Perché i gruppi frigoriferi per il raffreddamento dei fabbricati di semiconduttori sono essenziali negli impianti di fabbricazione?

Le sfumature della stabilità termica per la fotolitografia sub-7 nm e i dispositivi EUV.

Per costruire strutture semiconduttrici di dimensioni inferiori a 7 nm, è necessario essere in grado di controllare e gestire un livello di variabilità termica quasi irraggiungibile. I sistemi di litografia a ultravioletti estremi (EUV) devono funzionare a una temperatura stabile entro ± 0,01 °C. Ciò equivale a stabilizzare la temperatura di un'intera piscina entro ± 0,0005 °C. A dimensioni estremamente ridotte, le variazioni di temperatura provocano l’espansione e la contrazione termica dei materiali delle lenti e delle piattaforme per wafer, causando (a) deviazioni dal layout predeterminato (i percorsi luminosi estremamente precisi necessari per esporre una piccola caratteristica) e (b) il collasso dei percorsi luminosi. Anche la litografia per immersione incontra tali sfide. Una semplice variazione di temperatura di 0,1 °C provoca variazioni dell’indice di rifrazione del fluido. Inoltre, ciò determina uno stato di fuori fuoco dei pattern. Si tratta di un fattore implacabile e, di fatto, il più significativo da considerare in relazione ai nuovi moduli di potenza EUV, la cui densità di potenza supera i 500 kW/m². Se il calore non viene mantenuto stabile con un’elevata precisione, l’obiettivo primario della produzione su scala nanometrica sarà pur raggiungibile, ma darà luogo a componenti elettronici difettosi.

Impatti tecnologici della deriva termica indotta dai gruppi frigoriferi sull'accuratezza dell'overlay nella produzione di semiconduttori

I gruppi frigoriferi impiegati nella produzione di semiconduttori esercitano un effetto peculiare sull'accuratezza dell'overlay, ossia sulla precisione con cui vengono allineati i diversi strati di silicio. La temperatura di tali gruppi frigoriferi influenza le wafer in modo tale che ogni grado di variazione termica indotta dai gruppi frigoriferi provoca un'espansione delle wafer di silicio fino a 2,6 μm/m. Con un diametro delle wafer pari a 300 mm, tale espansione può causare uno scostamento dall'allineamento fino a 3 nm. I processi avanzati di fabbricazione di chip a 5 nm tollerano al massimo uno scostamento dall'allineamento di 1,7 nm tra i vari strati delle wafer. È inoltre importante evidenziare l'effetto che le deriva termiche esercitano sulla fase di litografia dell'attrezzatura. Come affermano gli ingegneri, tali deriva hanno un effetto causale sul 'fluage meccanico' dell'attrezzatura litografica, amplificando progressivamente, con l'uso, le già ipoteticamente minime imprecisioni di posizionamento dell'apparecchiatura.

Quando si verifica un disallineamento degli strati, possono insorgere problemi gravi, come cortocircuiti o interruzioni nel circuito. Tali difetti comportano per i produttori una perdita di circa 740.000 dollari ogni ora (Ponemon Institute, 2023). Gli avanzati refrigeratori moderni dispongono di una gestione intelligente del carico e sono in grado di mantenere la stabilità della temperatura entro ± 0,005 gradi Celsius. Ciò consente la produzione di semiconduttori con la precisione critica di ± 0,15 nm necessaria per ottenere rese elevate.

Norme per le camere bianche e la purezza dei fluidi nei semiconduttori

Integrità del percorso dei fluidi e controllo delle particelle

I gruppi frigoriferi utilizzati nei sistemi di raffreddamento per gli impianti di fabbricazione di semiconduttori devono rispettare gli standard ISO Classe 1-4, al fine di non compromettere la litografia a estrema ultravioletta (EUV) e le altre fasi della produzione. Qualsiasi contaminante aerodisperso di dimensioni superiori a 0,1 micron rappresenterebbe un problema per il targeting di wafer estremamente piccoli, inferiori ai 5 nanometri. I moderni sistemi frigoriferi presentano circuiti refrigeranti completamente stagni e impiegano una costruzione in acciaio inossidabile di alta qualità, simile a quella degli strumenti chirurgici, per ridurre al minimo la contaminazione. Questi gruppi frigoriferi utilizzano filtri avanzati per la contaminazione molecolare nonché filtri HEPA, garantendo che la pressione differenziale positiva e i contaminanti aerodispersi siano mantenuti al di sotto di 1 per metro cubo a 0,1 micron. Queste misure estreme assicurano che le macchine litografiche ASML non vengano influenzate da contaminanti in grado di degradare le ottiche delle macchine litografiche. Il tasso di difetti sui wafer è controllato al di sotto di 0,01 per centimetro quadrato. Queste macchine costano oltre due milioni di dollari e sono estremamente sensibili ai depositi ottici.

