सेमीकंडक्टर फैब कूलिंग चिलर्स निर्माण संयंत्रों में क्यों आवश्यक हैं?

उप-7nm फोटोलिथोग्राफी और EUV उपकरणों के लिए तापीय स्थिरता के सूक्ष्म पहलू।

7 नैनोमीटर से छोटी अर्धचालक संरचनाओं का निर्माण करने के लिए, एक ऐसे तापमान परिवर्तन के स्तर को नियंत्रित और प्रबंधित करना आवश्यक है जो लगभग अप्राप्य है। चरम पराबैंगनी (EUV) लिथोग्राफी प्रणालियों को ±0.01°C के तापमान स्थिरता पर कार्य करने की आवश्यकता होती है। यह एक पूरे स्विमिंग पूल के तापमान को ±0.0005°C के स्तर पर स्थिर करने के समतुल्य है। अत्यंत सूक्ष्म आयामों पर, तापमान में परिवर्तन लेंस के पदार्थों और वेफर स्टेज को ऊष्मीय रूप से प्रसारित और संकुचित होने के लिए प्रेरित करता है, जिससे (क) पूर्वनिर्धारित लेआउट से विचलन (छोटी विशेषता को एक्सपोज़ करने के लिए आवश्यक अत्यधिक सटीक प्रकाश पथ) और (ख) प्रकाश पथों का ढहना होता है। ऐसी चुनौतियाँ इमर्सन लिथोग्राफी द्वारा भी सामने आती हैं। केवल 0.1°C का तापमान परिवर्तन द्रवीय अपवर्तनांक में परिवर्तन का कारण बनता है। इसके अतिरिक्त, यह पैटर्न की फोकस से बाहर की स्थिति का कारण बनता है। यह एक अथक और वास्तव में, 500 kW/m² से अधिक शक्ति घनत्व वाले नए EUV शक्ति मॉड्यूलों के संबंध में विचार करने का सबसे महत्वपूर्ण तथ्य है। यदि ऊष्मा उच्च सटीकता के साथ स्थिर नहीं है, तो नैनोमीटर-स्केल विनिर्माण का प्राथमिक उद्देश्य प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक घटक दोषपूर्ण होंगे।

शीतलन यंत्र-प्रेरित तापीय विस्थापन के अर्धचालक निर्माण में ओवरले सटीकता पर तकनीकी प्रभाव

अर्धचालक निर्माण में शीतलन यंत्र प्रणालियों का ओवरले सटीकता—जो कि सिलिकॉन की बहुआयामी परतों के संरेखण की सटीकता है—पर एक विशिष्ट प्रभाव पड़ता है। इन शीतलन यंत्रों का तापमान वेफर्स को इस प्रकार प्रभावित करता है कि प्रत्येक तापीय प्रेरित डिग्री के कारण सिलिकॉन वेफर्स अधिकतम 2.6 माइक्रोमीटर/मीटर की दर से प्रसारित हो जाते हैं। 300 मिमी व्यास के वेफर्स पर, यह प्रसार वेफर्स में अधिकतम 3 नैनोमीटर का विसंरेखण उत्पन्न कर सकता है। उन्नत 5 नैनोमीटर चिप निर्माण प्रक्रियाएँ केवल 1.7 नैनोमीटर के विसंरेखण की सहनशीलता रखती हैं। इसके अतिरिक्त, उपकरण के लिथोग्राफी चरण पर तापीय विस्थापन के प्रभाव पर भी प्रकाश डालना महत्वपूर्ण है। यह विस्थापन, जैसा कि इंजीनियरों द्वारा कहा जाता है, लिथोग्राफी उपकरण के उपयोग में ‘यांत्रिक रिलैक्सेशन’ (मैकेनिकल क्रीप) को उत्पन्न करता है, जिससे उपकरण की पहले से ही काल्पनिक रूप से छोटी स्थिति अशुद्धियाँ उपयोग के साथ-साथ बढ़ती जाती हैं।

जब परतों का संरेखण विफल होता है, तो सर्किट में शॉर्ट-सर्किट या अंतराल जैसी गंभीर समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं। ऐसे दोषों के कारण निर्माताओं को प्रति घंटे लगभग 740,000 अमेरिकी डॉलर की हानि होती है (पोनेमॉन संस्थान, 2023)। उन्नत आधुनिक चिलर्स में स्मार्ट लोड प्रबंधन होता है और वे तापमान स्थिरता को ± 0.005 डिग्री सेल्सियस के भीतर बनाए रख सकते हैं। इससे अर्धचालकों का उत्पादन आवश्यक ± 0.15 नैनोमीटर की क्रिटिकल सटीकता के साथ किया जा सकता है, जो अच्छे उत्पादन प्रतिशत (यील्ड) प्राप्त करने के लिए आवश्यक है।

