EN
Precisie temperatuurregeling: het elimineren van microdefecten bij lithografie en etsen
Waarom is een stabiliteit van ±0,1 °C onverhandelbaar voor lithografie onder de 7 nm en etsen met een hoge aspectverhouding
Bij sub-7 nm-procesknooppunten kunnen thermische variaties van meer dan ±0,1 °C leiden tot aanzienlijke afmetingsveranderingen. Dit is te wijten aan fotochemische reacties op EUV-lithografie. Onderzoeken hebben aangetoond dat thermische variaties van 0,1 °C een toename van ongeveer 0,15 nm in afmetingen kunnen veroorzaken (Casestudies over thermische techniek, 2023). Instabiliteiten bij het etchen met een hoge aspectverhouding kunnen leiden tot ongelijke wandhoeken, wat de weerstand van de via met ongeveer 18% verhoogt en de opbrengst per wafer met 3–5% verlaagt. Dit verklaart waarom de meeste fabrikanten zijn begonnen met de invoering van dubbele koelcircuitkoelers voor halfgeleiders. Deze systemen met dubbele lus beschikken over onafhankelijke koelmiddelcircuits die thermische schokken van afzonderlijke procesapparatuur opnemen. Deze systemen presteren aanzienlijk beter dan traditionele systemen met één circuit, die last hebben van grote thermische schommelingen als gevolg van plotselinge wijzigingen in de belasting van de apparatuur. Dit is vooral belangrijk bij sub-7 nm-bewerking, waarbij uiterst hoge structuren met een hoge aspectverhouding (100:1) worden gecreëerd. Normale thermische vertragingen kunnen aanzienlijke conische afwijking (taper) op de wafer veroorzaken.
Hoe thermische drift fotoresist-schilfering, randruwheid van lijnen en overlayfouten veroorzaakt
Thermische drift en fotoresistbelichting activeren deze drie onderling gerelateerde foutmodi:
1. Schilfering: Onontwikkelde restanten blijven achter in 12 nm diepe groeven wanneer de koelsnelheid niet wordt geregeld en daalt tot onder 0,1 °C/s
2. Randruwheid van lijnen (LER): Bij de post-expositiebaking neemt de ruwheid toe met 40% bij temperatuurschommelingen van meer dan 0,3 °C (Precis. Eng. 2017)
3. Overlayfouten: Bij elke temperatuurverschuiving van 0,1 °C veroorzaakt differentiële uitzetting in siliciumwafer en reticles een misalignement van 0,25 nm
Deze defecten zijn gezamenlijk verantwoordelijk voor 62% van het parametrische opbrengstverlies bij 5 nm nodes. Met dubbele-circuitkoelinstallaties die kruisbesmetting tussen thermische zones voorkomen, kunnen etskamers een stabiliteit behouden van ±0,05 °C, terwijl lithografietools op vrij te kiezen instelpunten kunnen werken.
Onafhankelijke dubbele-circuitkoeling: mogelijk maakt gelijktijdige ondersteuning van meerdere processen
Afzonderlijke koeltools — bijvoorbeeld 12 °C-waferreinigers en 65 °C-snelsverwarmingsprocessoren — zonder interferentie tussen kanalen
Het beheersen van extreme temperatuurverschillen is zeer cruciaal in de moderne halfgeleiderproductie. Terwijl wafelreinigers moeten werken bij ongeveer 12 graden Celsius om verontreiniging van de wafels te voorkomen, moeten snelle thermische processors werken bij 65 graden Celsius om dopanten correct te activeren. Door de temperatuurverschillen ontstaan er problemen bij standaardkoelmachines met slechts één circuit, waarbij 'koude' onderdelen warmte opnemen van de 'hete' processen, wat leidt tot een snelle temperatuurverandering van plus of min 3 tot 5 graden. Daarom worden dubbele-circuitkoelmachines steeds vaker een noodzakelijkheid. Dubbele-circuitkoelmachines koelen de leidingen volledig af, waardoor een volledige scheiding van de koelmiddelen mogelijk is. Elke zijde beschikt over een eigen compressor en regelapparatuur. De ene zijde houdt de reinigers op 12,2 graden Celsius, terwijl de andere zijde de RTP-apparatuur op 65,3 graden Celsius houdt. Deze scheiding van de koeling stopt bijna volledig ongewenste energieoverdracht tussen de circuits. Dit resulteert in minder problemen met onvoldoende resistverwijdering in de reinigers en betere uniformiteit van de dopantactivering in de RTP. Zoals vorig jaar gemeld in Semiconductor Engineering, heeft deze methode het apparaatgebruik met ongeveer 22 % verbeterd en opbrengstproblemen verminderd die samenhangen met het gelijktijdig uitvoeren van meerdere processen.
