EN
Точно регулиране на температурата: Елиминиране на микродефекти при литография и травиране
Защо стабилността от ±0,1 °C е непременно задължителна за литография под 7 nm и травиране с високо съотношение височина/ширина
При технологични възли под 7 нм термичните отклонения, по-големи от ±0,1 °C, могат да доведат до значителни промени в размерите. Това се дължи на фотохимичните реакции при EUV литография. Проучванията показват, че термични отклонения от 0,1 °C могат да предизвикат приблизително 0,15 nm увеличение в размерите (Случаи от термично инженерство, 2023 г.). Нестабилностите при етчиране с високо съотношение височина/ширина могат да доведат до непоследователни ъгли на стените, което увеличава съпротивлението на преходите приблизително с 18 % и намалява добива с 3–5 % на пластинка. Това обяснява защо повечето производители са започнали да използват двойни охладителни контури за полупроводникови устройства. Тези системи с двойни контури разполагат с независими хладилни кръгове, които абсорбират термични удари от отделни технологични инструменти. Тези системи са значително по-добри от традиционните едноконтурни системи, които страдат от големи термични колебания поради внезапни промени в товара на инструментите. Това е особено важно при обработка под 7 нм, където се създават изключително високи структури с високо съотношение височина/ширина (100:1). Обикновените термични закъснения могат да причинят значително стесняване (taper) по повърхността на пластинката.
Как термичното отклонение предизвиква образуването на фоторезистен слой (scumming), неравност на ръбовете на линиите (line-edge roughness) и грешки в наслагването (overlay errors)
Термичното отклонение и експозицията на фоторезиста предизвикват тези три корелирани режими на отказ:
1. Образуване на фоторезистен слой (scumming): Неразтворени остатъци остават в канавките с ширина 12 nm, когато скоростта на охлаждане не е контролирана и пада под 0,1 °C/сек
2. Неравност на ръбовете на линиите (LER): При термообработка след експозиция неравността нараства с 40 % при температурни колебания над 0,3 °C (Precis. Eng. 2017)
3. Грешки в наслагването (overlay errors): При всяко отклонение от 0,1 °C диференциалното разширение на кремниевата пластина и маските води до неточност при наслагването от 0,25 nm
Тези дефекти заедно обхващат 62 % от загубата на параметричния добив при 5 nm възли. Благодарение на двойните охладителни контури, които осигуряват изолация между термичните зони и предотвратяват кръстосаното замърсяване, етчинг-камерите могат да поддържат стабилност ±0,05 °C, докато литографските инструменти работят при свободно зададени температурни стойности.
Независимо двойно охлаждане с отделни контури: Възможност за едновременно поддържане на множество процеси
Охлаждане с отделни инструменти — например, скрабъри за фолио при 12 °C и бързи термични процесори при 65 °C — без взаимно влияние между канали
Управлението на екстремните температурни разлики е изключително важно в съвременното производство на полупроводникови устройства. Докато уредите за почистване на пластини (wafer scrubbers) трябва да работят при около 12 °C, за да се предотврати замърсяването на пластините, бързите термични процесори (RTP) трябва да работят при 65 °C, за да активират правилно примесите (dopants). Поради температурните разлики стандартните охладители с единствен кръговод (единична верига) се сблъскват с проблеми, при които „студените“ части абсорбират топлина от „горещите“ процеси, което води до бърза температурна промяна от ±3 до 5 градуса. Следователно двойните кръговодни охладители все повече стават необходимост. Двойните кръговодни охладители охлаждат напълно тръбопроводите, осигурявайки пълно разделяне на хладилните агенти. Всяка страна разполага със собствен компресор и контролна система. Едната страна поддържа уредите за почистване на пластини при 12,2 °C, докато другата поддържа RTP-устройствата при 65,3 °C. Това разделяне на охлаждането почти напълно спира нежеланата енергийна трансформация между веригите. Резултатът е намаляване на проблемите, свързани с недостатъчно отстраняване на резиста в уредите за почистване и подобряване на равномерността при активиране на примесите в RTP. Както е съобщено в списание Semiconductor Engineering миналата година, този метод е подобрил използването на оборудването с около 22 % и е намалил проблемите с добива, свързани с едновременното изпълнение на множество процеси.
