Kāpēc pusvadītāju ražošanas rūpnīcās ir būtiski pusvadītāju ražošanas dzesēšanas šķidruma dzesētāji?

Termiskās stabilitātes nianses zem 7 nm fotolitogrāfijā un EUV ierīcēs.

Lai izveidotu pusvadītāju struktūras, kas ir mazākas par 7 nm, ir nepieciešams spēt kontrolēt un pārvaldīt siltuma svārstību līmeni, kas ir gandrīz neiespējams sasniegt. Ekstrēmās ultravioletās (EUV) litogrāfijas sistēmām ir jādarbojas temperatūrā, kas stabila ±0,01 °C robežās. Tas ir ekvivalents tam, ka visu peldbaseina temperatūru uzturētu stabila ±0,0005 °C robežās. Ekstrēmi mazos izmēros temperatūras svārstības izraisa objektīva materiālu un krelles fāzes termisku izplešanos un sarukšanu, kas noved pie (a) novirzīšanās no iepriekš noteiktā izkārtojuma (tieši precīzajiem gaismas ceļiem, kas nepieciešami, lai eksponētu mazu elementu) un (b) gaismas ceļu sabrukšanas. Šādas problēmas rodas arī iegremdēšanas litogrāfijā. Pat tikai 0,1 °C temperatūras svārstība izraisa šķidruma laušanas koeficienta svārstības. Turklāt tā izraisa attēlu neattēlotības stāvokli. Tas ir nepārtraukts un, patiesībā, nozīmīgākais faktors, ko jāņem vērā saistībā ar jaunajām EUV jaudas moduļiem, kuru jaudas blīvums pārsniedz 500 kW/m². Ja siltums netiek uzturēts ļoti augstā precizitātē, nanometru mēroga ražošanas galvenais mērķis būs sasniedzams, tomēr iegūtās elektroniskās komponentes būs defektīvas.

Dzesētāju izraisīto temperatūras svārstību tehnoloģiskā ietekme uz pārklājuma precizitāti pusvadītāju ražošanā

Pusvadītāju ražošanā izmantotajās dzesētāju sistēmās ir unikāla ietekme uz pārklājuma precizitāti — precizitāti, ar kādu tiek izlīdzinātas vairākas silīcija kārtas. Šo dzesētāju temperatūra ietekmē plāksnītes tādā veidā, ka katrs dzesētāju izraisītais temperatūras grāds izraisa silīcija plāksnīšu izplešanos līdz pat 2,6 μm/m. Plāksnīšu diametrā 300 mm izplešanās var izraisīt līdz pat 3 nm lielu neatbilstību plāksnīšu izlīdzinājumā. Uzlabotajos 5 nm čipu ražošanas procesos atļautā neatbilstība plāksnīšu kārtās ir tikai 1,7 nm. Ir arī svarīgi uzsvērt termiskās svārstības ietekmi uz aprīkojuma litogrāfijas posmu. Kā to izsaka inženieri, šīs svārstības izraisa litogrāfijas aprīkojuma „mehānisko rāpošanu“, kas liek jau hipotētiski nelielajām aprīkojuma pozicionēšanas neprecizitātēm kļūt arvien lielākām ekspluatācijas laikā.

Kad notiek slāņu nobīde, var rasties nopietnas problēmas, piemēram, īssavienojumi vai spraugas shēmās. Šādas defekti rada ražotājiem aptuveni 740 000 ASV dolāru zaudējumus katrā stundā (Ponemon institūts, 2023). Modernākajiem augstas veiktspējas dzesētājiem ir inteliģenta slodzes pārvaldība, un tie spēj uzturēt temperatūras stabilitāti ar precizitāti ±0,005 °C. Tas ļauj pusvadītāju ražošanu ar kritisko precizitāti ±0,15 nm, kas nepieciešama, lai sasniegtu labus iznākumus.