Laten we ontspannen zonder onderbreking
Halfgeleiders zijn ontworpen om gevoelig te zijn voor temperatuur. We koelen ze zorgvuldig af om temperatuurschommelingen te voorkomen, waarbij we de temperatuur nauwkeurig moeten handhaven op slechts ± 0,1 °C. Om onderhoud aan temperatuurregelkringen uit te voeren — één tegelijk — maken dubbele koelcircuits het mogelijk dat het systeem naadloos tussen de circuits overschakelt om de temperatuur te regelen. Duizenden dollars aan verlies van wafers worden bespaard. Zelfs onderhoudsactiviteiten die normaal gesproken tot stilstand van de koelinstallaties leiden — zoals het bijvullen van koelmiddel of reparatie van pompen — veroorzaken geen productiestoring. Voor lithografieprocessen, waarbij slechts minimale temperatuurschommelingen toegestaan zijn, is deze bescherming uiterst kritiek.
Waarom leiden dubbele koelcircuits voor halfgeleiders tot een aanzienlijke vermindering van de MTTR vergeleken met eerdere generaties met enkelvoudige circuits?
Door onafhankelijke koelcircuits kunnen onderhoudsteams problemen in bepaalde regio’s of gebieden aanpakken zonder dat het gehele systeem hoeft te worden stilgelegd, wat resulteert in bijna een 40% vermindering van de gemiddelde hersteltijd (MTTR). Dit staat in scherp contrast met oudere systemen met één enkel circuit. Het opsporen van fouten geschiedt in een fractie van de tijd (ongeveer 66% sneller). Bij het aanpakken van een storing zijn technici toegewezen aan dat specifieke defecte circuit, terwijl de rest van het systeem blijft draaien op de vereiste instelpuntwaarde. Bij oudere systemen was zelfs voor klein onderhoud een volledige stillegging van het systeem vereist. Het parallelle circuitsontwerp biedt operators drie belangrijke voordelen die gericht zijn op het maximaliseren van de uptime:
- Het vermogen om onderhoud uit te voeren terwijl het systeem in bedrijf is
- Modulaire opbouw van de systeemcomponenten
- Duidelijke zone-indeling om problemen snel te identificeren
Dit ontwerp optimaliseert de uptime en de algehele systeemeffectiviteit. De OEE wordt positief beïnvloed, aangezien onderhoudstaken die doorgaans leiden tot een systeemstop, zoals vervanging van de compressor en reiniging van de spoelen, worden uitgevoerd.
Totale eigendomskosten en invloed op opbrengst: Berekening van de ROI van halfgeleiderkoelers met dubbele circuit
De initiële aanschafprijs van koelinstallaties met één circuit kan lager zijn, maar vanuit elk oogpunt blijken koelinstallaties voor halfgeleiders met twee circuits uiteindelijk goedkoper uit te pakken dankzij operationele besparingen en de bescherming van de productieopbrengst. De ingebouwde redundantie beschermt de koelinstallaties tegen schadelijke temperatuurschommelingen. Volgens een rapport in Semiconductor Digest vorig jaar kan slechts één uur temperatuurafwijking tijdens het etsproces wafers ter waarde van $740.000 vernietigen. Naast de operationele besparingen zijn ook de onderhoudskosten lager. Het Facilities Engineering Journal meldde in 2023 dat systemen van dit type 41% minder onderhoud vereisen. Er is een vermindering van 30% in temperatuurgerelateerde herwerkingsactiviteiten en daardoor een stijging van de operationele efficiëntie met 30%, als gevolg van een vermindering van energieverlies door temperatuurgerelateerde herwerking. Veel fabrikanten schatten, rekening houdend met alle bovengenoemde factoren, dat hun totale eigendomskosten over een periode van vijf jaar gemiddeld 18% lager zijn dan bij eerdere modellen. Het meest opmerkelijke is echter de snelheid waarmee de initiële investering wordt terugverdiend: veel productiefaciliteiten met een hoge productiecapaciteit realiseren een terugverdientijd van slechts 14 tot 26 maanden, dankzij de stijging van de Overall Equipment Effectiveness (OEE) met 22%.
Veelgestelde vragen
Waarom is een temperatuurstabiliteit van ±0,1 °C cruciaal in de productie van halfgeleiders?
Sub-7 nm-lithografie en etchprocessen met een hoge aspectverhouding zijn uiterst gevoelig; zelfs minimale thermische variaties kunnen leiden tot afmetings- en structurele onvolkomenheden, wat negatief uitpakt voor opbrengst en prestaties.
Hoe verbeteren tweecircuitkoelinstallaties de productie van halfgeleiders?
Tweecircuitkoelinstallaties maken nauwkeurigere temperatuurregeling mogelijk en verminderen onderhoudsproblemen dankzij het voorkomen van thermische besmetting door onafhankelijke koelcircuits.
Wat zijn de kostenvoordelen van tweecircuitkoelinstallaties?
De kosten van tweecircuitkoelinstallaties zijn gerechtvaardigd door de besparingen die voortvloeien uit verbeterde energie-efficiëntie, lagere onderhoudskosten, bescherming tegen opbrengstverlies door temperatuurschommelingen en een snelle terugverdientijd.