Как генераторът на високо чиста пара намалява риска от замърсяване

Критичната роля на генератора на високо чиста пара в напредналите фабрики за полупроводници

Увеличаваща се чувствителност към примеси в 2nm и 3nm полупроводниковите възли

Когато стигнем до тези миниатюрни процесни нива от 2 nm и 3 nm, производствата на полупроводници се сблъскват със сериозни проблеми с контаминация. Една единствена хидроуглеродна молекула на всеки 10^12 пара частици е достатъчна, за да повреди устройството. По-рано, при по-старите нива от 7 nm и по-големи, производителите можеха да понасят примеси в ниво част на милиард. Но сега при производството на 3 nm, те се нуждаят от чистота на ниво част на трилион. Това е около хиляда пъти по-чисто в сравнение с по-рано. Защо толкова строги изисквания? Ами просто погледнете транзисторните порта, които днес са с размер около 12 до 15 силициеви атома. Дори най-малките примеси на ангстремово ниво нарушават квантовите тунелни ефекти и компрометират интегритета на портовите оксиди, което всъщност означава, че устройствата престават да работят правилно.

Как генераторът на високо чиста пара осигурява чистота на молекулно ниво

Генераторите на високочиста пара днес достигат невероятни нива на чистота на молекулно ниво благодарение на процеси с тройна дистилация и тези изискани ултра-ниски филтри за примеси, които работят до 0.001 микрона. Системите по същество отстраняват почти всички вредни вещества – говорим за над 99.9999% премахване на йони, органични вещества, метали и други подобни. Това е много важно, когато парата се допира до чувствителни материали като фоторезистни покрития или силициеви пластини по време на производството. Някои от по-новите напреднали системи са оборудвани с вграден мониторинг в реално време, използващ масова спектрометрия, за да се проверява, че нивата на замърсители остават под 5 части на трилион. Всъщност това е логично, тъй като тези машини трябва да отговарят на стандартите на Индустрия 4.0 за интелигентно производство, за които всички постоянно говорят напоследък.

Пример за изследване: Внедряване в производствен обект за 3nm възли

Един от водещите производители на чипове отбеляза значително намаление на дефектите в силициевите пластини, след като използва тези генератори на пара с висока чистота в процесите на оксидация и отжигане. Основната причина за това подобрение беше системата с обратна връзка, която поддържаше електропроводимостта на парата на ниво около 0,055 микросименса на сантиметър, което е два пъти по-добро от постиганото с предишни системи. В резултат на това, добивът се подобри с 12% при производството на 3nm FinFET транзистори. След като системата започна да функционира, броят на частиците се оказа само 0,2 частици на милилитър с размер 0,1 микрон и по-големи. Това постижение надмина изискванията на стандарт SEMI F57 за тези напреднали производствени процеси, което е ясен знак за значително подобрено качество на контрола.

Интеграция с мониторинг на чистотата в реално време в точката на употреба (POU)

Съвременните парогенератори вече се предлагат с вградени сензори, които се намират директно във всяка точка на употреба и изпращат непрекъснати потоци данни към централни системи за поддръжка. Тези конфигурации намаляват времето на простои, причинени от проблеми със замърсяване, с около 25-30% по време на първоначални тестове, защото забелязват кога филтрите започват да се износват повече от два дни преди да настъпи реалното повреждане. Когато се комбинират с интелигентен AI мониторинг за необичайни модели, цялата система успява да остане почти постоянно в експлоатация с впечатляваща наличност от 99.9996%. Това е от голямо значение за производствени фабрики на полупроводници, струващи милиарди годишно, тъй като загубата на само един час струва на тях повече от седемстотин и четиридесет хиляди долара, според скорошни проучвания на Института Понеман от 2023 г.

Влияние на замърсяването върху добива на полупроводници и производствената икономика

Как частиците и молекулярните примеси намаляват добива при наноразмерни възли

Когато стигнем до тези 2nm и 3nm процесни нодове, характеристиките стават толкова малки, че всъщност са само 15 до 20 атома в диаметър, което ги прави изключително чувствителни към всеки вид замърсяване. Миниатюрни частици с размер около 2nm всъщност могат да повредят EUV литографските шаблони по време на производството. А освен това има и цял проблем с молекулните замърсители, като кислородни молекули или остатъци от въглеводороди, които в крайна сметка разрушават слоевете на вентилните оксиди. Прегледът на изследванията относно стандартите за чистота на газовете показва нещо доста тревожно. Ако нивата на въздушните молекулни основи (AMBs) надвишат 0.1 части на милиард, фабриките, произвеждащи напреднали логически чипове, виждат как добивът им пада с около 12%. Поради тази екстремна чувствителност, чистите стаи трябва да поддържат условия, които са дори по-добри от стандартите ISO Class 1 в определени зони. Вярвайте или не, дори когато работниците просто дишат нормално в тези помещения, отдържанията им съдържат достатъчно замърсители, които потенциално могат да навредят на деликатните процеси на производство, които се извършват там.

