Kodėl aukštos tikslumo puslaidininkių aušintuvas yra būtinas pažangiai gamybai?

Šiluminė nestabilumas tiesiogiai sukelia naudingumo praradimą po 5 nm mazguose

Naudingumo praradimas empiriškai: ±0,3 °C temperatūros svyravimai – 12–18 % padidėjus defektų skaičiui ekstremaliųjų ultravioletinių (EUV) litografijos procesuose

Puslaidininkių mazguose mažesniuose nei 5 nanometrai, ekstremaliųjų ultravioletinių (EUV) litografijos metu, šiluminiai svyravimai ±0,3 °C padidina defektų skaičių 12–18 % („Semiconductor Engineering“, 2023). Šie svyravimai keičia lęšio lūžio rodiklį ir kaukės padėtį, todėl pasikeičia nanometrinio masto elementai. Kritiniais atvejais vieno nanometro nuokrypis gali visiškai sugadinti visą kristalą.

Šilumos sukeltos padėties klaidos reiškia >±0,1 °C temperatūros nestabilumus, kurie sumažina lygiavimo tikslumą 3,7 nm vienam plokštelės diskui

Plokščių (wafer) išlyginimo tikslumas gali sumažėti 3,7 nm kiekvienam sluoksniui dėl ±0,1 °C temperatūros svyravimų. Tai viršija 3 nm technologinio mazgo 2,1 nm toleranciją. Tikslumo praradimas sukelia kelias problemas su jungtimis, tranzistorių įvartais ir trumpaisiais jungimais sudėtinguose daugiapatterniuose mikroschemose. Pagal praeitais metais atliktą Ponemon tyrimą, gamyklos su nepakankamu šilumos valdymu kasdien praranda 740 000 JAV dolerių vertės brokuotų gaminių. Aukštos tikslumo puslaidininkių aušintuvai gali užkirsti kelią šiems nuostoliams. Šie aušintuvai kontroliuoja šilumos svyravimus gamybos zonose, kur vyksta jautrieji procesai.

Kaip aukštos tikslumo puslaidininkių aušintuvas pasiekia stabilumą mažesnį nei 0,1 °C

Uždarosios kilpos mikrosrautinė valdymo sistema su dviejų lygių PID ir modeliu paremta valdymo sistema

Šiandienos aukštos tikslumo puslaidininkių aušintuvai palaiko pastovią temperatūrą naudodami uždarą mikroskysčių cirkuliacijos sistemą aktyviam temperatūros valdymui. Šie aušintuvai naudoja dviejų lygių PID valdiklius, kurie reguliuoja aušinimą atsižvelgdami į daviklių, įmontuotų viso aušalo cirkuliacijos kontūro ilgyje, matavimus. Vienas iš valdiklių prižiūri didelius temperatūros skirtumus, o kitas atlieka tikslinimą ±0,01 laipsnio ribose. Toks valdymo lygis užtikrina sistemos stabilumą ±0,1 laipsnio ribose nepaisant staigių apkrovos pokyčių ir apsaugo sistemą nuo perlaikos.

Naudojant ankstesnio proceso informaciją, modelių numatymo algoritmai veikia kartu su kitomis sistemomis, kad įvertintų, kaip kis šiluminės apkrovos. Prieš iškylant problemoms, šios protingos sistemos keičia kompresorių greičius ir srauto našumus. Su derintomis valdymo metodikomis, kai maitinimo šaltinis turi netolygius žingsniškus pokyčius, jie sumažina šiluminio valdymo metodų intensyvumą apie 67 % lyginant su įprastais valdymo metodais. Sistema nuolat optimizuoja šimtus mikroreguliavimų kas sekundę naudodama nuolatinės srovės (DC) inverterių kompresorius ir kintamojo greičio siurblius. Esant pačiam šiuolaikinės gamybos priekyje, beveik visiškas valdymas leidžia pašalinti daugiau nei 95 % šiluminių problemų, kurios sukelia 3 nm mazgų nesutapimą, kaip tai patvirtinta realiame pasaulyje. Puslaidininkių kūrėjams kuo mažesnės tolerancijos – tuo didesnis skirtumas.

Realus poveikis: aukštos tikslumo puslaidininkių aušintuvų integravimas padidina gamybos našumą ir eksploatacijos laiką.

Samsung 3 nm GAA linija: šiluminės atsistatymo trukmė buvo sumažinta iki 3,1 sekundės, dėl ko našumas padidėjo 22 %.

