EN
Точное регулирование температуры: устранение микродефектов при литографии и травлении
Почему стабильность ±0,1 °C является обязательным требованием для литографии с разрешением менее 7 нм и травления с высоким соотношением глубины к ширине
На технологических узлах с размером элементов менее 7 нм тепловые колебания свыше ±0,1 °C могут приводить к значительным изменениям геометрических размеров. Это обусловлено фотохимическими реакциями при использовании литографии с экстремальным ультрафиолетом (EUV). Исследования показали, что тепловые колебания величиной 0,1 °C могут вызывать увеличение размеров примерно на 0,15 нм (исследования по теплотехнике, 2023 г.). Нестабильность травления при высоком отношении высоты к ширине может приводить к неоднородности углов стенок структур, что повышает сопротивление переходных отверстий (via) примерно на 18 % и снижает выход годных изделий на 3–5 % на пластину. Именно поэтому большинство производителей начали внедрять двухконтурные холодильные установки для полупроводниковых процессов. В таких двухконтурных системах используются независимые контуры хладагента, способные поглощать тепловые удары от отдельных технологических инструментов. Эти системы значительно превосходят традиционные одноконтурные системы, которые страдают от больших тепловых колебаний из-за резких изменений нагрузки на оборудование. Это особенно важно при обработке на узлах менее 7 нм, где создаются чрезвычайно высокие структуры с большим отношением высоты к ширине (100:1). Обычные тепловые задержки могут вызывать заметное сужение профиля структур на пластине.
Как тепловое дрейфование вызывает образование пленки фоторезиста, шероховатость краев линий и ошибки наложения
Тепловое дрейфование и экспонирование фоторезиста запускают эти три взаимосвязанных режима отказа:
1. Образование пленки: нерастворившиеся остатки остаются в траншеях шириной 12 нм при неконтролируемых скоростях охлаждения, снижающихся ниже 0,1 °C/с
2. Шероховатость краев линий (LER): на стадии термообработки после экспонирования шероховатость возрастает на 40 % при колебаниях температуры свыше 0,3 °C (Precis. Eng. 2017)
3. Ошибки наложения: при каждом смещении температуры на 0,1 °C дифференциальное расширение кремниевой пластины и фотомасок приводит к несоосности на 0,25 нм
В совокупности эти дефекты составляют 62 % потерь параметрического выхода годных изделий на техпроцессе 5 нм. Благодаря двухконтурным холодильным установкам, обеспечивающим изоляцию тепловых зон и предотвращающим их перекрестное загрязнение, камеры травления поддерживают стабильность температуры в пределах ±0,05 °C, тогда как литографические установки могут работать при произвольно задаваемых температурных уставках.
Независимое двухконтурное охлаждение: обеспечение одновременной поддержки нескольких технологических процессов
Охлаждение отдельных инструментов — например, скрубберов для пластин при 12 °C и быстрых термических процессоров при 65 °C — без взаимного влияния между каналами
Управление экстремальными перепадами температур имеет исключительно важное значение в современном производстве полупроводников. В то время как устройства для промывки пластин (wafer scrubbers) должны работать при температуре около 12 °C для предотвращения загрязнения пластин, быстрые термические процессы (RTP) требуют температуры 65 °C для правильной активации легирующих примесей. Из-за разницы температур стандартные холодильные установки с единственным контуром сталкиваются с проблемами: «холодные» участки поглощают тепло от «горячих» процессов, что приводит к резким колебаниям температуры в пределах ±3–5 °C. Поэтому двухконтурные холодильные установки всё чаще становятся необходимостью. Двухконтурные холодильные установки полностью охлаждают трубопроводы, обеспечивая полную изоляцию хладагентов. Каждый контур оснащён собственным компрессором и системой управления. Один контур поддерживает температуру устройств промывки пластин на уровне 12,2 °C, а другой — температуру оборудования RTP на уровне 65,3 °C. Такое разделение охлаждения практически полностью исключает нежелательный энергообмен между контурами. В результате снижается количество проблем, связанных с недостаточным удалением фоторезиста в устройствах промывки, и повышается однородность активации легирующих примесей в оборудовании RTP. Как сообщалось в журнале Semiconductor Engineering в прошлом году, применение данного метода позволило повысить коэффициент использования оборудования примерно на 22 % и устранить проблемы с выходом годных изделий, обусловленные одновременным выполнением нескольких технологических процессов.