Selezione di materiali resistenti alla corrosione e conformità all'acqua deionizzata (≥18,2 MΩ·cm)

I gruppi frigoriferi per fabbriche di semiconduttori devono fornire sistemi di acqua ultrapura (UPW) con tutti i punti di scambio termico aventi una resistività superiore a 18,2 MΩ·cm (ovvero una purezza superiore al 99,999999% rispetto ai contaminanti ionici). I gruppi frigoriferi industriali standard non sono adatti a questo scopo a causa della corrosione galvanica nelle leghe di rame-nichel, che rilasciano metalli nei circuiti di refrigerazione. Di conseguenza, le soluzioni di nuova generazione sono progettate con:

- Circuiti fluidi in acciaio inossidabile 316L/904L elettrolucidato.
- Strati passivanti che non rilasciano ossido di ferro.
- Guarnizioni non metalliche (Kalrez® FFKM) in grado di resistere ai cicli termici.

Questo design previene cali di resistività inferiori a 18,0 MΩ·cm, che causano l’opacizzazione delle wafer — un difetto che comporta costi pari a 740.000 USD per singolo evento (SEMI Benchmark Report, «Yield Loss Drivers in Advanced Node Fabrication», 2023). Rispetto ai sistemi di classe farmaceutica, i gruppi frigoriferi per semiconduttori devono inoltre tollerare la permeazione di prodotti chimici per incisione, come l’acido fluoridrico (HF), attraverso le interfacce degli apparecchi.

Miglioramento della durata delle attrezzature e dell’efficienza produttiva mediante gruppi frigoriferi affidabili per il raffreddamento di fabbriche di semiconduttori

Valutazione della perdita di resa: difetto di ± 0,3 °C e sua correlazione con i difetti (SEMI F47)

Esistono numerosi motivi, ad esempio la concentrazione di difetti, per mantenere una fabbrica di semiconduttori a temperatura costante. I difetti sono definiti «killer» e, secondo la strategia industriale per la gestione dei difetti nei semiconduttori (bozza SEMI F47), l’eliminazione di tali difetti rappresenta un obiettivo prioritario. Se una fabbrica non rispetta gli standard SEMI F47, produrrà dall’1,5 al 3% in meno di chip ogni 100 wafer a causa di difetti killer. Tutto il silicio sprecato comporta una notevole perdita finanziaria per la fabbrica; tuttavia, il vero costo derivante da condizioni termiche instabili è l’usura delle attrezzature e il conseguente aumento dei costi di manutenzione. Le attrezzature, come i laser a estrema ultravioletta (EUV) e le camere di incisione, sono particolarmente sensibili ai cicli termici e soggette a un fenomeno denominato fatica termica, che determina un aumento del 18% dei costi di manutenzione e dei tempi di fermo.

Questo è il motivo per cui gli impianti di fabbricazione moderni investono in sistemi di raffreddamento in grado di mantenere le temperature entro un intervallo di più o meno 0,05 gradi Celsius. Una tale precisione previene i guasti, protegge attrezzature del valore di milioni di dollari e garantisce livelli di produzione costanti, necessari ai responsabili di fabbrica per sostenere profitti sani.

Dimensionamento corretto e personalizzazione dei gruppi frigoriferi industriali per carichi di processo dinamici

Nel raffreddamento di un impianto per la fabbricazione di semiconduttori, i requisiti termici sono diversi. Il raffreddamento tramite refrigeranti deve essere dimensionato correttamente e personalizzato, altrimenti si verificheranno svariati problemi. I gruppi frigoriferi di grandi dimensioni si accenderanno e spegneranno troppo frequentemente, causando nel tempo un consumo eccessivo di energia e l’usura prematura dei componenti soggetti a avviamenti e arresti ripetuti. Quelli di piccole dimensioni, invece, non riescono a mantenere la fascia di temperatura critica di ±0,3 °C in caso di picchi di domanda. Ciò provoca fluttuazioni nella produzione di chip critici; come è noto, la temperatura rappresenta un fattore fondamentale per la qualità. Per contrastare questo problema, sistemi su misura e tecnologie intelligenti di controllo PID regolano dinamicamente i livelli di raffreddamento in base alle variazioni delle condizioni operative. Accoppiando i controlli PID intelligenti a speciali materiali a cambiamento di fase, utilizzati come assorbitori di shock termici, gli ingegneri dispongono della combinazione ottimale per ridurre al minimo i difetti e risparmiare energia. I clienti registrano risparmi compresi tra il 25% e il 30%, rispetto ai tradizionali gruppi frigoriferi a capacità fissa.

Domande frequenti  

Perché la stabilità termica è fondamentale nella fabbricazione di semiconduttori?

La stabilità termica è essenziale nella fabbricazione di semiconduttori, poiché le variazioni di temperatura possono causare un processo di fabbricazione impreciso, con conseguenti componenti difettosi e con prestazioni scadenti.

Quali sono le conseguenze della deriva termica causata dai gruppi frigoriferi?

La deriva termica causata dai gruppi frigoriferi può provocare un disallineamento degli strati di silicio. Ciò può a sua volta causare difetti di cortocircuito nel silicio e aumentare i costi di produzione a causa dei ritardi produttivi.

In che modo i moderni gruppi frigoriferi contribuiscono al rispetto degli standard di purezza per ambienti a contaminazione controllata (cleanroom) e per i fluidi?

I moderni gruppi frigoriferi contribuiscono al rispetto degli standard per ambienti a contaminazione controllata (cleanroom) grazie all’impiego di circuiti refrigeranti ermetici e di materiali anticorrosivi che non consentono contaminazioni, preservando così l’integrità del chip.