Як генератор пари високої очищеності зменшує ризики забруднення

Ключова роль генератора пари високої очищеності у сучасних напівпровідникових фабриках

Зростаюча чутливість до домішок у напівпровідникових вузлах 2 нм і 3 нм

Коли ми переходимо до тих дуже дрібних техпроцесів 2 нм і 3 нм, напівпровідникові фабрики стикаються з серйозними проблемами забруднення. Одна лише молекула вуглеводню серед 10^12 частинок пари достатня, щоб вивести пристрій з ладу. Раніше, на більш старших техпроцесах 7 нм і більше, виробники могли допускати домішки на рівні частин на мільярд. Але тепер, при виготовленні на рівні 3 нм, їм потрібна чистота на рівні частин на трильйон. Це приблизно в тисячу разів чистіше, ніж раніше. Чому такі жорсткі вимоги? Справа в тому, що тепер розмір транзисторних ключів становить усього близько 12–15 атомів кремнію. Навіть найменші домішки на рівні ангстремів порушують квантові тунельні ефекти та підривають цілісність оксидних шарів, що, власне, означає, що пристрої перестають нормально працювати.

Як генератор надчистого пару забезпечує молекулярну чистоту

Генератори пари високої чистоти сьогодні досягають неймовірних рівнів чистоти на молекулярному рівні завдяки процесам триступеневої дистиляції та сучасним фільтрам з наднизьким вмістом частинок, які працюють з ефективністю до 0,001 мікрона. Ці системи практично видаляють майже всі шкідливі домішки — мова йде про видалення понад 99,9999% іонів, органічних речовин, металів та інших забруднювачів. Це має велике значення, коли пар стикається з чутливими матеріалами, такими як фоторезистні покриття або кремнієві пластини під час виробництва. Деякі з новітніх передових систем оснащені вбудованим моніторингом у реальному часі, який використовує мас-спектрометричну технологію для контролю рівнів домішок, щоб забезпечити їхній рівень нижче 5 частин на трильйон. Це цілком логічно, адже ці машини мають відповідати стандартам «Індустрії 4.0» для розумного виробництва, про які всі говорять сьогодні.

Приклад з практики: Впровадження на фабриці з виробництва напівпровідників за технологією 3 нм

Один з провідних виробників мікросхем зафіксував значне зменшення дефектів пластин після встановлення цих генераторів пари високої чистоти в усіх процесах окиснення та відпалу. Справжній ефект забезпечив замкнений контур керування системи, який підтримував електропровідність пари на рівні приблизно 0,055 мікросіменс на сантиметр, що насправді вдвічі менше, ніж у попередніх систем. У результаті, вийовкність збільшилася на 12%, особливо під час виготовлення 3-нм транзисторів типу FinFET. Після запуску всього обладнання кількість частинок склала всього 0,2 частинки на мілілітр або більше при розмірі частинок понад 0,1 мікрона. Цей рівень продуктивності перевищив вимоги стандарту SEMI F57, передбачені для цих передових виробничих процесів, що свідчить про значне покращення контролю якості.

Інтеграція з моніторингом чистоти в режимі реального часу в точці використання (POU)

Сучасні генератори пари тепер виготовляються з датчиками, вбудованими безпосередньо в кожну станцію розподілу, які передають неперервні потоки даних у центральні системи технічного обслуговування. Такі системи зменшують час простою, викликаний проблемами забруднення, на 25–30% під час попередніх випробувань, оскільки вони вчасно виявляють зношення фільтрів за два дні до їхнього фактичного виходу з ладу. У поєднанні з інтелектуальним аналізом даних за допомогою штучного інтелекту для виявлення незвичайних патернів, уся система здатна працювати майже безперервно з вражаючим рівнем доступності 99,9996%. Це має велике значення для підприємств з виробництва напівпровідників, які щорічно приносять мільярди доларів, адже втрата лише одного години виробництва обходиться їм у понад 740 000 доларів США, згідно з нещодавніми дослідженнями інституту Ponemon за 2023 рік.

Вплив забруднення на вихід напівпровідників та економіку виробництва

Як частинки та молекулярні домішки зменшують вихід на нанометрових техпроцесах

Коли ми переходимо до цих вузлів процесу 2 нм і 3 нм, характеристики стають настільки малими, що вони складають приблизно лише 15–20 атомів у поперечному перерізі, що робить їх надзвичайно чутливими до будь-якого забруднення. Дрібні частинки розміром приблизно 2 нм насправді можуть порушити шаблони літографії EUV під час виготовлення. Існує також проблема молекулярних забруднювачів, таких як молекули кисню або залишки вуглеводнів, які в кінцевому підсумку псують шари оксиду затвору. Аналіз того, що дослідники виявили щодо стандартів чистоти газів, демонструє ще більш непокоячу картину. Якщо рівень повітряних молекулярних основ (AMB) перевищує 0,1 частини на мільярд, підприємства, що виробляють сучасні логічні чіпи, стикаються зі зниженням виходу продукції приблизно на 12%. Через цю екстремальну чутливість, класи чистоти повинні підтримувати умови, кращі за стандарт ISO Class 1 в окремих зонах. Незважаючи на це, навіть під час нормального дихання працівників у цих приміщеннях, забруднювачі, що містяться в їхньому видиханому повітрі, можуть досягати рівнів, достатніх для потенційної шкоди делікатним виробничим процесам, що відбуваються там.

