उन्नत विनिर्माण के लिए उच्च परिशुद्धता वाले अर्धचालक शीतलक की आवश्यकता क्यों होती है?

तापीय अस्थिरता सीधे 5 नैनोमीटर से कम के नोड्स पर उत्पादन हानि को बढ़ाती है

उत्पादन हानि का प्रायोगिक अनुमान: ±0.3 °C का तापमान विचलन – EUV लिथोग्राफी के दौरान दोषों में 12 से 18% की वृद्धि

5 नैनोमीटर से कम के अर्धचालक नोड्स पर, चरम पराबैंगनी (EUV) लिथोग्राफी के दौरान, ±0.3 °C के तापीय दोलनों के कारण दोषों में 12–18% की वृद्धि होती है (सेमीकंडक्टर इंजीनियरिंग, 2023)। ये दोलन लेंस के अपवर्तनांक और मास्क की संरेखण को बदल देते हैं, जिससे नैनोमीटर-स्तरीय विशेषताओं में परिवर्तन आता है। महत्वपूर्ण स्तरों पर, एक नैनोमीटर का विचलन भी पूरे डाई (die) को विफल करने के लिए पर्याप्त हो सकता है।

तापीय प्रेरित ओवरले त्रुटि >±0.1°C की अस्थिरताओं का कारण बनती है, जो प्रति वेफर संरेखण विश्वसनीयता को 3.7 नैनोमीटर तक कम कर देती है

वेफर्स की संरेखण क्षमता +/- 0.1°C स्तर से प्रति लेयर 3.7 नैनोमीटर तक गिर सकती है। यह 3 नैनोमीटर प्रक्रिया नोड की 2.1 नैनोमीटर सहिष्णुता से अधिक है। इस सटीकता के ह्रास के कारण इंटरकनेक्ट्स, ट्रांजिस्टर गेट लीकेज और जटिल बहु-पैटर्न वाले चिप्स में शॉर्ट सर्किट जैसी कई समस्याएँ उत्पन्न होती हैं। पोनेमन के पिछले वर्ष के शोध के अनुसार, अपर्याप्त तापीय नियंत्रण वाले फैब्स प्रतिदिन 740,000 डॉलर के अपशिष्ट उत्पादों के कारण आर्थिक हानि उठाते हैं। उच्च सटीकता वाले अर्धचालक चिलर्स हानियों को रोक सकते हैं। ये चिलर्स संवेदनशील प्रक्रियाओं वाले निर्माण क्षेत्रों में तापीय भिन्नताओं को नियंत्रित करते हैं।

उच्च सटीकता वाला अर्धचालक चिलर कैसे उप-0.1°C स्थिरता प्राप्त करता है

द्वि-चरणीय PID और मॉडल भविष्यवाणी नियंत्रण के साथ बंद लूप सूक्ष्मद्रव नियंत्रण

आज के उच्च-परिशुद्धता अर्धचालक शीतलक एक सक्रिय तापमान नियंत्रण के लिए बंद लूप माइक्रोफ्लुइडिक प्रणाली के साथ तापमान को स्थिर रखते हैं। ये शीतलक दो-चरणीय PID नियंत्रकों का उपयोग करते हैं, जो कूलेंट सर्किट के समग्र क्षेत्र में स्थापित सेंसरों द्वारा ली गई माप के आधार पर शीतलन को समायोजित करते हैं। इनमें से एक नियंत्रक बड़े तापमान अंतर की निगरानी करता है, जबकि दूसरा +/- 0.01 डिग्री की सीमा के भीतर ट्यूनिंग करता है। यह नियंत्रण स्तर अचानक भार परिवर्तन के बावजूद भी +/- 0.1 डिग्री के भीतर प्रणाली की स्थिरता सुनिश्चित करता है और प्रणाली को पूर्वकालिक घिसावट से बचाता है।

