Почему холодильные агрегаты для охлаждения полупроводниковых фабрик являются обязательным элементом на производственных предприятиях?

Тонкости обеспечения термостабильности при фотолитографии с нормой транзисторов менее 7 нм и в устройствах EUV.

Для создания полупроводниковых структур размером менее 7 нм необходимо обеспечить контроль и управление уровнем тепловой нестабильности, практически недостижимым на практике. Системы литографии с использованием экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) должны функционировать при температуре, стабилизированной с точностью ±0,01 °C. Это эквивалентно поддержанию температуры всего бассейна в пределах ±0,0005 °C. При экстремально малых размерах колебания температуры вызывают тепловое расширение и сжатие оптических линз и стадий для кремниевых пластин, что приводит к (а) отклонениям от заданного топологического рисунка (крайне точных световых путей, необходимых для экспонирования мелких элементов) и (б) разрушению световых путей. Подобные трудности возникают и при иммерсионной литографии. Всего лишь изменение температуры на 0,1 °C вызывает колебания показателя преломления иммерсионной жидкости. Кроме того, это приводит к потере фокусировки рисунков. Это неумолимый — и, по сути, наиболее значимый — фактор, который следует учитывать при работе с новыми EUV-модулями питания, плотность мощности которых превышает 500 кВт/м². Если тепло не будет стабилизировано с высокой степенью точности, основная цель нанометрового производства будет достигнута, однако полученные электронные компоненты окажутся дефектными.

Технологические последствия термического дрейфа, вызванного чиллерами, для точности наложения в производстве полупроводников

Системы чиллеров в производстве полупроводников оказывают уникальное влияние на точность наложения — параметр, характеризующий степень совмещения нескольких слоёв кремния. Температура этих чиллеров воздействует на пластины таким образом, что каждое термически индуцированное изменение температуры чиллера вызывает расширение кремниевых пластин со скоростью до 2,6 мкм/м. При диаметре пластин 300 мм такое расширение может привести к смещению слоёв относительно друг друга на величину до 3 нм. Современные процессы изготовления чипов с техпроцессом 5 нм допускают лишь 1,7 нм смещения слоёв пластин. Также важно подчеркнуть влияние термического дрейфа на литографическую стадию работы оборудования. Как отмечают инженеры, такие дрейфы вызывают «механическое ползучее смещение» литографического оборудования, вследствие чего изначально гипотетически незначительные погрешности позиционирования оборудования постепенно увеличиваются с каждым циклом его эксплуатации.

При нарушении совмещения слоёв могут возникать серьёзные проблемы, например, короткое замыкание или разрывы в цепи. Такие дефекты приводят к тому, что производители теряют примерно 740 000 долларов США каждый час (Институт Понемона, 2023 г.). Современные передовые холодильные установки оснащены интеллектуальной системой управления нагрузкой и способны поддерживать стабильность температуры в пределах ±0,005 °C. Это позволяет изготавливать полупроводники с критически важной точностью ±0,15 нм, необходимой для достижения высокого выхода годных изделий.

Стандарты чистых помещений и чистоты жидкостей в полупроводниковой промышленности

Целостность жидкостного контура и контроль частиц

Чиллеры, используемые в системах охлаждения на заводах по производству полупроводников, должны соответствовать стандартам ISO классов 1–4, чтобы не нарушать процессы экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV) и другие этапы производства. Любые воздушные загрязнители размером более 0,1 мкм создают проблемы при позиционировании сверхмалых подзатворных структур с размерами менее 5 нм на кремниевых пластинах. Современные системы чиллеров оснащены полностью герметичными контурами хладагента и изготавливаются из высококачественной нержавеющей стали, аналогичной той, что применяется при производстве хирургических инструментов, что минимизирует риск загрязнения. Эти чиллеры оснащены передовыми фильтрами для удаления молекулярных загрязнителей, а также HEPA-фильтрами, обеспечивающими поддержание положительного перепада давления и концентрации воздушных загрязнителей ниже 1 частицы на кубический метр при размере частиц 0,1 мкм. Такие экстремальные меры гарантируют, что литографические машины ASML не подвергаются воздействию загрязнителей, способных ухудшить оптические характеристики этих машин. Уровень дефектов на кремниевых пластинах контролируется на уровне ниже 0,01 дефекта на квадратный сантиметр. Стоимость таких машин превышает два миллиона долларов США, и они чрезвычайно чувствительны к осаждению веществ на оптических поверхностях.