अर्धचालकों में क्लीनरूम और द्रव शुद्धता के मानक

द्रव पथ की अखंडता और कण नियंत्रण

सेमीकंडक्टर निर्माण संयंत्रों के शीतलन प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले चिलर्स को अति पराबैंगनी लिथोग्राफी (EUV) और निर्माण के अन्य चरणों को समझौते में न डालने के लिए ISO क्लास 1-4 मानकों तक बनाए रखा जाना चाहिए। 0.1 माइक्रॉन से बड़े कोई भी वायुमार्ग से प्रदूषक 5 नैनोमीटर से छोटे अति सूक्ष्म वेफर्स के लक्ष्यीकरण के लिए समस्याग्रस्त होगा। आधुनिक चिलर प्रणालियों में पूर्णतः सील किए गए रेफ्रिजरेंट मार्ग होते हैं और इनमें सर्जिकल उपकरणों के समान उच्च श्रेणी के स्टेनलेस स्टील का निर्माण किया जाता है, ताकि प्रदूषण को न्यूनतम किया जा सके। ये चिलर्स उन्नत आणविक प्रदूषण फ़िल्टर के साथ-साथ HEPA फ़िल्टर का उपयोग करते हैं, ताकि धनात्मक अंतर दाब और वायुमार्ग से प्रदूषकों को 0.1 माइक्रॉन पर प्रति घन मीटर 1 से कम रखा जा सके। ये अति कठोर उपाय सुनिश्चित करते हैं कि ASML लिथोग्राफी मशीनों पर प्रदूषकों का कोई प्रभाव न पड़े, जो लिथोग्राफी मशीनों के ऑप्टिक्स को क्षतिग्रस्त कर सकते हैं। वेफर्स की दोष दर 0.01 प्रति वर्ग सेंटीमीटर से कम नियंत्रित की जाती है। ये मशीनें दो मिलियन डॉलर से अधिक की होती हैं और प्रकाशिक निक्षेपण के प्रति अत्यंत संवेदनशील होती हैं।

संक्षारण-प्रतिरोधी सामग्रियों का चयन और विघुटित जल के मानकों का अनुपालन (≥18.2 MΩ·cm)

अर्धचालक फैब्रिकेशन संयंत्रों के शीतलन चिलर्स को अति-शुद्ध जल (UPW) प्रणालियाँ प्रदान करनी चाहिए, जिनमें सभी तापीय स्थानांतरण बिंदुओं पर जल की प्रतिरोधकता >18.2 MΩ·cm हो (अर्थात् आयनिक अशुद्धियों का >99.999999% हटाना)। मानक औद्योगिक चिलर्स यहाँ काम नहीं करते हैं, क्योंकि तांबा-निकेल मिश्र धातुओं में विद्युत-रासायनिक संक्षारण होता है, जिससे कूलेंट लूप में धातुएँ मुक्त हो जाती हैं। इसलिए, अगली पीढ़ी के समाधानों को निम्नलिखित विशेषताओं के साथ डिज़ाइन किया गया है:

- इलेक्ट्रोपॉलिश्ड 316L/904L स्टेनलेस स्टील द्रव परिपथ।
- ऐसी पैसिवेशन परतें जो आयरन ऑक्साइड को मुक्त नहीं करती हैं।
- गैर-धात्विक (Kalrez® FFKM) सील्स जो तापीय चक्रण के प्रति प्रतिरोधी होते हैं।

यह डिज़ाइन वेफर पर धुंधलापन (hazing) के कारण होने वाली प्रतिरोधकता में गिरावट (<18.0 MΩ·cm) को रोकता है—जो प्रत्येक घटना पर $740,000 की हानि का कारण बनती है (SEMI बेंचमार्क रिपोर्ट, उन्नत नोड निर्माण में उत्पादन हानि के कारक, 2023)। फार्मास्यूटिकल-ग्रेड प्रणालियों की तुलना में, अर्धचालक चिलर्स को उपकरण इंटरफ़ेस के माध्यम से एचएफ जैसे एट्च रसायनों के क्षरण को भी सहन करना आवश्यक है।

विश्वसनीय अर्धचालक फैब कूलिंग चिलर्स का उपयोग करके उपकरणों के जीवनकाल और उत्पादन में वृद्धि करना

उत्पादन हानि का मूल्यांकन: ± 0.3°C की त्रुटि और इसका दोषों से संबंध (SEMI F47)

