Hogyan csökkenti a magas tisztaságú gőzfejlesztő a szennyeződés kockázatát

A magas tisztaságú gőzfejlesztő kritikus szerepe az új generációs félvezetőgyártásban

Növekvő érzékenység a szennyeződésekkel szemben a 2 nm-es és 3 nm-es félvezetőcsomópontoknál

Amikor lejutunk azokra a rendkívül kicsiny, 2 nm és 3 nm-es gyártási fokozatokra, a félvezetőgyárak komoly szennyeződési problémákkal néznek szembe. Már egyetlen szénhidrogén molekula is elég ahhoz, hogy tönkretegyen egy eszközt, ha az 10^12 gőzrészecskére jut. Korábban, amikor még régebbi, 7 nm-nél nagyobb gyártási eljárásokat használtak, a gyártók a szennyeződéseket milliárdod részben (parts per billion) még elviselhették. Az új, 3 nm-es gyártáshoz viszont tisztaságot kell elérni billióod részben (parts per trillion). Ez körülbelül ezerszer tisztább, mint korábban. Miért ilyen szigorúak az előírások? Nézzük csak meg ezeket a tranzisztor kapukat, amelyek ma már mindössze 12-15 szilícium atom vastagságúak. Még a legkisebb szennyeződések is, amelyek angström nagyságrendűek, zavarják a kvantumtunneleffektust, és veszélyeztetik a kapu-oxidok integritását, ami végül is azt jelenti, hogy az eszközök már nem működnek megfelelően.

Hogyan biztosítja a nagyon tiszta gőzgenerátor a molekuláris szintű tisztaságot

A ma használt nagy tisztaságú gőzképzők már a molekuláris szintig terjedő tisztaságot érnek el hála a háromszoros desztillációs folyamatoknak és azoknak a korszerű, ultra alacsony részecskeszűrőknek, amelyek 0,001 mikronos méretű szennyeződéseket is kiszűrnek. Ezek a rendszerek gyakorlatilag eltávolítják a szennyező anyagok túlnyomó részét – közel 99,9999% eltávolítását érik el ionok, szerves anyagok, fémek és egyéb szennyezők esetén. Ez különösen fontos, amikor a gőz érzékeny anyagokkal, például fotoreziszt bevonatokkal vagy szilícium lemezekkel érintkezik a gyártási folyamat során. Az újabb, fejlett rendszerek tömegspektrometria alapú, beépített valós idejű ellenőrző rendszerrel is rendelkeznek, amely biztosítja, hogy a szennyeződési szint 5 trillió rész alatt maradjon. Ez teljesen logikus is, hiszen ezeknek a gépeknek meg kell felelni az Ipar 4.0 okosgyártási szabványainak, amelyekről manapság annyit beszélnek.

Esettanulmány: Telepítés egy 3 nm-es csomópontot gyártó üzemben

Egy jelentős chipgyártó lenyűgöző csökkenést ért el a lemezek hibáinak számában, amikor ezeket a nagy tisztaságú gőzgenerátorokat bevezették az oxidációs és hőkezelő műveleteik során. Ami valóban különbséget hozott, az a rendszer zárt hurkos vezérlőmechanizmusa volt, amely a gőz vezetőképességét 0,055 mikrosiemens/centiméter körül tartotta. Ez valójában az előző rendszerek által elérhető érték felét jelenti. Ennek eredményeként a 3 nm-es FinFET kapuk gyártása során különösen számottevő, 12%-os termelékenység-növekedést értek el. Miután minden rendszer üzembe állt, a részecskeszám csupán 0,2 részecske/milliliterre esett vissza legalább 0,1 mikronos méret felett. Ez a teljesítmény felülmúlta a SEMI F57 szabványokat, amelyek ezekhez a korszakalkotó gyártási folyamatokhoz szükségesek voltak, és ezzel egyúttal a minőségellenőrzés jelentős javulását is bizonyította.

Valós idejű tisztaság-ellenőrzés integrálása a felhasználási pontnál (POU)

A modern gőzfejlesztők már beépített szenzorokkal vannak felszerelve, amelyek az egyes felhasználási pontoknál helyezkednek el, és folyamatos adatfolyamot küldenek a központi karbantartó rendszereknek. Ezek az eszközök csökkentik a szennyeződésből fakadó állásidőt körülbelül 25-30%-kal a korai tesztek alapján, mivel képesek észlelni, amikor a szűrők elkezdenek kopni, még két nappal a meghibásodás előtt. Amikor ezt az egész rendszert intelligens AI-alapú figyelési rendszerrel is kiegészítik szokatlan mintázatok esetén, akkor a teljes rendszer majdnem folyamatosan működőképes marad, egy lenyűgöző 99,9996%-os elérhetőségi rátával. Ez különösen fontos érték a milliárdos éves értékű félvezetőgyártó üzemek számára, mivel egyetlen óra üzemképtelenség is több mint 740 000 dollár körüli veszteséggel jár számukra a 2023-as Ponemon Intézet tanulmánya szerint.