Нека се поохладим без прекъсване
Полупроводниците са проектирани така, че да са чувствителни към температурата. Охлаждаме ги внимателно, за да избегнем температурни промени, като поддържаме точността само до ±0,1 °C. За да се извършва поддръжка на веригите за контрол на температурата една по една, двойните охладителни вериги позволяват на системата да превключва без прекъсване между тях, за да осъществява контрол върху температурата. Спасяват се хиляди долари стойност загубени фолиа. Дори поддръжката, която трябва да извършваме и която изисква спиране на охладителите — например презареждане, ремонт на помпи и др., — не води до прекъсване на производствения процес. Тази защита е изключително важна за литографски процеси, при които са необходими само незначителни температурни промени.
Защо двойните охладителни вериги за полупроводници водят до значително намаляване на средното време за възстановяване (MTTR) в сравнение с предишните поколения едноверигови системи?
Благодарение на независимите охладителни контури екипите за поддръжка могат да отстраняват проблеми в някои региони или зони, без да се изисква пълно спиране на системата, което води до намаляване с почти 40 % на средното време за ремонт (MTTR). Това рязко контрастира с по-старите проекти с единичен контур. Диагностицирането се извършва за част от времето (приблизително с 66 % по-бързо). При отстраняване на повреда техниците са насочени изключително към конкретния повреден контур, докато останалата част от системата продължава да работи при зададената й работна точка. За отстраняване на повреди в по-старите системи дори минималната поддръжка изискваше пълно спиране на системата. Паралелната конструкция на контурите предлага на операторите три ключови предимства, насочени към максимизиране на времето на работа:
- Възможност за извършване на поддръжка, докато системата е в експлоатация
- Модулна структура на компонентите на системата
- Ясно зониране за бързо идентифициране на проблеми
Този дизайн оптимизира времето на работа и общата ефективност на системата. ОЕЕ се подобрява положително, тъй като се извършват поддръжни дейности, които обикновено водят до спиране на системата, например замяна на компресор и почистване на охладителни тръби.
Обща стойност на притежанието и въздействие върху добива: Изчисляване на възвращаемостта от инвестициите (ROI) за полупроводникови чилъри с двойна верига
Първоначалната покупна цена на чилърите с единична верига може да е по-ниска, но от всяка гледна точка чилърите с двойна верига за полупроводникови приложения в крайна сметка са по-евтини поради оперативните спестявания и защитата на производствените добиви. Вградената резервност предпазва чилърите от вредни температурни отклонения. Според доклад, публикуван в Semiconductor Digest миналата година, само един час температурно отклонение по време на процеса на травиране може да унищожи стойност от 740 000 щ.д. в пластини. Освен оперативните спестявания, разходите за поддръжка също са по-ниски. Според информация, публикувана в Facilities Engineering Journal през 2023 г., системите от този тип изискват с 41 % по-малко поддръжка. Наблюдава се 30 % намаляване на температурно обусловената преобработка и съответно 30 % повишаване на оперативната ефективност поради намаляване на енергийните загуби, причинени от температурно обусловената преобработка. Много производители, като вземат предвид всички горепосочени фактори, оценяват, че общата им стойност на притежанието за период от пет години е в среден план с 18 % по-ниска в сравнение с предишните модели. Най-забележителното е скоростта, с която се възстановява първоначалната инвестиция — това наистина се отличава. Много фабрики за масово производство постигат възстановяване на инвестициите си за срок от само 14 до 26 месеца благодарение на 22 % увеличение на общата ефективност на оборудването.
Често задавани въпроси
Защо стабилността на температурата ±0,1 °C е критична в производството на полупроводници?
Литографските процеси под 7 нм и процесите на гравиране с високо съотношение височина/ширина са изключително чувствителни, като дори незначителните температурни колебания могат да доведат до размерни и структурни несъвършенства, които намаляват добива и ухудшават производителността.
Как двойните контурни охладители подобряват производството на полупроводници?
Двойните контурни охладители осигуряват по-висока точност при контрола на температурата и по-ниски предизвикателства при поддръжката благодарение на избягването на топлинна контаминация чрез независими охладителни контури.
Какви са икономическите предимства на двойните контурни охладители?
Разходите за двойните контурни охладители се оправдават от спестяванията, свързани с подобрена енергийна ефективност, по-ниски разходи за поддръжка, защита срещу загуби на добив поради температурни колебания и бързо възстановяване на инвестициите.