EN
Temperatūros valdymas yra būtinas norint padidinti gamybą, užtikrinti nuolatinę našumą ir išlaikyti puslaidininkių gamybos įmonių pelningumą konkuruojančioje rinkoje.
Pagrindiniai puslaidininkių gamybos aušintuvo inžineriniai principai
Uždarosios grandinės temperatūros valdymas su realiuoju apkrovos reguliavimu
Proceso aušintuvai puslaidininkių pramonėje palaiko temperatūros stabilumą apie ±0,1 °C naudodami uždarąjį šilumos valdymo sistemą, kuri realiuoju laiku reguliuoja aušalo srautą naudodama slėgio ir temperatūros jutiklius. Jie naudoja pažangius proporcinio-integralinio-diferencialinio (PID) valdiklius, kurie dinamiškai reaguoja į šiluminės apkrovos pokyčius. Pavyzdžiui, etšinimo procesų metu kai kurie valdikliai keičia kompresorių sukimosi dažnį ir siurblių srauto našumą, kad būtų išvengta temperatūros svyravimų, kurie gali pažeisti apdorojamus plokštumėlius. 2023 m. straipsnyje, paskelbtame žurnale „Semiconductor Engineering“, buvo parodyta, kad jei šiluminiai svyravimai nekontroliuojami, defektų dažnis padidėja 18 %. Artimiausiu metu prognozuojantys algoritmai bus esminiai, kad būtų numatyti apkrovos pokyčiai aukštos temperatūros procesuose su kontroliuojamu nuolatiniu režimu, užtikrinant nuolatinę sistemos našumą.
Magnetiniai guoliai kompresoriams ir kaskadinė aušinimo sistema
Išsklaidyti išimtinį tikslumą ir valdymą temperatūros diapazone mažesniame nei 0,1 °C galima tik naudojant pažangią šaldymo inžineriją su dviejų pakopų kaskadiniais šaldymo ciklais. Tikslus valdymas iki 0,1 °C ir net tikslumas mažesnis nei 0,1 °C pasiekiamas sukūrus pirmosios pakopos šaldymo skysčio ciklus, kurie kaskadiniu būdu perduoda šalčią nuo pirmojo šaldymo arba aušinimo į antrąjį ciklą. Be to, kaskadiniuose šaldymo sistemose naudojami beaukštiniai magnetiniai guoliai. Sistemoje nebuvimas alyvos reiškia mažesnį trinties, dilimo ir sistemos užterštumo lygį. Be to, magnetiniais guoliais remiami kompresoriai gali atlikti labai mažus darbo greičio reguliavimus net 0,1 % žingsniais. Šios eksploatacinės stabilumo pasekmės reiškia daug kartų didesnę eksploatacinę stabilumą. Tai reiškia, kad šaldymo sistema gali veikti esant iki 10 % visos sistemos naudingumo ir vis tiek išlaikyti bei palaikyti temperatūros stabilumą ± 0,05 °C ribose. Toks eksploatacinis stabilumas ir tikslumas reikalingas EUV litografijos temperatūros valdymui ir stabilumui, kur net mažiausios šiluminės svyravimų dalys gali pažeisti arba sunaikinti litografinius raštus. Be to, magnetiniai guolių sistemos yra energijos vartojimo požiūriu efektyvesnės daugiau nei 35 % palyginti su ankstesnių technologijų kompresoriais (ASHRAE, 2023)
Protinga integracija: kaip puslaidininkių gamybos aušinimo sistema integruojama su pagrindinėmis įranga
Jungtis su EUV litografija, CMP ir ALD sistemomis
Puslaidininkių gamintojų procesų aušintuvai palaiko nuolatinę temperatūrą ±0,05 °C, kas yra kritiška, kai jie tiesiogiai sujungti su procesų įrangos valdymo sistemomis ekstremaliųjų ultravioletinių spindulių litografijoje, kad būtų išvengta optinių komponentų šiluminio poslinkio sukeltų lygiavimo klaidų. Cheminės mechaninės poliruotės metu šie aušintuvai nuolat pritaiko savo aušinimo galios dydį, kad reaguotų į sinerginius ir trinties šilumos krūvius, kurie gali viršyti 10 kW viename kvadratiniame metre. Atomo sluoksnio nusodinimo metu aušintuvai pritaiko temperatūros kontrolę pagal pirmtakų reakcijos sąlygas. Praeštaisiais metais žurnalas „Semiconductor Engineering“ pranešė, kad tokio bendradarbiavimo dėka 3 nm mazgo lygyje buvo sumažinta 18 % plokščių defektų. Procesų įrangos valdymo sistemos realiuoju laiku bendrauja su aušintuvais, užtikrindamos, kad visos trys sistemos veiktų sinchroniškai naudodamos tuos pačius ryšio protokolus – SECS/GEM ir Modbus TCP.
