Kodėl puslaidininkių gamybos įmonėse būtini puslaidininkių gamybos aušinimo šaldytuvai?

Sub-7 nm fotolitografijos ir EUV įrenginių šiluminės stabilumo subtilumai.

Norint sukurti puslaidininkių struktūras mažesnes nei 7 nm, būtina galėti kontroliuoti ir valdyti šilumos kintamumą, kuris beveik nepasiekiamas. Ekstremaliųjų ultravioletinių (EUV) litografijos sistemų veikimo temperatūra turi būti stabilizuota ±0,01 °C tikslumu. Tai atitinka viso baseino temperatūros stabilizavimą ±0,0005 °C tikslumu. Esant ekstremaliai mažoms matmenims, temperatūros svyravimai sukelia lęšių medžiagų ir plokštelių etapų šiluminį išsiplėtimą ir susitraukimą, dėl ko kyla (a) nuokrypiai nuo numatyto maketo (ypač tikslūs šviesos spindulių keliai, reikalingi mažų elementų eksponavimui) ir (b) šviesos kelių žlugimas. Tokios problemos kyla ir panardinamosios litografijos metu. Net 0,1 °C temperatūros svyravimas sukelia skysčio lūžio rodiklio kitimus. Be to, tai sukelia vaizdo nesufokusuotą būseną. Tai nepertraukiamas ir, iš tiesų, svarbiausias faktas, kurį reikia įvertinti, kalbant apie naujuosius EUV energijos modulius, kurių galios tankis viršija 500 kW/m². Jei šiluma nebus stabilizuota labai aukšto tikslumo lygiu, nanometrų masto gamybos pagrindinis tikslas bus pasiektas, tačiau gauti elektroniniai komponentai bus defektūs.

Šaldytuvų sukeltų šiluminių poslinkių technologiniai poveikiai sluoksnių tiksliam sutapdinimui puslaidininkių gamyboje

Puslaidininkių gamyboje naudojami šaldytuvų sistemos unikaliu būdu veikia sluoksnių tikslią sutapdinimą – tai tikslumas, kuriuo lygiuojami keli silicio sluoksniai. Šaldytuvų temperatūra veikia plokšteles taip, kad kiekvienas šiluminiu būdu sukeltas laipsnis sukelia silicio plokštelių išsiplėtimą iki 2,6 μm/m. Esant 300 mm plokštelių skersmeniui, išsiplėtimo dėl to gali atsirasti iki 3 nm nuokrypis nuo tikslios padėties. Pažangūs 5 nm mikroschemų gamybos procesai gali leisti tik 1,7 nm nuokrypį nuo tikslios padėties. Taip pat svarbu pabrėžti šiluminių poslinkių poveikį įrangos litografijos etapui. Kaip inžinieriai teigia, šie poslinkiai sukelia „mechaninį lėtėjimą“ („mechanical creep“) litografijos įrangoje, dėl ko jau hipotetiškai mažos įrangos pozicionavimo netikslumai vis labiau didėja naudojant įrangą.

Kai sluoksniai nesutampa, gali kilti rimtų problemų, pvz., trumpojo jungimo ar tarpų grandinėje. Tokios defektų pasekmės gamintojams kiekvieną valandą kelia apytiksliai 740 000 JAV dolerių nuostolių (Ponemon institutas, 2023 m.). Šiuolaikiniai pažangūs aušintuvai turi protingą apkrovos valdymą ir gali išlaikyti temperatūros stabilumą ±0,005 °C ribose. Tai leidžia gaminti puslaidininkius su kritine ±0,15 nm tikslumu, kuris reikalingas norint pasiekti aukštą gamybos naudingumo rodiklį.

Valymo patalpų ir skysčių švarumo standartai puslaidininkiams

Skysčių srauto vientisumas ir dalelių kontrolė

Šaldytuvai, naudojami puslaidininkių gamybos įmonių aušinimo sistemose, turi atitikti ISO 1–4 klasės reikalavimus, kad nebūtų pažeista ekstremali ultravioletinė litografija (EUV) ir kitos gamybos stadijos. Bet koks ore esantis teršalas, didesnis nei 0,1 mikrono, keltų problemų tikslinant neįtikėtinai mažus, mažesnius nei 5 nanometrų plokščiuosius diskus (wafer). Šiuolaikinėse šaldymo sistemose naudojamos visiškai hermetiškos šaldiklio medžiagos grandinės ir aukštos kokybės nerūdijančiojo plieno konstrukcija, panaši į chirurginių instrumentų gamybą, siekiant sumažinti teršalų kiekį. Šie šaldytuvai naudoja pažangius molekulinių teršalų filtrus bei HEPA filtrus, kad būtų užtikrintas teigiamas diferencialinis slėgis ir ore esančių teršalų kiekis būtų mažesnis nei vienas teršalas kubiniame metre esant 0,1 mikrono dydžiui. Šios ekstremalios priemonės užtikrina, kad ASML litografiniai įrenginiai nebūtų paveikti teršalų, kurie gali pabloginti šių įrenginių optikos charakteristikas. Plokščiųjų diskų defektų dažnis kontroliuojamas taip, kad jis būtų mažesnis nei 0,01 defekto kvadratiniame centimetre. Šie įrenginiai kainuoja daugiau nei du milijonai JAV dolerių ir yra itin jautrūs optiniam nuosėdų susidarymui.

