Varför är kyldon för halvledarfabriker avgörande i tillverkningsanläggningar?

De subtila aspekterna av termisk stabilitet för fotolitografi och EUV-enheter med strukturer under 7 nm.

För att bygga halvledarstrukturer mindre än 7 nm krävs förmågan att kontrollera och hantera en nivå av värmevariation som nästan är omöjlig att uppnå. Extrem ultraviolett (EUV) litografisystem måste fungera vid en temperaturstabilitet på ± 0,01 °C. Detta motsvarar att stabilisera temperaturen i en hel simbassäng till en nivå av ± 0,0005 °C. Vid extremt små dimensioner leder temperaturvariationer till att linssmaterial och wafersteg expanderar och drar ihop sig termiskt, vilket resulterar i (a) avvikelser från den förbestämda layouten (de högst precisa ljusvägarna som krävs för att exponera en liten struktur) och (b) kollaps av ljusvägarna. Sådana utmaningar uppstår även vid immersionlitografi. En endast 0,1 °C stor temperaturvariation leder till variationer i vätskans brytningsindex. Dessutom leder det till att mönstren hamnar ur fokus. Detta är en obönhörlig – och faktiskt den mest betydelsefulla – aspekt att ta hänsyn till i samband med de nya EUV-effektmodulerna, som har en effektdensitet större än 500 kW/m². Om värmen inte hålls stabil med mycket hög precision kommer det primära syftet med tillverkning på nanometerskala att vara uppnåeligt, men elektronikkomponenterna kommer ändå att vara defekta.

Teknologiska effekter av kylsysteminducerad termisk drift på överläggningsnoggrannhet i halvledartillverkning

Kylsystem i halvledartillverkning har en unik effekt på överläggningsnoggrannhet, dvs. den precision med vilken flera siliciumlager justeras i förhållande till varandra. Temperaturen hos dessa kylsystem påverkar wafers på så sätt att varje termiskt inducerad grad hos kylsystemen orsakar att siliciumwafers utvidgas med hastigheter upp till 2,6 μm/m. Vid wafers med en diameter på 300 mm kan denna utvidgning leda till en feljustering på upp till 3 nm. Avancerade 5 nm-chipptillverkningsprocesser kan endast tolerera en feljustering på 1,7 nm för waferskikten. Det är också viktigt att framhäva effekten av den termiska driften på litografi-steget i utrustningen. Enligt ingenjörernas uttryck har denna drift en orsakande effekt på den så kallade "mekaniska krypningen" vid användning av litografiutrustningen, vilket gör att redan hypotetiskt små positionsosäkerheter i utrustningen blir allt större med ökad användning.

När lager blir feljusterade kan allvarliga problem uppstå, till exempel kortslutning eller luckor i kretsen. Sådana defekter leder till att tillverkare förlorar cirka 740 000 USD varje timme (Ponemon Institute, 2023). Avancerade moderna kyldon har intelligent lasthantering och kan bibehålla temperaturstabilitet inom ± 0,005 grader Celsius. Detta gör det möjligt att tillverka halvledare med den kritiska noggrannheten ± 0,15 nm som krävs för god utbyteffektivitet.

Standarder för rena rum och vätskepurity inom halvledarindustrin

Integritet i vätskeflödesväg och partikelkontroll

Kylaggregat som används i kylsystem för halvledarfabriker måste upprätthålla ISO-klass 1–4 för att inte påverka extremt ultraviolett litografi (EUV) och andra tillverkningssteg negativt. Alla luftburna föroreningar större än 0,1 mikrometer skulle utgöra ett problem vid riktning av extremt små sub-5-nanometer-wafer. Moderna kylaggregatsystem har helt förslutna köldmedieledningar och är tillverkade av högkvalitativ rostfritt stål, liknande det som används för kirurgiska instrument, för att minimera föroreningar. Dessa kylaggregat använder avancerade molekylära föroreningsfilter samt HEPA-filter för att säkerställa att positivt differentiellt tryck och luftburna föroreningar hålls under 1 per kubikmeter vid 0,1 mikrometer. Dessa extrema åtgärder säkerställer att ASML:s litografimaskiner inte påverkas av föroreningar som skulle försämra maskinernas optik. Defektraten för wafer kontrolleras till under 0,01 per kvadratcentimeter. Dessa maskiner kostar över två miljoner dollar och är mycket känsliga för optisk avsättning.