Svarbus puslaidininkių gamintojas toliau daro reikšmingą poveikį naujausios kartos 3 nm „Gate-All-Around“ (GAA) gamybos įrenginiams, pristatydamas būsimojo laiko šaldytuvus, skirtus plokštelių aušinimui. Labiausiai pastebėtinas pasiekimas buvo šiluminio atsigavimo laiko sumažinimas nuo 42 sekundžių iki tik šiek tiek daugiau nei 3 sekundžių. Praktiškai tai reiškia, kad įrenginys dabar kasdien gali apdoroti papildomai 500 silicio plokštelių. Tai taip pat padidino naujausios gamybos linijos gamybos pajėgumus maždaug 22 %, kas patvirtinta daugelyje gamybos ciklų. Šis pažangus aušinimo sistema taip pat naudinga litografijos linijai, nes ji palaiko pastovią litografijos temperatūrą, neleisdama susidaryti litografijos eilėms greitai keičiant retiklius ir užtikrindama, kad tarp skirtingų gamybos proceso etapų neatsirastų temperatūros šuoliai.

Applied Materials Endura platforma: ±0,05 °C stabilumas sustabdo šilumos sukeltą kamerų pakartotinę kvalifikaciją

2023 m. atlikta SEMATECH tyrimų veikla leidžia įrengimų gamintojų nuosėdų formavimo sistemoms remtis tikslia šilumos kontrolės technologija, kad būtų pasiekiama ±0,05 °C skysčio temperatūros stabilumas. Tai beveik visiškai pašalina šiluminį nukrypimą. Kokios naudos? Kiekvienas įrenginys patiria maždaug 17 valandų mažiau netikėtų techninės priežiūros darbų per mėnesį, kas metų lygiu reiškia apytikriai 380 papildomų pagamintų plokštelių. Skysčio temperatūros stabilumo palaikymas nuosėdų formavimo sistemose taip pat sumažino defektų susikaupimus šiluminio ciklo apdorojimo metu, kai medžiagos šildomos ir aušinamos skirtingais greičiais. Šis pagerinimas taip pat teigiamai paveikė aukštos dielektrinės skvarbos metalinės vartų gamybos procesus, padidindamas vidutinį laiką tarp įrenginių gedimų apytikriai 41 %.

Pramonės reikalavimas: švariosios patalpos klasės šiluminė stabilumas yra pagrindinis reikalavimas

SEMI F47-0724 naujinimas reikalauja šaldytuvų temperatūros stabilumo ±0,1 °C sub-2 nm logikos ir HBM3 gamybos procesuose.

Šaldytuvai, užtikrinantys temperatūros stabilumą ±0,1 °C ribose, skirti sub-2 nm loginių mikroschemų ir HBM3 gamybos procesams – tai naujausios F47-0724 standartų versija. Kokia šio reikalavimo paskirtis? Gamyklos jau seniai žino, kad net mažiausi temperatūros pokyčiai – mažesni nei 0,1 °C – sukelia 0,3 nm matmenų paklaidas, kurios sukelia įvairiausių problemų sudėtingose atminties stulpelių struktūrose. Dėl beveik begalinio atminties sluoksnių skaičiaus aukštos tikslumo šaldytuvai dabar yra būtini pažangios gamybos sąlygų užtikrinimui, o didžioji dauguma anksčiau dėl temperatūros svyravimų reikalavusių visų kamerų pakartotinės kvalifikacijos padėties (overlay) problemų išnyko. Realioje gamybos praktikoje duomenys rodo, kad jei klientas pasiekia temperatūros stabilumo tikslą ±0,1 °C, tai sukelia mažiau nei 18 % defektų. Taigi šiuo metu švaraus kambario temperatūros kontrolė tapo tokia pat svarbi kaip ir dalelių kiekio kontrolė.

DUK

Kokia yra šiluminės stabilumo reikšmė puslaidininkių gamyboje? Šiluminė stabilumas yra svarbus, nes net nedideliai temperatūros pokyčiai gali sukelti rimtus defektus, dėl ko sumažėja išeiga ir padidėja gamybos kaštai.

Kokia yra aukštos tikslumo aušintuvų reikšmė palaikant šiluminę stabilumą?

Aukštos tikslumo aušintuvai palaiko šiluminę stabilumą pašalindami nepageidaujamus temperatūros svyravimus gamybos aplinkoje, kad mikroschemos būtų gaminamos su kuo mažesniais nuokrypiais nuo nustatytų ribų.

Kokias naudas gamybos įmonės gauna turėdamos pažangias šiluminio valdymo sistemas?

Pažangios šiluminio valdymo sistemos leidžia gamybos įmonėms sutrumpinti šiluminio atstatymo laiką, padidinti pralaidumą ir pagerinti gaminių kokybę, užtikrindamos puslaidininkių plokštelių tikslų išdėstymą bei mažindamos jų defektus.