अर्धचालक फैब को निरंतर तापमान पर बनाए रखने के कई कारण हैं, जैसे कि दोषों की सांद्रता। दोष 'किलर' होते हैं और अर्धचालक उद्योग की दोष प्रबंधन रणनीति के अनुसार, SEMI F47 (मसौदा) के अनुसार, दोषों को दूर करना एक मजबूत प्रेरक है। यदि कोई फैब SEMI F47 मानकों को पूरा नहीं करता है, तो किलर दोषों के कारण प्रति 100 वेफर्स पर 1.5–3% कम चिप्स का उत्पादन करेगा। सभी बर्बाद किया गया सिलिकॉन फैब के लिए एक बड़ा वित्तीय नुकसान है, लेकिन तापीय स्थितियों में उतार-चढ़ाव की वास्तविक लागत उपकरणों का क्षरण और इससे संबंधित रखरखाव लागत में वृद्धि है। चरम पराबैंगनी (EUV) लेज़र और एच चैम्बर जैसे उपकरण विशेष रूप से तापीय चक्रों के प्रति संवेदनशील होते हैं और तापीय थकान नामक घटना के प्रवण होते हैं, जिससे रखरखाव लागत और डाउनटाइम में 18% की वृद्धि होती है।

इसीलिए आधुनिक निर्माण संयंत्र उन शीतलन प्रणालियों पर धन व्यय करते हैं जो तापमान को प्लस या माइनस 0.05 डिग्री सेल्सियस की सीमा के भीतर बनाए रख सकती हैं। ऐसी अत्यधिक सटीकता विफलताओं को रोकती है, लाखों डॉलर के उपकरणों की रक्षा करती है, और निर्माण प्रबंधकों को आवश्यक स्थिर उत्पादन स्तर प्रदान करती है जो स्वास्थ्यपूर्ण लाभ के लिए आवश्यक हैं।

गतिशील प्रक्रिया भारों के लिए औद्योगिक चिलर्स का उचित आकार निर्धारण और अनुकूलन

जब अर्धचालक निर्माण सुविधा को ठंडा किया जाता है, तो ऊष्मीय आवश्यकताएँ भिन्न होती हैं। चिलर ठंडा करने की क्षमता को सही आकार का, अनुकूलित किया गया या पूर्णतः विशिष्ट बनाना आवश्यक है, अन्यथा समस्याओं की एक श्रृंखला उत्पन्न होगी। बड़े चिलर्स बार-बार चालू और बंद होंगे, जिससे समय के साथ ऊर्जा का अपव्यय होगा तथा अत्यधिक बार चालू/बंद होने वाले घटकों का क्षय होगा। छोटे चिलर्स मांग में अचानक वृद्धि के समय महत्वपूर्ण ±0.3 डिग्री की सीमा को बनाए रखने में असमर्थ होंगे। इससे उत्पादित महत्वपूर्ण चिप्स के तापमान में उतार-चढ़ाव आएगा, और जैसा कि हम जानते हैं, तापमान गुणवत्ता का एक प्रमुख कारक है। इसका मुकाबला करने के लिए, विशिष्ट रूप से निर्मित प्रणालियाँ और बुद्धिमान PID नियंत्रण प्रौद्योगिकी स्थितियों में परिवर्तन के अनुसार ठंडा करने के स्तर को समायोजित करती हैं। बुद्धिमान PID नियंत्रण को विशेष चरण परिवर्तन सामग्रियों के साथ युग्मित करने पर, जो ऊष्मीय झटका अवशोषक के रूप में कार्य करती हैं, इंजीनियरों के पास दोषों को न्यूनतम करने और ऊर्जा बचाने के लिए सही संयोजन होता है। ग्राहकों ने मानक निश्चित क्षमता वाले चिलर्स की तुलना में 25 से 30 प्रतिशत तक की बचत का ट्रैक रखा है।

पूछे जाने वाले प्रश्न  

अर्धचालक निर्माण में ऊष्मीय स्थायित्व क्यों महत्वपूर्ण है?

अर्धचालक निर्माण में तापमान स्थिरता आवश्यक है, क्योंकि तापमान में परिवर्तन अपरिशुद्ध अर्धचालक निर्माण प्रक्रिया का कारण बन सकते हैं, जिससे दोषपूर्ण और कम कार्यक्षम घटकों का उत्पादन होता है।

चिलरों के कारण उत्पन्न तापीय विस्थापन के क्या परिणाम हैं?

चिलरों के कारण उत्पन्न तापीय विस्थापन सिलिकॉन परतों के गलत संरेखण का कारण बन सकता है। इसके परिणामस्वरूप सिलिकॉन में शॉर्ट सर्किट के दोष उत्पन्न हो सकते हैं तथा उत्पादन में देरी के कारण उत्पादन लागत में वृद्धि हो सकती है।

आधुनिक चिलर शुद्धता कक्ष (क्लीनरूम) और द्रव शुद्धता मानकों को प्राप्त करने में किस प्रकार सहायता करते हैं?

आधुनिक चिलर चिप की अखंडता को बनाए रखने के लिए बंद रेफ्रिजरेंट पथों और जंग-रोधी सामग्रियों के उपयोग के माध्यम से शुद्धता कक्ष (क्लीनरूम) के मानकों को प्राप्त करने में सहायता करते हैं, जो किसी प्रदूषण को अनुमति नहीं देते हैं।