पिछली प्रक्रिया की जानकारी का उपयोग करते हुए, मॉडल भविष्यवाणि एल्गोरिदम अन्य प्रणालियों के साथ संयुक्त रूप से कार्य करते हैं ताकि तापीय भारों में होने वाले उतार-चढ़ाव का अनुमान लगाया जा सके। समस्याओं के उत्पन्न होने से पहले, ये बुद्धिमान प्रणालियाँ कंप्रेसरों की गति और प्रवाह दरों को समायोजित कर देती हैं। संयुक्त नियंत्रण विधियों के लिए, जब बिजली आपूर्ति में अनियमित कदम-परिवर्तन होते हैं, तो ये प्रणालियाँ पारंपरिक नियंत्रण विधियों की तुलना में तापीय नियंत्रण विधियों के परिमाण को लगभग 67\% तक कम कर देती हैं। यह प्रणाली प्रति सेकंड सैकड़ों सूक्ष्म समायोजनों का निरंतर अनुकूलन DC इन्वर्टर कंप्रेसरों और परिवर्तनशील गति के पंपों के माध्यम से करती है। आधुनिक विनिर्माण के अग्रणी क्षेत्र में, लगभग पूर्ण नियंत्रण 3nm नोड्स के विसंरेखण का कारण बनने वाली तापीय समस्याओं में से 95% से अधिक को दूर करने में सक्षम है, जैसा कि वास्तविक दुनिया में सिद्ध किया गया है। अर्धचालक विकासकर्ताओं के लिए, सहिष्णुता जितनी कड़ी होगी, प्रभाव उतना ही अधिक होगा।

वास्तविक दुनिया का प्रभाव: उच्च-परिशुद्धता अर्धचालक चिलरों का एकीकरण उत्पादन क्षमता और उपलब्धता (अपटाइम) दोनों में वृद्धि करता है।

सैमसंग की 3 नैनोमीटर GAA लाइन: थर्मल रिकवरी समय को 3.1 सेकंड तक कम कर दिया गया, जिससे आउटपुट में 22% की वृद्धि संभव हुई।

एक प्रमुख अर्धचालक निर्माता का अगली पीढ़ी की 3 नैनोमीटर गेट-ऑल-अराउंड (GAA) फैब सुविधाओं पर महत्वपूर्ण प्रभाव जारी है, जिसमें वेफर्स को ठंडा करने के लिए अत्याधुनिक चिलर्स का परिचय दिया गया है। इनमें से सबसे उल्लेखनीय उपलब्धि थर्मल रिकवरी समय को 42 सेकंड से घटाकर केवल 3 सेकंड से थोड़ा अधिक कर देना था। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ है कि अब यह सुविधा प्रतिदिन अतिरिक्त 500 सिलिकॉन वेफर्स की प्रक्रिया कर सकती है। इससे अत्याधुनिक उत्पादन लाइन की उत्पादन क्षमता में लगभग 22% की वृद्धि भी हुई है, जिसे कई उत्पादन चक्रों में सत्यापित किया गया है। लिथोग्राफी लाइन भी इस उन्नत शीतलन प्रणाली से लाभान्वित हुई, क्योंकि यह लिथोग्राफी तापमान को बनाए रखती है, जिससे तीव्र रेटिकल परिवर्तन के दौरान लिथोग्राफी कतारों के निर्माण को रोका जा सकता है और विनिर्माण प्रक्रिया के विभिन्न चरणों के बीच तापमान में अचानक वृद्धि नहीं होती है।

एप्लाइड मटीरियल्स एंड्यूरा प्लेटफॉर्म: ±0.05°C स्थिरता थर्मल-ट्रिगर्ड चैम्बर पुनः योग्यता प्रमाणन को रोकती है