Отдыхаем без перерывов
Полупроводники спроектированы так, чтобы быть чувствительными к температуре. Мы охлаждаем их с особой тщательностью, чтобы избежать колебаний температуры — допустимое отклонение составляет всего ±0,1 °C. Для проведения технического обслуживания контуров регулирования температуры по одному контуру за раз двухконтурные холодильные установки позволяют системе бесшовно переключаться между контурами для поддержания заданной температуры. Это позволяет сохранить тысячи долларов стоимости кремниевых пластин. Даже техническое обслуживание, требующее остановки одного из холодильных контуров (например, долив хладагента, ремонт насоса и т. д.), не приводит к нарушению производственного процесса. Для литографических операций, где допустимы лишь незначительные колебания температуры, такая защита имеет исключительно важное значение.
Почему двухконтурные полупроводниковые холодильные установки обеспечивают значительное сокращение среднего времени восстановления (MTTR) по сравнению с предыдущими поколениями одноконтурных систем?
Благодаря независимым контурам охлаждения бригады технического обслуживания могут устранять неисправности в отдельных зонах или регионах без полного отключения системы, что обеспечивает сокращение среднего времени восстановления (MTTR) почти на 40 %. Это резко отличается от устаревших одноконтурных конструкций. Диагностика выполняется за долю времени (примерно на 66 % быстрее). При устранении отказа техники сосредоточены исключительно на конкретном неисправном контуре, в то время как остальная часть системы продолжает работать в заданном рабочем режиме. Для устранения неисправностей в устаревших системах даже при минимальном техническом обслуживании требовалось полное отключение системы. Параллельная схема контуров предоставляет операторам три ключевых преимущества, направленных на максимизацию времени безотказной работы:
- Возможность проведения технического обслуживания при работающей системе
- Модульная структура компонентов системы
- Чёткое зонирование для быстрой локализации неисправностей
Этот дизайн оптимизирует время безотказной работы и общую эффективность системы. Коэффициент общей эффективности оборудования (OEE) повышается, поскольку выполняются техническое обслуживание и работы, которые обычно приводят к остановке системы, например замена компрессора и очистка теплообменных змеевиков.
Общая стоимость владения и влияние на выход годной продукции: расчёт рентабельности инвестиций (ROI) для полупроводниковых чиллеров с двойным контуром
Первоначальная цена покупки одноконтурных чиллеров может быть ниже, однако с любой точки зрения двухконтурные полупроводниковые чиллеры в итоге обходятся дешевле благодаря эксплуатационной экономии и защите выхода продукции. Встроенная избыточность защищает чиллеры от разрушительных отклонений температуры. Согласно отчёту, опубликованному в журнале Semiconductor Digest в прошлом году, всего один час температурного дрейфа в процессе травления может привести к уничтожению кремниевых пластин на сумму 740 000 долларов США. Помимо эксплуатационной экономии, расходы на техническое обслуживание также ниже. Журнал Facilities Engineering Journal сообщил в 2023 году, что подобные системы требуют на 41 % меньше технического обслуживания. Наблюдается снижение объёма переделок, связанных с температурой, на 30 %, а следовательно — повышение эксплуатационной эффективности на 30 % за счёт сокращения энергетических потерь, вызванных такими переделками. Многие производители, принимая во внимание все вышеуказанные факторы, оценивают совокупную стоимость владения (TCO) за пятилетний период в среднем на 18 % ниже по сравнению с предыдущими моделями. Наиболее примечательным является скорость окупаемости первоначальных инвестиций, которая действительно выделяется среди аналогов. Во многих высокопроизводительных фабриках окупаемость инвестиций достигается уже через 14–26 месяцев благодаря повышению общей эффективности оборудования (OEE) на 22 %.
Часто задаваемые вопросы
Почему стабильность температуры в пределах ±0,1 °C критически важна при производстве полупроводников?
Процессы литографии с разрешением менее 7 нм и травления с высоким соотношением высоты к ширине чрезвычайно чувствительны: даже незначительные колебания температуры могут привести к геометрическим и структурным дефектам, снижающим выход годных изделий и их эксплуатационные характеристики.
Как двухконтурные чиллеры повышают эффективность производства полупроводников?
Двухконтурные чиллеры обеспечивают повышенную точность регулирования температуры и снижают трудоёмкость технического обслуживания за счёт предотвращения теплового перекрёстного влияния благодаря независимым контурам охлаждения.
Каковы экономические преимущества двухконтурных чиллеров?
Затраты на двухконтурные чиллеры окупаются за счёт повышения энергоэффективности, снижения расходов на техническое обслуживание, защиты от потерь выхода годных изделий, вызванных колебаниями температуры, а также быстрой окупаемости инвестиций.