EN
Presná regulácia teploty: odstraňovanie mikrodefektov pri litografii a leptaní
Prečo je stabilita ±0,1 °C neprekonateľnou požiadavkou pre litografiu pod 7 nm a leptanie s vysokým pomerom výšky k šírke
V technologických uzloch pod 7 nm môžu teplotné výkyvy vyššie ako ±0,1 °C spôsobiť výrazné zmeny rozmerov. Dôvodom je fotochemická reakcia pri EUV litografii. Štúdie ukázali, že teplotné výkyvy o veľkosti 0,1 °C môžu spôsobiť približný nárast rozmerov o 0,15 nm (prípadové štúdie z oblasti tepelnej techniky, 2023). Nestability pri leptaní s vysokým pomerom výšky k šírke môžu viesť k nejednotným uhlom stien, čo zvyšuje odpor cez kontakt (via) približne o 18 % a zníži výnos o 3–5 % na každý platňový polovodičový čip (wafer). To vysvetľuje, prečo väčšina výrobcov začala prijímať chladiče s dvojitým okruhom pre polovodičové aplikácie. Tieto systémy s dvojitým okruhom majú nezávislé chladiace okruhy, ktoré absorbujú tepelné rázy od samostatných technologických zariadení. Tieto systémy sú výrazne lepšie než tradičné jednookruhové systémy, ktoré trpia veľkými tepelnými výkyvmi spôsobenými náhlymi zmenami zaťaženia zariadení. To je obzvlášť dôležité pri spracovaní pod 7 nm, kde sa vyrábajú extrémne vysoké štruktúry s vysokým pomerom výšky k šírke (100:1). Bežné tepelné oneskorenia môžu spôsobiť výrazné zúženie (taper) na povrchu platne.
Ako tepelný posun spôsobuje tvorbu povlaku fotoodolnej vrstvy, nerovnosť okrajov čiar a chyby prekrytia
Tepelný posun a expozícia fotoodolnej vrstvy spúšťajú tieto tri korelované režimy poruchy:
1. Tvorenie povlaku: Neprejavované zvyšky zostávajú v drážkach s rozmermi 12 nm, ak sa rýchlosť chladenia nekontroluje a klesne pod 0,1 °C/s
2. Nerovnosť okrajov čiar (LER): Po expozícii sa pri pečení zvýši nerovnosť o 40 % pri kolísaní teploty vyššom ako 0,3 °C (Precis. Eng. 2017)
3. Chyby prekrytia: Pri každom posune o 0,1 °C spôsobuje rozdielna tepelná expanzia kremíkovej platničky a masky nesúlad o 0,25 nm
Tieto defekty spoločne predstavujú 62 % straty parametrického výťažku v uzloch 5 nm. Dvojokruhové chladiče zabezpečujú izoláciu tepelných zón proti vzájomnému kontaminovaniu, čím môžu leptacie komory udržiavať stabilitu teploty v rozmedzí ±0,05 °C, zatiaľ čo nástroje pre litografiu môžu pracovať na ľubovoľne nastavených teplotných bodoch.
Nezávislé dvojokruhové chladenie: umožňuje súčasné podporovanie viacerých technologických procesov
Chladenie odlišných nástrojov – napr. čistiacich zariadení pre platničky pri 12 °C a rýchlych tepelných spracovateľov pri 65 °C – bez vzájomného ovplyvňovania kanálov
Správa extrémnych rozdielov teplôt je veľmi dôležitá v modernom polovodičovom výrobe. Zatiaľ čo čistiace zariadenia pre platničky musia pracovať pri teplote okolo 12 °C, aby sa zabránilo kontaminácii platničiek, rýchle termické procesory musia pracovať pri teplote 65 °C, aby sa správne aktivovali prímesi. V dôsledku rozdielov teplôt sa štandardné chladiče s iba jedným okruhom stretávajú s problémami, keď „studené“ časti absorbuje teplo z „horúcich“ procesov, čo vedie k rýchlej zmene teploty o ±3 až 5 stupňov. Preto sa dvojokruhové chladiče stávajú stále viac nevyhnutnosťou. Dvojokruhové chladiče chladia potrubie úplne, čím umožňujú úplné oddelenie chladiacich médií. Každá strana obsahuje vlastný kompresor a riadiacu jednotku. Jedna strana udržiava čistiace zariadenia pri teplote 12,2 °C, zatiaľ čo druhá strana udržiava RTP zariadenia pri teplote 65,3 °C. Toto oddelenie chladenia takmer úplne zabraňuje nežiaducemu prenosu energie medzi okruhmi. Výsledkom je menej problémov s nedostatočným odstraňovaním rezistu v čistiacich zariadeniach a lepšia rovnosť aktivácie prímesí v RTP. Ako bolo minulý rok uvedené v časopise Semiconductor Engineering, táto metóda zvýšila využitie zariadení približne o 22 % a zmierila problémy so výťažnosťou spojené s súčasným prevádzkovaním viacerých procesov.
