при началните теоретично минимални отклонения.

Когато възникне несъвпадане на слоевете, могат да възникнат сериозни проблеми, като например късо съединение или прекъсвания в електрическата верига. Такива дефекти водят до загуби за производителите от около 740 000 щатски долара на час (Институт Понемон, 2023 г.). Напредналите съвременни охладители разполагат с интелигентно управление на натоварването и могат да поддържат температурна стабилност в рамките на ±0,005 °C. Това позволява производството на полупроводникови компоненти с критичната точност от ±0,15 nm, необходима за постигане на добри изходни показатели.

Стандарти за чисти помещения и чистота на течности в полупроводниковата промишленост

Цялостност на течностната тръбна система и контрол на частиците

Чилърите, използвани в системите за охлаждане на заводи за производство на полупроводници, трябва да отговарят на стандарта ISO клас 1–4, за да не се компрометират процесите на екстремна ултравиолетова литография (EUV) и други етапи от производството. Всеки въздушен замърсител с размер над 0,1 микрона би представлявал проблем при насочването към изключително малки под-5-нанометрови пластина. Съвременните чилърни системи имат напълно герметични пътища за хладагента и са изградени от висококачествена неръждаема стомана, подобна на тази, използвана при хирургически инструменти, за минимизиране на замърсяването. Тези чилъри използват напреднали филтри за молекулярно замърсяване, както и HEPA филтри, за да се осигури положително диференциално налягане и концентрация на въздушни замърсители под 1 частица на кубичен метър при размер 0,1 микрона. Тези изключителни мерки гарантират, че литографските машини на ASML няма да бъдат засегнати от замърсители, които биха увредили оптическата система на машините. Дефектността на пластините се контролира на ниво под 0,01 дефекта на квадратен сантиметър. Тези машини струват повече от два милиона долара и са изключително чувствителни към оптично утаяване.

Избор на корозионностойки материали и съответствие на деионизираната вода (≥18,2 MΩ·cm)

Хладилните агрегати за полупроводникови фабрики трябва да осигуряват системи за ултрапреминаваща вода (UPW) с всички точки за топлинен пренос с резистивност >18,2 MΩ·cm (т.е. премахване на >99,999999 % от йонните примеси). Стандартните индустриални хладилни агрегати не са подходящи за тази цел поради галванична корозия в медно-никелови сплави, която води до отделяне на метали в контурите за охлаждане. В резултат на това следващото поколение решения се проектират с:

- Електрополирани течностни контури от неръждаема стомана марки 316L/904L.
- Пасивиращи слоеве, които не отделят оксид на желязото.
- Неметални уплътнения (Kalrez® FFKM), устойчиви на термични цикли.

Това проектиране предотвратява намаляването на резистивността под 18,0 MΩ·cm, което предизвиква замъгляване на пластините — дефект, който струва 740 000 щ.д. за всяко отделно събитие (Справочен доклад на SEMI, „Фактори, водещи до загуба на изходност при производството на напреднали възли“, 2023 г.). В сравнение с фармацевтичните системи, хладилните агрегати за полупроводникови фабрики трябва също така да издържат проникването на етч-химикали, като например HF, през интерфейсите на оборудването.

Увеличаване на срока на експлоатация на оборудването и подобряване на добива чрез надеждни охладителни агрегати за полупроводникови фабрики

Оценка на загубата на добив: грешка от ±0,3 °C и нейната връзка с дефектите (SEMI F47)

Има много причини, като например концентрацията на дефектите, поради които температурата в полупроводникова фабрика трябва да се поддържа постоянна. Дефектите са „убийствени“ и според стратегията за управление на дефектите в полупроводниковата индустрия (проект на SEMI F47) елиминирането им е силно мотивиращ фактор. Ако фабриката не отговаря на изискванията на стандарта SEMI F47, тя ще произвежда с 1,5–3 % по-малко чипове на всеки 100 пластина поради „убийствени“ дефектите. Целият загубен кремний представлява значителна финансова загуба за фабриката, но истинската цена на колебанията в термичните условия е износът на оборудването и свързаното с това увеличение на разходите за поддръжка. Оборудването, като лазерите за екстремен ултравиолет (EUV) и етч-камерите, е особено чувствително към термични цикли и подложено на явление, наречено термична умора, което води до 18 % увеличение на разходите за поддръжка и простои.

Затова съвременните производствени предприятия инвестират в системи за охлаждане, които могат да поддържат температурата в рамките на плюс или минус 0,05 градуса по Целзий. Такава прецизност предотвратява повреди, защитава оборудване на стойност милиони долари и осигурява стабилни нива на производство, от които ръководителите на фабриките имат нужда, за да поддържат здрава печалба.

Правилно размериране и персонализиране на промишлени чилъри за динамични технологични натоварвания

При охлаждането на производствени обекти за полупроводници термичните изисквания се различават. Охлаждането чрез чилъри трябва да бъде точно размерено и персонализирано, иначе ще възникнат разнообразни проблеми. Големите чилъри ще се включват и изключват прекалено често, което с течение на времето води до неефективно потребление на енергия и износване на компонентите, отговорни за честото им включване и изключване. Малките чилъри не могат да поддържат критичния диапазон от ±0,3 °C при внезапни върхове на топлинната нагрузка. Това предизвиква температурни колебания при производството на критични микросхеми, а както е известно, температурата е един от основните фактори за качество. За борба с този проблем се използват специално проектирани системи и интелигентна PID-контролна технология, която автоматично регулира нивото на охлаждане според променящите се условия. Когато интелигентната PID-контролна система се комбинира със специални материали с фазов преход, действащи като амортизатори на термични удари, инженерите получават оптималната комбинация за минимизиране на дефектите и спестяване на енергия. Клиентите отчитат спестявания от 25 до 30 % в сравнение със стандартните чилъри с фиксирана мощност.

Често задавани въпроси  

Защо термичната стабилност е жизненоважна при производството на полупроводници?

Стабилността на температурата е от съществено значение при производството на полупроводници, тъй като температурните колебания могат да доведат до неточен процес на производство на полупроводници, което води до дефектни и лошо функциониращи компоненти.

Какви са последиците от термичното отклонение, предизвикано от чилъри?

Термичното отклонение, предизвикано от чилъри, може да доведе до разместване на силициевите слоеве. Това от своя страна може да причини къси схеми в силиция и увеличени производствени разходи поради забавяния в производствения процес.

По какъв начин съвременните чилъри допринасят за постигането на стандартите за чистота в чисти стаи и за чистота на течностите?

Съвременните чилъри допринасят за постигането на стандартите за чисти стаи чрез използване на герметични пътища за хладилния агент и антикорозионни материали, които не позволяват замърсяване и по този начин запазват цялостта на чиповете.