Tīrības telpu un šķidrumu tīrības standarti pusvadītāju ražošanā

Šķidruma ceļa integritāte un daļiņu kontrole

Aukstuma iekārtas, ko izmanto dzesēšanas sistēmās pusvadītāju ražošanas rūpnīcās, jāuztur ISO klases 1–4 standartos, lai nepasliktinātu ārkārtīgi ultravioletās litogrāfijas (EUV) un citas ražošanas stadijas. Jebkurš gaisā esošs piesārņojums, kas ir lielāks par 0,1 mikronu, radītu problēmas, mērķējot ārkārtīgi mazus, mazākus par 5 nanometriem, silīcija plāksnītes. Mūsdienīgās aukstuma iekārtu sistēmas ir pilnībā noslēgtas attiecībā uz aukstumnesēja caurulēm un izmanto augstas kvalitātes nerūsējošā tērauda konstrukciju, līdzīgu operāciju instrumentiem, lai minimizētu piesārņojumu. Šīs aukstuma iekārtas izmanto modernas molekulārās piesārņojuma filtrēšanas sistēmas, kā arī HEPA filtrus, lai nodrošinātu pozitīvu diferenciālo spiedienu un gaisā esošo piesārņojumu līmeni zem 1 vienības uz kubikmetru pie 0,1 mikrona. Šādas ārkārtīgas pasākumi nodrošina, ka ASML litogrāfijas mašīnas netiek ietekmētas ar piesārņojumu, kas varētu pasliktināt šo litogrāfijas mašīnu optisko sistēmu. Defektu biežums silīcija plāksnītēs tiek kontrolēts zem 0,01 defektiem uz kvadrātcentimetru. Šīs mašīnas maksā vairāk nekā divus miljonus ASV dolāru un ir ārkārtīgi jutīgas pret optisko nogulsnēm.

Korozijai izturīgu materiālu izvēle un deionizēta ūdens atbilstība (≥18,2 MΩ·cm)

Pusvadītāju ražošanas telpu dzesēšanas šķidruma dzesētājiem jānodrošina ultratīra ūdens (UPW) sistēmas ar visiem siltuma pārnese punktiem, kuru pretestība ir >18,2 MΩ·cm (t.i., jonu piesārņojumu līmenis ir <99,999999%). Standarta rūpnieciskie dzesētāji šeit nav piemēroti, jo var rasties galvaniskā korozija vara-nikela sakaitēs, kas izdala metālus dzesēšanas šķidruma ciklos. Tāpēc nākamās paaudzes risinājumi ir izstrādāti ar:

- Elektropolētām 316L/904L nerūsējošā tērauda šķidruma kontūrām.
- Pasivācijas kārtām, kas neizdalās kā dzelzs oksīds.
- Ne-metāliskām (Kalrez® FFKM) blīvēm, kas iztur termisko ciklēšanu.

Šāda konstrukcija novērš pretestības kritumu zem 18,0 MΩ·cm, kas izraisa virsmas miglošanos uz pusvadītāju plāksnītēm — defekts, kura izmaksas ir 740 000 USD vienā gadījumā (SEMI standartu ziņojums, „Izdošanas zudumu cēloņi jaunākajās ražošanas mezglu tehnoloģijās”, 2023. gads). Salīdzinot ar farmaceitiskās klases sistēmām, pusvadītāju dzesētājiem jāiztur arī ķīmisko reaģentu (piemēram, HF) izsmelšanās caur aprīkojuma savienojumiem.

Iekārtu kalpošanas laika pagarināšana un ražīguma uzlabošana, izmantojot uzticamus pusvadītāju ražošanas telpu dzesēšanas šķidruma dzesētājus

Ražības zuduma novērtējums: ±0,3 °C kļūda un tās saistība ar defektiem (SEMI F47)