Korozijai atsparių medžiagų pasirinkimas ir dejonizuoto vandens atitikimas (≥18,2 MΩ·cm)

Puslaidininkių gamyklose naudojami aušinimo šaldytuvai privalo tiekti ultrašvaraus vandens (UPW) sistemas su visais šiluminio perdavimo taškais, kurių varža yra didesnė nei 18,2 MΩ·cm (t. y. pašalinama daugiau nei 99,999999 % joninių priemaišų). Standartiniai pramoniniai šaldytuvai čia netinka dėl vario–nikelio lydinių galvaninės korozijos, kuri leidžia metalams patekti į aušinimo skysčio ciklą. Todėl naujos kartos sprendimai sukurti su:

- Elektropoliruotomis 316L/904L nerūdijančiosios plieno skysčių grandinėmis.
- Pasyvinimo sluoksniais, kurie neatsisklaido geležies oksido.
- Netoliškomis (Kalrez® FFKM) sandarinimo detalėmis, kurios atlaiko šiluminį ciklinimą.

Šis konstrukcinis sprendimas neleidžia varžai kristi žemiau 18,0 MΩ·cm, kas sukelia plokštelių aptaškytą paviršių – defektą, kurio kiekvieno atvejo sąnaudos siekia 740 tūkst. JAV dolerių (SEMI standartų ataskaita „Gamybos nuostolių veiksniai pažangiose mazgo technologijose“, 2023 m.). Palyginus su farmacinės klasės sistemomis, puslaidininkių šaldytuvai taip pat privalo atlaikyti etchinės chemijos (pvz., fluoro vandenilio rūgšties – HF) perpildymą per įrangos sąsajas.

Įrangos naudojimo trukmės ir našumo didinimas naudojant patikimus puslaidininkių gamyklos aušinimo šaldytuvus

Našumo praradimo vertinimas: ± 0,3 °C nuokrypis ir jo ryšys su defektais (SEMI F47)

Yra daug priežasčių, pvz., defektų koncentracija, dėl kurių puslaidininkių gamykloje reikia palaikyti pastovią temperatūrą. Defektai yra žudikliai, o pagal puslaidininkių pramonės defektų valdymo strategiją (SEMI F47 projektas) defektų pašalinimas yra stiprus skatinamasis veiksnys. Jei gamykla neatitinka SEMI F47 standarto, dėl žudikliškų defektų ji iš 100 plokštelių pagamins 1,5–3 % mažiau mikroschemų. Visas „išmestas“ kremnijus gamykloje reiškia didelius finansinius nuostolius, tačiau tikroji kintamų šilumos sąlygų kaina – įrangos nusidėvėjimas ir susijęs techninės priežiūros kaštų padidėjimas. Įranga, tokia kaip ekstremaliųjų ultravioletinių (EUV) spindulių lazeriai ir dujų plazmos įrenginiai, ypač jautri šilumos ciklams ir linkusi reiškiamai vadinamajai šiluminės nuovargio būsenai, kuri lemia 18 % techninės priežiūros kaštų ir prastovų padidėjimą.

Todėl šiuolaikinėse gamybos gamyklose išleidžiama daug lėšų į aušinimo sistemas, kurios gali palaikyti temperatūrą ±0,05 °C ribose. Tokia tikslumas neleidžia įvykti gedimams, apsaugo milijonų dolerių vertės įrangą ir užtikrina nuolatinį gamybos lygį, kurio reikia gamyklos vadovams, kad būtų galima palaikyti sveikus pelnus.

Pramoninių aušintuvų dydžio parinkimas ir pritaikymas kintamosioms technologinėms apkrovoms

Aušinant puslaidininkių gamybos įmonę, šiluminės reikalavimai skiriasi. Šaldymo sistemos talpa turi būti tiksliai parinkta arba pritaikyta konkrečiai įmonei, kitaip kils įvairių problemų. Per didelės šaldymo sistemos per dažnai įsijungs ir išsijungs, o laikui bėgant tai sukelia energijos švaistymą ir per dažnai įsijungiančių bei išsijungiančių komponentų susidėvėjimą. Per mažos sistemos negali palaikyti kritinio ±0,3 °C temperatūros diapazono, kai paklausa staigiai padidėja. Dėl to kritiniai mikroschemų gamybos procesai svyruoja, o kaip žinome, temperatūra yra vienas svarbiausių kokybės veiksnių. Šiai problemai įveikti naudojamos specialiai sukurtos sistemos ir protingoji PID valdymo technologija, kuri automatiškai reguliuoja šaldymo lygį priklausomai nuo kintančių sąlygų. Su jungiamosios protingosios PID valdymo technologijos ir specialių fazės pokyčio medžiagų kaip šiluminės smūgio slopintuvų deriniu inžinieriai turi tinkamiausią sprendimą defektų sumažinimui ir energijos taupymui. Klientai fiksuoja 25–30 procentų energijos sutaupymą palyginti su standartinėmis fiksuotos galios šaldymo sistemomis.

Dažniausiai užduodami klausimai  

Kodėl šiluminė stabilumas yra gyvybiškai svarbus puslaidininkių gamyboje?

Temperatūros stabilumas yra būtinas puslaidininkių gamyboje, nes temperatūros svyravimai gali sukelti netikslų puslaidininkių gamybos procesą, dėl kurio gaunamos defektinės ir prastai veikiančios detalės.

Kokios yra šaldytuvų sukelto terminio išslinkimo pasekmės?

Šaldytuvų sukeliamas terminis išslinkimas gali sukelti silicio sluoksnių nesutapimą. Tai savo ruožtu gali sukelti silicio trumpuosius jungimus ir padidinti gamybos kaštus dėl gamybos delsų.

Kaip šiuolaikiniai šaldytuvai padeda pasiekti valymo patalpų ir skysčių grynumo standartus?

Šiuolaikiniai šaldytuvai padeda pasiekti valymo patalpų standartus naudodami hermetiškus aušinimo skysčio kelius ir korozijai atsparias medžiagas, kurios neleidžia užteršti aplinkos ir taip išsaugo mikroschemos vientisumą.