Efektyvumo pasiekimas sprendžiant didelio srauto ir mažo temperatūros skirtumo problemą
Veikimo temperatūros skirtumas (ΔT) esant 2 °F ar mažesnis, puslaidininkių gamybos įmonėms reikia aušinimo skysčio srauto, didesnio nei 150 GPM. Ši reikalavimų kombinacija kelia iššūkių tradicinėms sistemoms. Puslaidininkių technologinių procesų aušintuvai šį iššūkį įveikia naudodami:
- Kintamojo greičio siurblius, kurie užtikrina ir palaiko laminarų aušinimo skysčio srautą iki 200 GPM.
- Mikrokanalų šilumos mainų įrenginius, kurie užtikrina ir palaiko šilumos perdavimo efektyvumą, dvigubai didesnį nei tradiciniai šilumos mainų įrenginiai.
- Prognozuojančius algoritmus, kurie nustato ir numato šiluminės apkrovos pokyčius dėl sparčiai kintančių procesų.
Šis metodas užtikrina veikimo temperatūros skirtumą, neviršijantį ±0,1 °C, ir sumažina energijos suvartojimą 35 % lyginant su pastovaus greičio sistemomis. Puslaidininkių gamybos aušintuvai optimizuoja temperatūros skirtumo / masės srauto pusiausvyrą, leisdami sistemai veiksmingai išvengti peraušinimo šilumos praradimo neveikiant, kas yra esminė funkcija tvariai gamyklos veiklai (ASME 2023).
Ilgalaikės tikslumo priežiūra: kalibravimas, diagnostika ir adaptacinis valdymas – profilaktinė stebėsena mikrokanalų šilumokaičių užterštumo ir srauto blogėjimo.
Mikrokanalų šilumos mainų įrenginiai reikalauja nuolatinės diagnostikos. Net sub-5 mikronų dalelių kaupimasis, nors ir atrodo nepastebimas, sukelia šilumos perdavimo naudingumo sumažėjimą 12–18 % per metus, tiesiogiai paveikdamas plokštelės (wafer) išeigą. Sudėtingesni sistemos turi tris papildomas funkcijas: 1. Realiojo laiko srauto jutikliai (nešvarumų kaupimosi jutikliai), kurie aptinka srauto sumažėjimą, viršijantį 2 % numatyto slėgio kritimo. 2. Adaptacinės valdymo sistemos, kurios automatiškai koreguoja papildomą šiluminę varžą, kurią sukelia nešvarumų kaupimasis. 3. Automatinės cheminės injekcijos ciklo (nešvarumų šalinimo) sistemos, kurios yra chemiškai aktyvios dėl laidumo. Šios funkcijos padeda palaikyti eksploatacinį valdymą su tikslumu ± 0,05 °C ir padidinti techninės priežiūros intervalus 40 % lyginant su numatyta techninės priežiūros tvarkaraščiu. Kas tris mėnesius jutikliai kalibruojami, kad būtų patvirtinta atitiktis NIST sekamos (kriogeninės) standartinės priemonės reikalavimams, o mašininio mokymosi metodai buvo naudojami modeliuoti ir prognozuoti gedimus 72 valandų laiko intervale.
DUK: Kodėl temperatūros kontrolė puslaidininkių gamyboje yra tokia svarbi faktorius?
Temperatūros kontrolė yra svarbus veiksnys puslaidininkių gamyboje, nes gamybos procesas vyksta nanomatmenyje, dėl ko gali atsirasti defektai ir, kaip pasekmė, prarasti pelningumą.
Kaip puslaidininkių aušintuvai pasiekia tokį tikslų temperatūros valdymą?
Tokiai tiksliai temperatūros kontrolės realizavimui puslaidininkių technologiniuose aušintuvuose naudojama uždara kilpa, šaldymo agregatų kaskadinė sistema ir magnetiniai guoliai turintys kompresoriai.
Kodėl šiose sistemose naudojami magnetiniai guoliai turintys kompresoriai?
Magnetiniai guoliai turintys kompresoriai sumažina trintį, išlieka švarūs ir leidžia tiksliai reguliuoti sukimosi greitį, kas yra būtina temperatūros stabilumui užtikrinti ir energijos naudojimo efektyvumui padidinti.