Užívajme si chladenie bez prerušenia
Polovodiče sú navrhnuté tak, aby boli citlivé na teplotu. Chladíme ich opatrne, aby sme predišli zmenám teploty, pri ktorých musíme udržať odchýlku len ± 0,1 °C. Aby sme mohli postupne vykonávať údržbu obvodov riadenia teploty, umožňujú dvojobvodové chladiče systému bezproblémové prepínanie medzi jednotlivými obvodmi na riadenie teploty. Tým sa zachráni tisíce dolárov hodnoty kremíkových platní. Dokonca aj údržba, ktorú potrebujeme vykonať a ktorá vyžaduje vypnutie chladičov – napríklad doplnenie chladiacej kvapaliny, oprava čerpadla atď. – nepreruší výrobný proces. Táto ochrana je mimoriadne dôležitá pre litografické procesy, pri ktorých stačia iba minimálne zmeny teploty.
Prečo dvojobvodové polovodičové chladiče vedú k výraznému zníženiu strednej doby opravy (MTTR) v porovnaní s predchádzajúcimi generáciami jednoobvodových systémov?
Vďaka nezávislým chladiacim okruhom môžu tímy pre údržbu riešiť problémy v niektorých oblastiach alebo regiónoch bez úplného vypnutia celého systému, čo viedlo k takmer 40 % zníženiu priemernej doby opravy (MTTR). Toto je v ostrým kontraste so staršími jednoduchými okruhovými návrhmi. Diagnostika sa vykonáva za zlomok času (približne o 66 % rýchlejšie). Pri riešení poruchy sa technici sústreďujú výhradne na daný chybný okruh, zatiaľ čo zvyšok systému pokračuje v prevádzke pri požadovanej nastavenej hodnote. V starších systémoch bolo pri riešení porúch, aj pri najmenšej údržbe, potrebné úplne vypnúť celý systém. Paralelný okruhový návrh ponúka prevádzkovateľom tri kľúčové výhody, ktoré sú zamerané na maximalizáciu dostupnosti systému:
- Možnosť vykonávať údržbu počas prevádzky systému
- Modulárna štruktúra komponentov systému
- Jednoznačné rozdelenie na zóny na rýchle identifikovanie problémov
Tento dizajn optimalizuje dostupnosť a celkovú účinnosť systému. Celková účinnosť vybavenia (OEE) sa pozitívne zlepšuje, pretože údržbové úlohy, ktoré zvyčajne vedú k vypnutiu systému – napríklad výmena kompresora a čistenie chladiacich cievok – sa vykonávajú.
Celkové náklady na vlastníctvo a vplyv na výnos: Výpočet návratnosti investícií (ROI) chladičov pre polovodiče s dvojitým okruhom
Počiatočná nákupná cena chladičov s jednoduchým okruhom môže byť nižšia, avšak z hocijakého hľadiska sa chladiče s dvojitým okruhom pre polovodiče v konečnom dôsledku ukážu lacnejšie vďaka prevádzkovým úsporám a ochrane výrobných výťažkov. Vstavaná redundancia chráni chladiče pred poškodzujúcimi výkyvmi teploty. Podľa správy v časopise Semiconductor Digest z minulého roku stačí len jedna hodina odchýlky teploty počas procesu leptania na zničenie polovodičových platní v hodnote 740 000 USD. Okrem prevádzkových úspor sú nižšie aj náklady na údržbu. Časopis Facilities Engineering Journal uviedol v roku 2023, že systémy tohto typu vyžadujú o 41 % menej údržby. Dochádza k 30 % zníženiu opätovného spracovania spôsobeného teplotnými výkyvmi a teda k 30 % zvýšeniu prevádzkovej účinnosti v dôsledku zníženia energetických strát spôsobených opätovným spracovaním súvisiacim s teplotou. Mnoho výrobcov, keď zohľadní všetky vyššie uvedené faktory, odhaduje, že ich celkové náklady na vlastníctvo počas päťročného obdobia sú v priemere o 18 % nižšie ako u predchádzajúcich modelov. Najpozoruhodnejšie je však rýchlosť, akou sa vráti počiatočná investícia – tá sa skutočne vymyká. Mnoho vysokovýkonných výrobných závodov dosahuje návratnosť investície už po 14 až 26 mesiacoch v dôsledku 22 % zvýšenia celkovej účinnosti vybavenia.
Často kladené otázky
Prečo je kritická teplotná stabilita ±0,1 °C v polovodičovej výrobe?
Litológia pod 7 nm a procesy leptania s vysokým pomerom výšky ku šírke sú extrémne citlivé a už veľmi malé teplotné kolísania môžu spôsobiť rozmerové a štrukturálne nedostatky, čo negatívne ovplyvňuje výnos a výkon.
Ako zvyšujú dvojkruhové chladiče efektívnosť polovodičovej výroby?
Dvojkruhové chladiče umožňujú zvýšenú presnosť regulácie teploty a zníženie údržbových náročností vďaka predchádzaniu tepelnej kontaminácie prostredníctvom nezávislých chladiacich okruhov.
Aké sú nákladové výhody dvojkruhových chladičov?
Náklady na dvojkruhové chladiče sa ospravedlňujú úsporami vyplývajúcimi z vyššej energetickej účinnosti, nižších nákladov na údržbu, ochrany pred stratou výnosu spôsobenou kolísaním teplôt a rýchleho návratu investícií.