EN
Termisk instabilitet orsakar direkt utbyteförluster vid under-5 nm-noder
Empirisk utbyteförlust: ±0,3 °C drift – 12–18 % ökning av defekter under EUV-litografi
Vid halvledarnoder under 5 nanometer ökar defekterna med 12–18 % (Semiconductor Engineering 2023) vid termiska svängningar på ±0,3 °C under extremt ultravioletta (EUV) litografi. Dessa svängningar förändrar brytningsindexet i linserna och maskens justering, vilket påverkar nanometerskala-strukturer. Vid kritiska nivåer räcker en avvikelse på en nanometer för att förstöra hela die.
Termiskt inducerad överläppningsfel översätts till instabiliteter på >±0,1 °C, vilket försämrar justeringsnoggrannheten med 3,7 nm per wafer
Justeringen av wafers kan försämras med 3,7 nm per lager från nivån ±0,1 °C. Detta överskrider toleransen på 2,1 nm för 3 nm-processnoden. Förlusten av precision orsakar flera problem med anslutningar, läckström i transistorers gate och kortslutningar i komplexa, flermönstrade kretsar. Fabriker med otillräcklig termisk kontroll förlorar 740 000 USD i skrotprodukter dagligen, enligt Ponemons forskning förra året. Halvledarchillers med hög precision kan förhindra sådana förluster. Dessa chillers reglerar temperatursvängningar i tillverkningsområden med känslomliga processer.
Hur en halvledarchiller med hög precision uppnår stabilitet under 0,1 °C
Stängd mikrofluidisk reglering med tvåstegs PID och modellbaserad prediktiv reglering
Idagens högprecisionsskivkylare för halvledare håller temperaturen stabil med ett slutet mikrofluidiskt system för aktiv temperaturreglering. Dessa kylare använder tvåstegs-PID-regulatorer som justerar kylingen enligt mätningar från sensorer placerade längs hela kylmedelskretsen. En av regulatorerna hanterar stora temperaturdifferenser, medan den andra utför finjustering inom ett intervall på ± 0,01 grader. Denna regleringsnivå säkerställer systemets stabilitet inom ± 0,1 grader oavsett plötsliga belastningsförändringar och skyddar systemet mot för tidig slitage.
Med hjälp av tidigare processinformation arbetar modellbaserade prediktiva algoritmer tillsammans med andra system för att uppskatta hur termiska laster kommer att variera. Innan problem uppstår justerar dessa intelligenta system kompressorns hastigheter och flödeshastigheterna. Vid kombinerade styrmetoder minskar de storleken på termiska styrmetoder med cirka 67 % jämfört med konventionella styrmetoder när elmatningen har oregelbundna stegvisa förändringar. Systemet optimerar kontinuerligt hundratals mikrojusteringar varje sekund genom likströmsinverterkompressorer och pumpar med variabel hastighet. I framkanten av modern tillverkning kan nästan fullständig kontroll eliminera över 95 % av de termiska problemen som orsakar feljustering av 3 nm-noder, vilket bevisats i verkligheten. För halvledarutvecklare gäller att ju striktare toleranserna är, desto större blir skillnaden.
Verklig påverkan: Integrationen av högprecisionens halvledarkylare ökar genomströmningen och drifttiden.
Samsungs 3 nm GAA-linje: tiden för termisk återhämtning minskades till 3,1 sekunder, vilket möjliggjorde en ökning av genomströmningen med 22 %.
En viktig halvledartillverkare fortsätter att ha en betydande inverkan på nästa generations 3 nm Gate-All-Around (GAA)-fabriksanläggningar genom införandet av state-of-the-art-kylaggregat som är utformade för att kyla wafers. Den mest anmärkningsvärda förbättringen var en minskning av tiden för termisk återhämtning från 42 sekunder till knappt över 3 sekunder. I praktiken innebär detta att anläggningen nu kan bearbeta ytterligare 500 kiselwafers per dag. Detta har även resulterat i en ökning av produktionskapaciteten för den ultramoderna produktionslinjen med cirka 22 %, vilket bekräftats i flera produktionsserier. Litrilinjen drog också nytta av detta avancerade kylsystem genom att bibehålla litografitemperaturen för att förhindra att litografiköer bildas vid snabba retikelförändringar samt säkerställa att inga temperaturspikar uppstår mellan olika steg i tillverkningsprocessen.
Applied Materials Endura-plattform: ±0,05 °C-stabilitet stoppar termiskt utlösta omkvalificeringar av kammrar
SEMATECH:s forskning från 2023 möjliggör att avsättningsystem från en utrustningstillverkare kan förlita sig på precisionsstyrning av temperatur för att uppnå vätskestabilitet inom ±0,05 °C. Detta eliminerar nästan helt termisk drift. Vad ger det för fördelar? Varje verktyg upplever cirka 17 färre oväntade underhållstimmar per månad, vilket motsvarar ungefär 380 ytterligare wafers producerade årligen. Att bibehålla vätskestabilitet för avsättningsystem har även minskat defektkluster under termiska cykelprocesser, där material värms upp och svalnas med olika hastigheter. Denna förbättring har också positivt påverkat hög-κ-metallgatprocesser genom att öka genomsnittstiden mellan utrustningsfel med cirka 41 %.
Branschkrav: Termisk stabilitet på renrumsnivå är ett grundläggande krav
Uppdateringen av SEMI F47-0724 kräver kylmaskinstabilitet på ±0,1 °C för tillverkning av logik med strukturen under 2 nm och HBM3.
Kylaggregat med en temperaturstabilitet inom ±0,1 °C för tillverkning av sub-2 nm-logikchip och HBM3-processer utgör de senaste standarderna F47-0724. Vad är syftet med detta? Fabrikerna har länge vetat att temperaturändringar på mindre än 0,1 °C leder till dimensionsfel på 0,3 nm, vilket orsakar alla möjliga problem i dessa komplexa minnesstackstrukturer. Med ett nästan obegränsat antal minnesskikt är högprecisionens kylaggregat nu avgörande för avancerad tillverkning, och de flesta överlappningsproblem – som tidigare krävde omfattande omkvalificering av kammrar på grund av termiska förskjutningar – har försvunnit. I den verkliga tillverkningsmiljön visar data att mindre än 18 % av defekterna uppstår om en kund uppnår en stabilitetsmål på ±0,1 °C. Att bibehålla termisk kontroll i renrum är nu lika fundamentalt som att bibehålla partikelkontroll.
Vanliga frågor
Vad är vikten av termisk stabilitet inom halvledartillverkning? Termisk stabilitet är viktig eftersom även små temperaturändringar kan leda till stora defekter, vilket resulterar i en minskad utbytegrad och ökade tillverkningskostnader.
Vad är vikten av högprecisionsskyddskylare för att upprätthålla termisk stabilitet?
Högprecisionsskyddskylare upprätthåller termisk stabilitet genom att eliminera störande temperatursvängningar i tillverkningsmiljön, så att chipen kan tillverkas med högsta möjliga noggrannhet.
Vilka fördelar får tillverkningsanläggningar av att ha avancerade termiska kontrollsystem?
Avancerade termiska kontrollsystem ger tillverkningsanläggningar en förkortad termisk återställningstid, en ökad genomströmning och en förbättrad produktkvalitet genom att bibehålla justeringen av halvledarwafer och minska defekter i dem.