A szennyeződés hatása a félvezetők kitermelésére és a gyártási gazdaságtanra

Hogyan csökkentik a részecskés és molekuláris szennyeződések a kitermelést nanoméretű csomópontokon

Amikor a 2 nm-es és 3 nm-es folyamatcsomópontokra jutunk, a struktúrák annyira aprók lesznek, hogy tulajdonképpen mindössze 15-20 atom szélességűek, így rendkívül érzékenyek bármilyen szennyeződésre. A körülbelül 2 nm méretű mikroszkopikus részecskék valójában zavarhatják az EUV-litográfiai mintázatokat a gyártás során. Emellett ott van az egész probléma a molekuláris szennyezőanyagokkal, például oxigénmolekulákkal vagy szénhidrogén-maradékokkal, amelyek végül tönkreteszik a kapu-oxidrétegeket. A kutatók által feltárt eredmények a gázok tisztasági szabványaival kapcsolatban szintén meglehetősen nyugtalanító képet mutatnak. Ha a levegőben található molekuláris bázisok (AMB-k) a 0,1 ppb (részes milliárdonként) szintet meghaladják, akkor az előbbi logikai chipeket gyártó üzemek kiesése körülbelül 12 százalékkal csökken. Ennek a rendkívüli érzékenységnek következtében bizonyos területeken a tisztaszobáknak ISO 1. osztályú szabványoknál is szigorúbb körülményeket kell biztosítaniuk. Hihetetlennek tűnik, de amikor a dolgozók egyszerűen csak normál módon lélegeznek ezeken a helyeken, a kilélegzett levegőjükben elegendő szennyező anyag található, ami potenciálisan károsíthatja az ott folyó érzékeny gyártási folyamatokat.

Gazdasági költségek a hibás termékeknek a nagy térfogatú félvezetőgyártásban

A szennyeződés okozta pénzügyi veszteség rendkívül jelentőssé válik a termelés fokozódásával. Vegyünk például egy olyan gyárat, amely havi körülbelül 100 ezer lemezt gyárt. Ha a kitermelés csupán 1 százalékkal esik vissza, ez éves szinten akár majdnem 58 millió dolláros veszteséget is jelenthet. Ráadásul ez még nem is tartalmazza azt, hogy napjainkban egy-egy új generációs lemez ára elérheti a 30 ezer dollárt is. A félvezetőipar 2025-ig 18 új gyártóüzem építését tervezi, így a szennyeződés elleni küzdelem nem csupán a jelenlegi megtakarításokat segíti, hanem évente az egész 740 milliárd dolláros piacra hatással van. A helyszínen, ott ahol szükség van rá, magas tisztaságú gőzfejlesztők telepítése a hibás termékek újrafeldolgozását körülbelül harmadával csökkenti. Ez pontosan megmutatja a gyártóknak, hogy miért fontos okosan beruházni a tisztaságot biztosító megoldásokba, hogy a nyereséget ilyen költséges gyártási folyamatokban meg lehessen védeni.

A tisztaság fenntartásának kihívásai a 3 nm alatti gyártási skálán

A hibapontérzékenység exponenciális növekedése a csomópontméret csökkenésének következtében

A 3 nm alatti csomópontoknál a hibapontérzékenység exponenciálisan növekszik – egyetlen 0,5 nm-es részecske akár a chip 4% funkcióképességét is károsíthatja a 2024-es félvezető-tisztasági jelentés szerint. A gyártósorok jelenleg a következő jelenségekkel küzdenek:

• 400%-os növekedés a részecsketartalmú hibák arányában a 5 nm-es eljárásokhoz képest
• 18%-os veszteség a lemezeknél a folyamatgázok molekuláris szennyezettségéhez kapcsolódóan
• A ±0,1 ppb szennyeződés-ingadozások és a 0,8%-os kitermelési hozam-ingadozás közötti összefüggés

Ez a környezet a kritikus oxidációs lépésekhez 0,1 ppt alatti gőztisztaságot igényel – ezt csak speciális nagytisztaságú gőzfejlesztők képesek biztosítani.

A hagyományos szűrés korlátai: képesek lesznek-e megfelelni a jövő tisztasági igényeinek?