Икономическа цена на дефекти в производството на висок обем полупроводници

Финансовият удар от замърсяване става наистина сериозен, когато производството се мащабира. Вземете например фабрика, която обработва около 100 хиляди възли всяка месец. Ако добивът им падне само с 1%, може да загубят почти 58 милиона долара на година. А това дори не отразява факта, че всеки модерен възел днес струва над 30 хиляди долара. Индустрията на полупроводниците планира изграждането на 18 нови производствени съоръжения до 2025 г., така че контролът върху замърсяването не е важен само за спестяване на пари сега – той засяга целия пазар с обем от 740 милиарда долара всяка година. Инсталирането на генератори за високо чиста пара точно където е необходима на площадката намалява преработката на дефектни продукти с около една трета. Това показва на производителите точно защо е разумно да инвестираме в решения за чистота, за да се предпазят печалбите при толкова скъпоструйното производство.

Предизвикателства при поддържането на чистота при производство под 3 nm

Експоненциално увеличение на чувствителността към дефекти поради мащабиране на възлите

При възли под 3nm, чувствителността към дефекти расте експоненциално – една единствена частица от 0.5nm може да деактивира 4% от функционалността на чип, според Доклада за чистота на полупроводници от 2024 г. Линиите за производство сега изпитват:

• 400% по-високи нива на дефекти от частици в сравнение с процеси при 5nm
• 18% загуба на съвети свързана с молекулни примеси в процесните газове
• Корелация между ±0.1 ppb колебания на замърсителите и 0.8% вариация в добива

Тази среда изисква чистота на парата под 0.1 ppt за ключови етапи на оксидация – постижимо само с напреднали генератори за пара с висока чистота.

Ограничения на традиционната филтрация: Съответства ли тя на бъдещите изисквания за чистота?

Традиционната филтрация на газове не отговаря на три ключови области за производство под 3nm:

Наскорошен анализ на индустрията разкрива, че 72% от фабриките за 3nm технологии съобщават за замърсители, пренасяни с пара, които надвишават препоръчителните прагове на ASML по време на процеса на бързо термичен обработване. Тези пропуски налагат преосмисляне на подаването на газове на молекулярно ниво — точно това, което модерните генератори на високо чиста пара решават чрез локална (point-of-use) очистка и непрекъснато наблюдение на ниво части на трилион (ppt).

Напреднала детекция на примеси, осигурена от генератори на високо чиста пара и анализ на газове

Постигане на детекция на замърсители на ниво части на трилион (ppt)

Изискванията за детекция в модерните производствени съоръжения са нараснали около 1000 пъти в сравнение с по-стари системи, защото дори замърсители от единични молекули могат да предизвикат сериозни проблеми. Когато спектрометрията на масите с йонизация при атмосферно налягане се комбинира с генератори на високо чиста пара, тя осигурява надеждно ниво на детекция от части на трилион, което надминава традиционните системи с детекция на части на милиард с около 60%. За производството на полупроводници на 2nm и 3nm нива, този вид чувствителност е изключително важна. Индустриални данни от миналата година показват нещо доста шокиращо: нива на замърсяване толкова ниски, колкото 5 ppt кислород или въглеводороди, могат да намалят добива при производството с между 12% и 18%.

Синергия между системи за чистота на парата и инструменти за анализ на многокомпонентни газове

Комбинирането на ултрапочиството производство на пара с незабавен мониторинг на газове осигурява по-добър контрол върху замърсителите в производствените среди. Например, когато газовите анализатори засекат само 2,7 части на трилион от летливи органични съединения, системите за почистване на парата почти незабавно коригират настройките за обработка на водата. Резултатът? Според данни от процеси през 2023 г., фабрики за производство на полупроводници, обработващи 300 мм силициеви пластини, отбелязват около 70% намаление на проблемите с частиците. Тези съоръжения също поддържат температурата стабилна в рамките на по-малко от 0,1 градус Целзий, което е критично за онези изискани машини за депозиране на атомен слой, използвани при производството на чипове. Повечето от водещите производители на полупроводници вече са започнали да изискват този вид интеграция на системи като част от стандартите си за чисти помещения ISO Class 1.

Често задавани въпроси

Защо генераторите на пара с висока чистота са от съществено значение за фабриките за полупроводници?

Генераторите на високочиста пара са от съществено значение при производството на полупроводници, тъй като осигуряват изключителна чистота на молекулярно ниво, което е критично за процесните възли от 2 nm и 3 nm. Тази чистота предотвратява дефекти и подобрява добива, като избягва замърсяване, което може сериозно да повлияе на функционалността на устройствата.

Как работят генераторите на високочиста пара?

Тези генератори използват напреднали методи за очистване, като трикратна дестилация и ултра ниско-частицови филтри, за отстраняване на примеси, включително йони, органични вещества и метали. Те използват и технологии за наблюдение в реално време, за да се осигури, че нивата на примеси останат изключително ниски, което отговаря на строгите производствени стандарти.

Какви икономически придобивки носят генераторите на високочиста пара за производството на полупроводници?

Генераторите на високочиста пара помагат за намаляване на дефектите, което увеличава добива. Това подобрение може да спести на производствените предприятия милиони долари, като поддържа високата производствена ефективност и намалява необходимостта от преработка на дефектни продукти.

Какви са предизвикателствата от замърсяване при производството под 3 nm?

Възлите под 3 nm са изключително чувствителни към дефекти поради малкия си размер. Дори една-единствена молекула на примес може да повреди функционалността, което изисква напреднали системи за откриване на примеси и за почистване, за да се поддържа оперативната цялостност и добивът.