Waarom zijn koelchillers voor halfgeleiderfabrieken essentieel in productie-installaties?

De fijne nuances van thermische stabiliteit voor fotolitografie onder de 7 nm en EUV-apparatuur.

Om halfgeleiderstructuren kleiner dan 7 nm te bouwen, is het noodzakelijk om een mate van warmtevariatie te kunnen beheersen en regelen die bijna onbereikbaar is. Extreme Ultraviolet (EUV)-lithografiesystemen moeten werken bij een temperatuur die stabiel is tot ± 0,01 °C. Dit komt overeen met het stabiliseren van de temperatuur van een geheel zwembad op een niveau van ± 0,0005 °C. Bij extreem kleine afmetingen leiden temperatuurschommelingen tot thermische uitzetting en krimp van lensmaterialen en waferstages, wat resulteert in (a) afwijkingen van de vooraf bepaalde lay-out (de zeer precieze lichtpaden die nodig zijn om een klein kenmerk te belichten) en (b) instorting van de lichtpaden. Dergelijke uitdagingen treden ook op bij onderdompelinglithografie. Een temperatuurschommeling van slechts 0,1 °C leidt tot variaties in de brekingsindex van de vloeistof. Bovendien leidt dit tot een ontregelde focus van de patronen. Dit is een onvermijdelijk en in feite het belangrijkste aspect om te overwegen in verband met de nieuwe EUV-vermogensmodules met een vermogensdichtheid van meer dan 500 kW/m². Indien de warmte niet met een zeer hoge precisie wordt gestabiliseerd, zal het primaire doel van nanometerschaal-productie weliswaar bereikt worden, maar zullen de elektronische componenten defect zijn.

Technologische gevolgen van door koelinstallaties veroorzaakte thermische drift op de overlaynauwkeurigheid in de halfgeleiderproductie

Koelinstallaties in de halfgeleiderproductie hebben een uniek effect op de overlaynauwkeurigheid, oftewel de precisie waarmee meerdere siliciumlagen worden uitgelijnd. De temperatuur van deze koelinstallaties beïnvloedt de wafers op een manier waarbij elke thermisch geïnduceerde graad van de koelinstallaties de siliciumwafers doet uitzetten met snelheden tot 2,6 μm/m. Bij wafers met een diameter van 300 mm kan deze uitzetting leiden tot een uitlijningfout van maximaal 3 nm. Geavanceerde 5 nm-chipproductieprocessen tolereren slechts 1,7 nm uitlijningfout van de waferlagen. Het is ook belangrijk om het effect te benadrukken dat thermische drift heeft op de lithografiefase van de apparatuur. Zoals ingenieurs het formuleren, hebben deze drifts een oorzakelijk effect op de ‘mechanische kruip’ bij gebruik van de lithografieapparatuur, waardoor de reeds hypothetisch kleine positioneringsonnauwkeurigheden van de apparatuur steeds groter worden naarmate deze vaker wordt gebruikt.

Wanneer lagen uitlijning optreden, kunnen ernstige problemen ontstaan, zoals kortsluiting of openingen in de schakeling. Dergelijke gebreken leiden ertoe dat fabrikanten ongeveer $740.000 per uur verliezen (Ponemon Institute, 2023). Geavanceerde moderne koelinstallaties beschikken over slim belastingbeheer en kunnen temperatuurstabiliteit handhaven binnen +/- 0,005 graden Celsius. Dit maakt het mogelijk om halfgeleiders te produceren met de kritieke nauwkeurigheid van +/- 0,15 nm die nodig is voor een goede opbrengst.

Normen voor cleanrooms en vloeistofzuiverheid in de halfgeleiderindustrie

Integriteit van het vloeistofpad en deeltjescontrole

Koelmachines die worden gebruikt in koelsystemen voor fabrieken voor halfgeleiderproductie moeten voldoen aan ISO-klasse 1-4 om extreme ultraviolette lithografie (EUV) en andere productiestappen niet te compromitteren. Elke luchtgedragen verontreiniging groter dan 0,1 micron zou problematisch zijn bij het richten op uiterst kleine sub-5-nanometer wafers. Moderne koelmachinesystemen hebben volledig afgesloten koelmediumpaden en zijn vervaardigd uit hoogwaardig roestvrij staal, vergelijkbaar met dat van chirurgische instrumenten, om verontreiniging tot een minimum te beperken. Deze koelmachines maken gebruik van geavanceerde moleculaire verontreinigingsfilters en HEPA-filters om te waarborgen dat de positieve drukverschillen en luchtgedragen verontreinigingen minder dan 1 per kubieke meter bedragen bij 0,1 micron. Deze extreme maatregelen zorgen ervoor dat ASML-lithografiemachines niet worden beïnvloed door verontreinigingen die de optica van de lithografiemachines zouden aantasten. Het defectpercentage van wafers wordt beheerd op minder dan 0,01 per vierkante centimeter. Deze machines kosten meer dan twee miljoen dollar en zijn zeer gevoelig voor optische afzetting.