2023 में SEMATECH द्वारा किए गए अनुसंधान के आधार पर, उपकरण निर्माता के जमाव प्रणाली सटीक तापीय नियंत्रण पर निर्भर कर सकती हैं, जो ±0.05°C की द्रव स्थिरता प्रदान करता है। इससे तापीय विस्थापन लगभग पूरी तरह समाप्त हो जाता है। इसके लाभ क्या हैं? प्रत्येक उपकरण में प्रति माह लगभग 17 घंटे के अप्रत्याशित रखरखाव का समय कम हो जाता है, जो वार्षिक रूप से लगभग 380 अतिरिक्त वेफर्स के उत्पादन के बराबर है। जमाव प्रणालियों के लिए द्रव स्थिरता बनाए रखने से तापीय चक्र प्रसंस्करण के दौरान दोष समूहों में कमी आई है, जहाँ सामग्रियों को विभिन्न दरों पर गर्म और ठंडा किया जाता है। यह सुधार उच्च-κ धातु गेट प्रक्रियाओं को भी सकारात्मक रूप से प्रभावित करता है, जिससे उपकरण विफलताओं के बीच औसत समय लगभग 41% बढ़ गया है।

उद्योग आवश्यकता: क्लीनरूम-ग्रेड तापीय स्थिरता एक मूलभूत आवश्यकता है

SEMI F47-0724 के अद्यतन में उप-2nm लॉजिक और HBM3 निर्माण के लिए चिलर स्थिरता +/- 0.1 डिग्री सेल्सियस की आवश्यकता है।

सब-2 नैनोमीटर लॉजिक चिप्स और HBM3 निर्माण प्रक्रियाओं के लिए ± 0.1 डिग्री सेल्सियस के भीतर चिलर्स नवीनतम F47-0724 मानक हैं। इसका उद्देश्य क्या है? फैब्स को लंबे समय से ज्ञात है कि 0.1 डिग्री सेल्सियस से भी कम तापमान परिवर्तन 0.3 नैनोमीटर के आयामी त्रुटियों का कारण बनते हैं, जो उन जटिल मेमोरी स्टैक संरचनाओं के भीतर विभिन्न समस्याओं को जन्म देते हैं। मेमोरी की लगभग असीमित संख्या में परतों के साथ, उच्च-परिशुद्धता वाले चिलर्स अब उन्नत निर्माण के लिए महत्वपूर्ण सक्षमकर्ता बन गए हैं और तापीय विस्थापन के कारण पूर्ण कक्ष पुनः योग्यता प्रमाणन की आवश्यकता होने वाली ओवरले संबंधित समस्याओं का बड़ा भाग समाप्त हो गया है। वास्तविक निर्माण वातावरण में, डेटा से पता चलता है कि यदि कोई ग्राहक ± 0.1 डिग्री सेल्सियस के स्थायित्व लक्ष्य को प्राप्त कर लेता है, तो दोषों का 18% से कम ही उत्पादित होता है। अब स्वच्छ कक्षों में तापीय नियंत्रण रखना कण नियंत्रण रखने के समान ही मौलिक हो गया है।

सामान्य प्रश्न

अर्धचालक निर्माण में तापीय स्थिरता का क्या महत्व है? तापीय स्थिरता महत्वपूर्ण है क्योंकि यहाँ तक कि छोटे तापमान परिवर्तन भी प्रमुख दोषों का कारण बन सकते हैं, जिससे उत्पादन दक्षता (यील्ड) में कमी आती है और निर्माण लागत में वृद्धि होती है।

तापीय स्थिरता के रखरखाव में उच्च-परिशुद्धता चिलर्स का क्या महत्व है?

उच्च-परिशुद्धता चिलर्स निर्माण वातावरण में अवांछित तापमान उतार-चढ़ाव को दूर करके तापीय स्थिरता को बनाए रखते हैं, ताकि चिप्स को सबसे कड़ी सहिष्णुता के भीतर निर्मित किया जा सके।

उन्नत तापीय नियंत्रण प्रणालियों के होने से निर्माण संयंत्रों को क्या लाभ प्राप्त होते हैं?

उन्नत तापीय नियंत्रण प्रणालियाँ निर्माण संयंत्रों को तापीय पुनर्प्राप्ति समय में कमी, उत्पादन क्षमता (थ्रूपुट) में वृद्धि और उत्पादों की गुणवत्ता में सुधार प्रदान करती हैं, क्योंकि ये अर्धचालक वेफर्स के संरेखण को बनाए रखती हैं और उनमें दोषों को कम करती हैं।