Val av korrosionsbeständiga material och efterlevnad av kraven på dejoniserat vatten (≥18,2 MΩ·cm)

Kylaggregat för halvledarfabriker måste tillhandahålla system för ultrarenat vatten (UPW) med alla termiska överföringspunkter med en resistivitet på >18,2 MΩ·cm (dvs. >99,999999 % av jonföroreningar). Standardindustriella kylaggregat fungerar inte i detta sammanhang på grund av galvanisk korrosion i koppar-nickel-legeringar, vilket leder till att metaller frigörs i kylmedelskretsarna. Därför är nästa generations lösningar utformade med:

- Elektropolerade fluidkretsar i rostfritt stål av märkesklasserna 316L/904L.
- Passiveringslager som inte avger järnoxid.
- Icke-metalliska (Kalrez® FFKM) tätningsringar som tål termisk cykling.

Denna konstruktion förhindrar att resistiviteten sjunker under 18,0 MΩ·cm, vilket orsakar dimning av wafers – ett fel som kostar 740 000 USD per händelse (SEMI:s benchmarkrapport, Orsaker till utbytesförluster vid tillverkning av avancerade noder, 2023). Jämfört med farmaceutiska system måste kylaggregat för halvledarindustrin även klara permeation av ätande kemikalier, såsom HF, genom utrustningens gränssnitt.

Ökad utrustningslivslängd och förbättrad avkastning med pålitliga kyldon för halvledarfabriker

Utveckling av avkastningsförluster: ± 0,3 °C-avvikelse och dess samband med defekter (SEMI F47)

Det finns många anledningar till att hålla en halvledarfabrik vid en konstant temperatur, till exempel koncentrationen av defekter. Defekter är dödande och enligt halvledarindustrins strategi för defekthantering, SEMI F47 (utkast), är eliminering av defekter en stark drivkraft. Om en fabrik inte uppfyller SEMI F47-standarderna kommer den att producera 1,5–3 % färre kretsar per 100 wafers på grund av dödande defekter. Allt det slösade kisel innebär stora ekonomiska förluster för en fabrik, men den verkliga kostnaden för svängande termiska förhållanden är utrustningsnötning och den därmed förknippade ökningen av underhållskostnader. Utrustning, såsom extrem ultravioletta (EUV) lasrar och ätskkammare, är särskilt känslomässig för termiska cykler och utsatt för en fenomen som kallas termisk trötthet, vilket leder till en 18 % högre underhållskostnad och driftstopp.

Det är därför som moderna tillverkningsanläggningar investerar i kylsystem som kan hålla temperaturerna inom ett intervall på plus/minus 0,05 grader Celsius. En sådan precision förhindrar fel, skyddar utrustning värd flera miljoner dollar och säkerställer konstanta produktionsnivåer, vilket fabrikschefer behöver för att stödja lönsamma verksamheter.

Rätt dimensionering och anpassning av industriella kylaggregat för dynamiska processbelastningar

När en halvledarfabrik kyls upp skiljer sig de termiska kraven. Kyla kylning måste vara rätt storlek, anpassad, eller alla typer av problem kommer att uppstå. Stora kylsystem kommer att stänga av och på för mycket och med tiden slösar de energi och bränner ut de komponenter som startar och stannar för ofta. De små kan inte hålla ett kritiskt intervall på +/- 0,3 grader när efterfrågan stiger. Detta orsakar att kritiska chips som produceras fluktuerar, och som vi vet är temperaturen en viktig kvalitetskvalitet. För att motverka detta justeras kylnivåerna med hjälp av specialbyggda system och smart PID-kontrollteknik när förhållandena förändras. Genom att kombinera smarta PID-kontroller med speciella fasbyte material som värmebelastare har ingenjörerna rätt kombination för att minimera defekter och spara energi. Kunderna sparar 25 till 30 procent jämfört med de vanliga kylsystemen med fast kapacitet.

Frågor som ofta ställs  

Varför är värmestabilitet avgörande vid tillverkning av halvledare?

Temperaturstabilitet är avgörande i halvledartillverkning eftersom temperaturvariationer kan leda till en otillförlitlig halvledartillverkningsprocess, vilket resulterar i defekta och dåligt fungerande komponenter.

Vilka konsekvenser har termisk drift orsakad av kyldon?

Termisk drift orsakad av kyldon kan leda till feljustering av kislskikt. Detta kan i sin tur leda till kortslutningsfel i kisel och ökade produktionskostnader på grund av produktionsfördröjningar.

På vilket sätt hjälper moderna kyldon till att uppnå rena rum och vätskepuritystandarder?

Moderna kyldon hjälper till att uppnå rena rum-standarder genom användning av förseglade köldmedieledningar och korrosionshämmande material som inte tillåter föroreningar, vilket bevarar integriteten hos mikrochipen.