Економічні витрати на дефекти у виробництві напівпровідників у великих обсягах

Фінансовий удар від забруднення стає дуже серйозним, коли обсяги виробництва зростають. Візьмімо, наприклад, фабрику, яка обробляє приблизно 100 тисяч пластин щомісяця. Якщо їхній вихід продукції знизиться всього на 1%, це може призвести до втрат майже 58 мільйонів доларів щороку. І це навіть не враховує того, що кожна сучасна пластина сьогодні коштує понад 30 тисяч доларів. Галузь напівпровідників планує побудувати 18 нових виробничих потужностей до 2025 року, тому контроль забруднення тепер має значення не лише для економії коштів — це впливає на весь річний ринок, обсяг якого становить 740 мільярдів доларів. Встановлення генераторів високочистого пару безпосередньо там, де вони потрібні на майданчику, скорочує потребу в переобробці дефектної продукції приблизно на третину. Це чітко демонструє виробникам, чому доцільно інвестувати в рішення для забезпечення чистоти, щоб захистити прибуток у таких дорогих виробничих операціях.

Виклики щодо підтримки чистоти при виготовленні на рівні менше 3 нм

Експоненційне зростання чутливості до дефектів через зменшення техпроцесу

На техпроцесах менше 3 нм чутливість до дефектів зростає експоненційно — одна лише частинка розміром 0,5 нм може вивести з ладу 4% функціональності чіпа, згідно з Звітом про чистоту напівпровідників за 2024 рік. Лінії виробництва тепер стикаються з:

• на 400% вищими показниками кількості дефектних частинок порівняно з процесами 5 нм
• втратами 18% пластин пов’язаними з молекулярними домішками в технологічних газах
• Кореляцією між коливаннями забруднення на рівні ±0,1 ппм та відхиленням виходу продукції на 0,8%

У цьому середовищі для критичних етапів окиснення потрібно використовувати пару чистотою нижче 0,1 ппт — цього можна досягти лише за допомогою сучасних генераторів пари високої чистоти.

Обмеження традиційних методів фільтрації: чи можуть вони відповідати майбутнім вимогам до чистоти?

Традиційна газова фільтрація не відповідає трьом ключовим вимогам для виробництва на техпроцесах менше 3 нм:

Нещодавній аналіз галузі показує, що 72% підприємств з виробництва 3 нм стикаються з вмістом забруднювачів, що перевищує рекомендовані ASML рівні під час швидкої термічної обробки. Ці проблеми потребують повторного проектування подачі газу на молекулярному рівні — саме це і забезпечують сучасні генератори високочистого пару за допомогою очищення безпосередньо в точці використання та постійного моніторингу на рівні частин на трильйон (ppt).

Сучасне виявлення домішок, яке забезпечується генератором високочистого пару та аналізом газів

Досягнення рівня виявлення забруднювачів у частинках на трильйон (ppt)

Вимоги до виявлення забруднень на сучасних виробничих об'єктах зросли приблизно в 1000 разів порівняно зі старими системами, адже навіть забруднення на рівні окремих молекул може викликати серйозні проблеми. Коли мас-спектрометрію при атмосферному тиску поєднують із генераторами високочистого пару, це забезпечує надійний рівень виявлення на рівні часток на трильйон, що перевершує традиційні системи з виявленням на рівні часток на мільярд приблизно на 60%. Для виробництва напівпровідників за технологіями 2 нм та 3 нм така чутливість має велике значення. З минулорічних даних галузі видно щось досить вражаюче: рівні забруднення, що не перевищують 5 часток на трильйон кисню або вуглеводнів, можуть скоротити вихід продукції на 12–18% загалом.

Синергія між системами чистоти пару та багатокомпонентними газоаналізувальними приладами

Поєднання виробництва надчистого пару з миттєвим моніторингом газу забезпечує кращий контроль забруднювачів у виробничих середовищах. Наприклад, коли газові аналізатори виявляють усього 2,7 частин на трильйон летких органічних сполук, системи очищення пару майже відразу коригують налаштування обробки води. Результат? За даними процесних звітів 2023 року, фабрики з обробки напівпровідників, що використовують 300-мм пластини, фіксують зниження кількості проблем із частинками на 70%. Ці об'єкти також підтримують стабільні температури з похибкою менше 0,1 градуса Цельсія, що є критичним для тих самих машин для атомно-шарового осадження, які використовуються в виробництві мікросхем. Більшість провідних виробників напівпровідників тепер почали вимагати такого роду інтеграцію систем як частину своїх стандартів чистих кімнат ISO Class 1.

ЧаП

Чому генератори високочистого пару є критичними для фабрик з виробництва напівпровідників?

Генератори пари високої чистоти є важливими для виробництва напівпровідників, тому що забезпечують надзвичайну чистоту на молекулярному рівні, що критично важливо для дуже малих технологічних норм 2 нм та 3 нм. Ця чистота запобігає виникненню дефектів і підвищує вихід придатних напівпровідникових пристроїв, усуваючи забруднення, яке може серйозно вплинути на їхню роботу.

Як працюють генератори пари високої чистоти?

Ці генератори застосовують сучасні методи очищення, такі як триступенева дистиляція та ультратонкі фільтри для видалення мікрочастинок, щоб прибрати домішки, у тому числі іони, органічні речовини та метали. Крім того, вони використовують технології безперервного моніторингу, щоб гарантувати надзвичайно низький рівень домішок, необхідний для виконання суворих вимог виробництва.

Які економічні вигоди приносять генератори пари високої чистоти виробництву напівпровідників?

Генератори пари високої чистоти допомагають зменшити дефекти, тим самим підвищуючи вихід. Це покращення може заощадити мільйони доларів для виробничих потужностей за рахунок підтримки високої ефективності виробництва та зменшення потреби в доопрацюванні дефектних продуктів.

Які є виклики забруднення в процесі виготовлення під 3 нм?

Вузли під 3 нм мають високу чутливість до дефектів через їхню малу величину. Навіть одна молекула домішки може порушити функціональність, тому необхідні передові системи виявлення забруднень та їх очищення для забезпечення цілісності роботи та виходу.