Ir daudz iemeslu, piemēram, defektu koncentrācija, kāpēc pusvadītāju ražošanas telpā jāuztur nemainīga temperatūra. Defekti ir «nāvējoši», un, saskaņā ar pusvadītāju industrijas defektu pārvaldības stratēģiju (SEMI F47 projektā), defektu novēršana ir spēcīgs motivators. Ja ražošanas telpa neatbilst SEMI F47 standartiem, tad «nāvējošie» defekti izraisīs 1,5–3 % mazāku čipu skaitu katrā 100 vafelēs. Viss izmesta silīcijs rada lielu finansiālu zaudējumu ražošanas telpai, taču patiesā mainīgo termiskās vides izmaksas ir iekārtu nodilums un saistītās uzturēšanas izmaksu palielināšanās. Iekārtas, piemēram, ārkārtīgi ultravioletie (EUV) lāzeri un traumu kameras, īpaši jutīgas pret termiskajām cikliskām izmaiņām, un tām bieži rodas parādība, ko sauc par termisko nogurumu, kas izraisa 18 % lielākas uzturēšanas izmaksas un darbības pārtraukumus.

Tāpēc modernās ražošanas rūpnīcas iztērē naudu dzesēšanas sistēmām, kas spēj uzturēt temperatūru robežās plus vai mīnus 0,05 grādi pēc Celsija. Šāda precizitāte novērš darbības traucējumus, aizsargā miljonos dolāru vērtu aprīkojumu un nodrošina vienmērīgu ražošanas līmeni, kāds rūpnīcu vadītājiem nepieciešams, lai nodrošinātu veselīgu peļņu.

Rūpniecisko dzesētāju pareizā izmēra noteikšana un pielāgošana dinamiskām procesa slodzēm

Kad dzesē pusvadītāju ražošanas telpu, termiskās prasības atšķiras. Dzesēšanas sistēmai jābūt precīzi izmērotai un pielāgotai — pretējā gadījumā var rasties visdažādākās problēmas. Pārāk lieli dzesētāji bieži ieslēdzas un izslēdzas, kas ilgtermiņā izraisa enerģijas izšķiešanu un komponentu bojāšanos, kuri pārāk bieži ieslēdzas un izslēdzas. Mazāki dzesētāji nevar uzturēt kritisko ±0,3 °C temperatūras diapazonu pie straujas slodzes pieauguma. Tas izraisa kritisko mikroshēmu temperatūras svārstības ražošanas procesā, bet, kā zināms, temperatūra ir viens no galvenajiem kvalitātes faktoriem. Šīm problēmām apkarošanai tiek izmantotas pielāgotas sistēmas un gudra PID vadības tehnoloģija, kas pielāgo dzesēšanas līmeni mainīgajām apstākļu prasībām. Savienojot gudros PID vadības risinājumus ar īpašām fāžu maiņas materiālām kā termiskās trieciena absorbētājiem, inženieri iegūst optimālu kombināciju, lai minimizētu defektus un taupītu enerģiju. Klienti reģistrē enerģijas taupījumu 25–30 procentu apmērā salīdzinājumā ar standarta fiksētas jaudas dzesētājiem.

Bieži uzdavami jautājumi  

Kāpēc termiskā stabilitāte ir vitāli svarīga pusvadītāju ražošanā?

Temperatūras stabilitāte ir būtiska pusvadītāju ražošanā, jo temperatūras svārstības var izraisīt neprecīzu pusvadītāju izgatavošanas procesu, kas rezultātā rada defektīvus un slikti funkcionējošus komponentus.

Kādas ir sekas, ko izraisa aukstuma iekārtu izraisīta termiskā nobīde?

Aukstuma iekārtu izraisītā termiskā nobīde var izraisīt silīcija slāņu nobīdi. Tas savukārt var izraisīt silīcija īssavienojuma defektus un palielināt ražošanas izmaksas, jo rodas ražošanas kavējumi.

Kādā veidā modernās aukstuma iekārtas palīdz sasniegt tīrās telpas un šķidruma tīrības standartus?

Modernās aukstuma iekārtas palīdz sasniegt tīrās telpas standartus, izmantojot noslēgtas aukstumnesēja caurules un korozijas novēršanas materiālus, kas neļauj piesārņojumam nonākt sistēmā un saglabā mikroshēmu integritāti.