A hagyományos gáztisztítás három kritikus területen nem képes megfelelni a 3 nm alatti gyártáshoz szükséges követelményeknek:

Friss ipari elemzések szerint a 3 nm-es gyártóüzemek 72%-ában a gyors hőkezelés során a gőzzel szállított szennyeződések meghaladják az ASML ajánlott küszöbértékeit. Ezek az eltérések újragondolást igényelnek a gázellátás molekuláris szintű tervezésében – éppen azt, amit a modern nagy tisztaságú gőzgenerátorok képesek megoldani a használati ponton történő tisztítással és valós idejű ppt szintű monitorozással.

Haladó Szennyeződés Kimutatás Nagy Tisztaságú Gőzgenerátor és Gázelemzés Segítségével

Trilliomod (ppt) Szintű Szennyeződés Kimutatásának Elérése

A modern gyártóüzemekben támasztott érzékelési követelmények körülbelül ezerszer magasabbak a régi rendszerekhez képest, mivel már az egyetlen molekulákban lévő szennyeződések is komoly problémákat jelentenek. Amikor az atmoszférikus nyomású ionizációs tömegspektrometria kombinálódik nagy tisztaságú gőzfejlesztőkkel, akkor a rendszer megbízható, trillió egységre lebontott (ppt) detektálási szintet nyújt, amely 60%-kal felülmúlja a hagyományos milliárd egységre lebontott (ppb) rendszereket. A 2 nm és 3 nm-es csomópontokban (node-ok) folyó félvezetőgyártás szempontjából különösen fontos ez a fokú érzékenység. Az iparág múlt évéből származó adatok egy meglepő tényt tárnak fel: olyan alacsony szintű szennyeződés, mint az 5 ppt oxigén vagy szénhidrogén, akár 12-18%-kal is csökkentheti a termelési hozamot szerte az iparágban.

A gőztisztasági rendszerek és a többkomponensű gázelemzési eszközök közötti szinergia

Az ultra tiszta gőz előállításának és az azonnali gázmonitoringnak a kombinálása jobb kontrollálást eredményez a gyártási környezetek szennyezőanyagai felett. Például, amikor a gázanalizátorok mindössze 2,7 trillió rész/lett illékony szerves vegyületet észlelnek, a gőztisztító rendszerek majdnem azonnal finomhangolják a vízkezelési beállításokat. Mi a végeredmény? A 300 mm-es lemezeket feldolgozó félvezetőgyáraknál a szennyeződési problémák körülbelül 70%-os csökkenését jelentette a 2023-as folyamatjelentések alapján. Ezek a létesítmények a hőmérsékletet 0,1 Celsius-foknál kisebb eltéréssel tartják fenn, ami kritikus fontosságú azokhoz a kifinomult atomi-rétegelőkészítő gépekhez, amelyeket a chipgyártás során használnak. A félvezetők vezető gyártói mára már általánossá tették ennek a rendszerintegrációnak a követelményét az ISO Class 1 tisztatér-szabványaik részeként.

GYIK

Miért olyan fontosak a nagy tisztaságú gőzgenerátorok a félvezetőgyárakban?

A nagy tisztaságú gőzgenerátorok elengedhetetlenek a félvezetőgyártásban, mivel molekuláris szintű extrém tisztaságot biztosítanak, ami kritikus fontosságú a 2 nm-es és 3 nm-es nanoméretű folyamatcsomópontoknál. Ez a tisztaság megakadályozza a hibákat és növeli a kitermelést, elkerülve a szennyeződést, amely súlyosan befolyásolhatja az eszközök működését.

Hogyan működnek a nagy tisztaságú gőzgenerátorok?

Ezek a generátorok korszerű tisztítási módszereket alkalmaznak, mint például hármas desztilláció és ultra alacsony szennyeződéstű szűrők, amelyek eltávolítják az ionokat, szerves anyagokat és fémeket. Emellett valós idejű felügyeleti technológiákat is használnak annak érdekében, hogy a szennyeződési szintek extrém alacsonyan maradjanak, így kielégítve a szigorú gyártási szabványokat.

Milyen gazdasági előnyöket jelentenek a nagy tisztaságú gőzgenerátorok a félvezetőgyártásban?

A magas tisztaságú gőzgenerátorok segítenek csökkenteni a hibákat, ezzel növelve a kitermelést. Ez a javulás gyártóüzemek számára millió dolláros megtakarítást jelenthet a magas termelési hatékonyság fenntartásával és a selejtes termékek újrafeldolgozásának csökkentésével.

Mik az 5 nm-nél kisebb gyártási folyamatban lévő szennyeződési kihívások?

Az 5 nm-nél kisebb csomópontok rendkívül érzékenyek a hibákra méretük miatt. Már egyetlen szennyező molekula is károsíthatja a működést, így szükség van korszerű szennyeződésfelismerő és tisztító rendszerekre, hogy fenntartsák a működési integritást és a kitermelést.