Selectie van corrosiebestendige materialen en conformiteit met gezuiverd water (≥18,2 MΩ·cm)

Koelchillers voor halfgeleiderfabrieken moeten ultrazuiver-water (UPW)-systemen leveren waarbij alle thermische overdrachtpunten een weerstand hebben van >18,2 MΩ·cm (d.w.z. >99,999999% vrij van ionische verontreinigingen). Standaard industriële chillers zijn hier niet geschikt vanwege galvanische corrosie in koper-nikkellegeringen, waardoor metalen in de koelvloeistofcircuits worden vrijgegeven. Daarom zijn nieuwere oplossingen ontworpen met:

- Elektrogepolijste 316L/904L-roestvrijstalen vloeistofcircuits.
- Passiveringslagen die geen ijzeroxide afgeven.
- Niet-metalen (Kalrez® FFKM) afdichtingen die bestand zijn tegen thermische cycli.

Dit ontwerp voorkomt een daling van de weerstand tot <18,0 MΩ·cm, wat waferverduistering veroorzaakt — een defect dat per incident €740.000 kost (SEMI Benchmarkrapport, Oorzaken van opbrengstverlies bij fabricage op geavanceerde nodes, 2023). In vergelijking met farmaceutische systemen moeten halfgeleiderchillers bovendien bestand zijn tegen permeatie van etschemicaliën, zoals HF, via de apparatuuraansluiting.

Verlenging van de levensduur van apparatuur en verbetering van de opbrengst met betrouwbare koelchillers voor halfgeleiderfabrieken

Beoordeling van opbrengstverlies: een afwijking van ± 0,3 °C en de relatie met defecten (SEMI F47)

Er zijn vele redenen om een halfgeleiderfabriek op een constante temperatuur te houden, zoals bijvoorbeeld de concentratie van defecten. Defecten zijn 'killer defects' en volgens de strategie voor defectbeheer in de halfgeleiderindustrie (ontwerpstandaard SEMI F47) is het elimineren van dergelijke defecten een sterke drijfveer. Indien een fabriek niet voldoet aan de SEMI-F47-normen, leidt dit tot 1,5–3% minder chips per 100 wafers als gevolg van killer defects. Al die verspilde silicium vertegenwoordigt een aanzienlijk financieel verlies voor een fabriek, maar de werkelijke kosten van wisselende thermische omstandigheden liggen in slijtage van de apparatuur en de daarmee gepaard gaande stijging van onderhoudskosten. Apparatuur zoals extreme-ultraviolet (EUV)-lasers en etskamers is bijzonder gevoelig voor thermische cycli en onderhevig aan een verschijnsel dat thermische vermoeidheid wordt genoemd, wat leidt tot een stijging van de onderhoudskosten en stilstandtijd met 18%.

Daarom besteden moderne productieinstallaties geld aan koelsystemen die de temperatuur binnen een bereik van plus of min 0,05 graden Celsius kunnen handhaven. Een dergelijke precisie voorkomt storingen, beschermt apparatuur ter waarde van miljoenen dollars en zorgt voor consistente productieniveaus die fabrieksmanagers nodig hebben om gezonde winsten te ondersteunen.

Juiste afmeting en aanpassing van industriële koelmachines voor dynamische procesbelastingen

Bij het koelen van een fabriek voor halfgeleiderproductie verschillen de thermische vereisten. Koelwaterkoeling moet precies op maat zijn; indien dit niet het geval is, ontstaan allerlei problemen. Te grote koelmachines schakelen te vaak in en uit, waardoor op de lange termijn energie wordt verspild en de componenten die te vaak worden inge- en uitgeschakeld, sneller defect raken. Te kleine koelmachines kunnen geen kritieke temperatuurbereik van ±0,3 °C handhaven bij piekbelasting. Dit leidt tot temperatuurschommelingen bij de productie van kritieke chips; en zoals bekend is temperatuur een belangrijke kwaliteitsfactor. Om dit tegen te gaan passen op maat gebouwde systemen en slimme PID-regeltechnologie de koelcapaciteit aan naarmate de omstandigheden veranderen. Door slimme PID-regeltechnologie te combineren met speciale fasewisselmaterialen als thermische schokdemper, beschikken ingenieurs over de juiste combinatie om afwijkingen tot een minimum te beperken en energie te besparen. Klanten rapporteren besparingen van 25 tot 30 procent ten opzichte van standaard koelmachines met vaste capaciteit.

Veelgestelde vragen  

Waarom is thermische stabiliteit essentieel in de fabricage van halfgeleiders?

Temperatuurstabiliteit is essentieel bij de fabricage van halfgeleiders, omdat temperatuurschommelingen kunnen leiden tot een onnauwkeurig fabricatieproces van halfgeleiders, wat resulteert in defecte en slecht functionerende componenten.

Wat zijn de gevolgen van thermische drift veroorzaakt door koelmachines?

Thermische drift veroorzaakt door koelmachines kan leiden tot misuitlijning van siliciumlagen. Dit kan op zijn beurt leiden tot kortsluitingsdefecten in silicium en hogere productiekosten als gevolg van productievertragingen.

Op welke manier helpen moderne koelmachines bij het behalen van cleanroom- en vloeistofzuiverheidsnormen?

Moderne koelmachines dragen bij aan het behalen van cleanroomnormen door gebruik te maken van afgesloten koelmiddelcircuits en corrosiebestendige materialen die geen verontreiniging toelaten, waardoor de integriteit van de chip wordt behouden.