Выбор коррозионно-стойких материалов и соответствие требованиям к деионизированной воде (≥18,2 МОм·см)

Охлаждающие чиллеры для полупроводниковых фабрик должны обеспечивать системы ультрачистой воды (UPW) со всеми точками теплопередачи, имеющими удельное электрическое сопротивление выше 18,2 МОм·см (т.е. содержание ионных примесей менее 0,000001 %). Стандартные промышленные чиллеры здесь неприменимы из-за гальванической коррозии в сплавах меди и никеля, приводящей к выделению металлов в контуры охлаждающей жидкости. В результате решения нового поколения проектируются с использованием:

- Электрополированных жидкостных контуров из нержавеющей стали марок 316L/904L.
- Пассивирующих слоёв, не отслаивающихся в виде оксида железа.
- Неметаллических уплотнений (Kalrez® FFKM), устойчивых к термоциклированию.

Такая конструкция предотвращает падение удельного сопротивления ниже 18,0 МОм·см, вызывающее помутнение пластин — дефект, стоимость которого составляет 740 тыс. долл. США на каждый случай (отчёт SEMI «Ключевые факторы потерь выхода при производстве изделий по передовым техпроцессам», 2023 г.). По сравнению с системами фармацевтического класса, чиллеры для полупроводниковой промышленности должны также выдерживать проникновение травильных химических реагентов, например плавиковой кислоты (HF), через интерфейсы оборудования.

Повышение срока службы оборудования и улучшение выхода продукции с использованием надёжных чиллеров для охлаждения полупроводниковых фабрик

Оценка потерь выхода: погрешность ±0,3 °C и её связь с дефектами (SEMI F47)

Существует множество причин поддержания постоянной температуры на полупроводниковой фабрике, например, концентрация дефектов. Дефекты являются «смертельными» (killer defects), и, согласно стратегии управления дефектами в полупроводниковой отрасли (проект стандарта SEMI F47), их устранение является важнейшим стимулом. Если фабрика не соответствует стандарту SEMI F47, из-за «смертельных» дефектов она будет производить на 1,5–3 % меньше чипов на каждые 100 пластин. Вся потраченная впустую кремниевая пластина представляет собой значительные финансовые потери для фабрики; однако реальная стоимость колебаний температурного режима — это износ оборудования и связанное с ним увеличение затрат на техническое обслуживание. Оборудование, такое как лазеры экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) и травильные камеры, особенно чувствительно к термическим циклам и подвержено явлению, называемому термической усталостью, что приводит к росту затрат на техническое обслуживание и простои на 18 %.

Вот почему современные производственные предприятия тратят деньги на системы охлаждения, способные поддерживать температуру в пределах плюс-минус 0,05 градуса Цельсия. Такая точность предотвращает сбои, защищает оборудование стоимостью в миллионы долларов и обеспечивает стабильный уровень производства, необходимый руководителям заводов для поддержания здоровой прибыли.

Правильный подбор и адаптация промышленных чиллеров под динамические технологические нагрузки

При охлаждении предприятий по производству полупроводников тепловые требования отличаются. Системы охлаждения с использованием чиллеров должны быть точно рассчитаны по мощности и адаптированы под конкретные задачи; в противном случае возникнут всевозможные проблемы. Чиллеры избыточной мощности будут слишком часто включаться и выключаться, что со временем приведёт к неоправданным потерям энергии и преждевременному износу компонентов, отвечающих за пуск и остановку. Чиллеры недостаточной мощности не смогут поддерживать критически важный диапазон температур ±0,3 °C при резких скачках нагрузки. Это вызывает температурные колебания при производстве критически важных микросхем, а, как известно, температура является одним из ключевых факторов качества. Для решения этой задачи применяются специализированные системы охлаждения и интеллектуальные ПИД-регуляторы, которые автоматически корректируют уровень охлаждения в зависимости от изменяющихся условий. В сочетании с интеллектуальными ПИД-регуляторами и специальными материалами с фазовым переходом, выполняющими функцию демпферов термических ударов, инженеры получают оптимальное решение для минимизации брака и экономии энергии. Потребители отмечают снижение энергопотребления на 25–30 % по сравнению со стандартными чиллерами постоянной мощности.

Часто задаваемые вопросы  

Почему термическая стабильность имеет решающее значение при производстве полупроводников?

Стабильность температуры имеет решающее значение при производстве полупроводников, поскольку колебания температуры могут привести к неточности технологического процесса, в результате чего возникают дефектные и плохо функционирующие компоненты.

Каковы последствия теплового дрейфа, вызванного чиллерами?

Тепловой дрейф, вызванный чиллерами, может привести к нарушению совмещения кремниевых слоёв. Это, в свою очередь, может вызвать короткие замыкания в кремнии и увеличение производственных затрат из-за задержек в выпуске продукции.

Каким образом современные чиллеры способствуют соблюдению стандартов чистых помещений и чистоты теплоносителя?

Современные чиллеры способствуют соблюдению стандартов чистых помещений за счёт использования герметичных контуров хладагента и антикоррозионных материалов, исключающих загрязнение и сохраняющих целостность микросхемы.