2. Ինչու է կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը պահանջում բացարձակ մաքրություն

Գերբարձր մաքրության անհրաժեշտությունը հասկանալու համար պետք է հասկանալ ժամանակակից կիսահաղորդիչների արտադրության մասշտաբները: Այսօրվա ամենաառաջադեմ չիպերն ունեն տրանզիստորներ, որոնց լայնությունը ընդամենը մի քանի նանոմետր է: Որպեսզի պատկերացնենք, թե մարդու մազի մեկ շարանը կազմում է մոտ 80,000-100,000 նանոմետր:

Երբ դուք ատոմային մակարդակով կառույցներ եք կառուցում, թթվածնի մեկ մոլեկուլը կամ ջրի մանրադիտակային կաթիլը կարող է աղետալի ձախողում առաջացնել:

• Օքսիդացում: Անցանկալի թթվածինը կարող է արձագանքել սիլիցիումի նուրբ կառուցվածքների հետ՝ փոխելով դրանց էլեկտրական հատկությունները:

• Մասնիկների աղտոտում. Նույնիսկ մեկ մոլորված մասնիկը կարող է կարճ միացնել նանոմաշտաբի տրանզիստորը՝ անօգուտ դարձնելով միկրոչիպի մի ամբողջ հատվածը:

• Եկամտաբերության նվազեցում. Շաբաթական հազարավոր վաֆլի մշակման գործարանում գազի աղտոտվածության պատճառով եկամտաբերության մի փոքր անկումը կարող է վերածվել տասնյակ միլիոնավոր դոլարների կորցրած եկամուտի:

Հետևաբար, ի կիսահաղորդչային հեղուկ արգոն Մաքուր սենյակ մուտքագրված միջավայրը պետք է սկզբունքորեն զերծ լինի որևէ ռեակտիվ աղտոտիչից:

3. Կիսահաղորդչային հեղուկ արգոնի հիմնական կիրառությունները

Սիլիկոնային վաֆլի հումքից մինչև պատրաստի միկրոպրոցեսոր ճանապարհորդությունը հարյուրավոր բարդ քայլեր է պահանջում: Գերբարձր մաքրության հեղուկ արգոնը խորապես ինտեգրված է այս ճանապարհորդության մի քանի ամենակարևոր փուլերին:

3.1. Սիլիկոնային բյուրեղների ձգում (Չոխրալսկու գործընթաց)

Ցանկացած միկրոչիպի հիմքը սիլիկոնային վաֆլի է: Այս վաֆլիները կտրատված են զանգվածային, մեկ բյուրեղյա սիլիցիումի ձուլակտորներից, որոնք աճեցվել են Չոխրալսկու (CZ) մեթոդով: Այս գործընթացում բարձր մաքրված պոլիբյուրեղային սիլիցիումը հալեցնում են քվարցային խառնարանում 1400°C-ից ավելի ջերմաստիճանում: Սերմերի բյուրեղը ներմուծվում է և դանդաղ ձգվում դեպի վեր՝ հալոցքից դուրս հանելով կատարյալ գլանաձև բյուրեղ:

Այս ծայրահեղ ջերմային գործընթացի ժամանակ հալած սիլիցիումը բարձր ռեակտիվ է: Եթե ​​այն շփվի թթվածնի կամ ազոտի հետ, այն կառաջացնի սիլիցիումի երկօքսիդ կամ սիլիցիումի նիտրիդ՝ ոչնչացնելով մաքուր բյուրեղային կառուցվածքը։ Այստեղ արգոնը հանդես է գալիս որպես վերջնական պաշտպան: Վառարանը շարունակաբար մաքրվում է գոլորշիացվածով գերբարձր մաքրության հեղուկ արգոն ամբողջովին իներտ մթնոլորտ ստեղծելու համար։ Քանի որ արգոնն ավելի ծանր է, քան օդը, այն պաշտպանիչ ծածկույթ է ստեղծում հալած սիլիցիումի վրա՝ ապահովելով, որ ստացված ձուլակտորը կառուցվածքային առումով կատարյալ է և զերծ մանրադիտակային թերություններից:

3.2. Պլազմայի փորագրում և նստեցում

Ժամանակակից չիպերը կառուցված են 3D շերտերով: Սա ենթադրում է հաղորդիչ կամ մեկուսիչ նյութերի մանրադիտակային շերտերի տեղադրում վաֆլի վրա և այնուհետև փորագրում որոշակի մասեր՝ շղթաներ ստեղծելու համար:

• Թրթռում (Ֆիզիկական գոլորշիների նստեցում – PVD): Արգոնը առաջնային գազն է, որն օգտագործվում է ցողման ժամանակ: Վակուումային խցիկում արգոն գազը իոնացվում է պլազմայի մեջ: Այս դրական լիցքավորված արգոնի իոններն այնուհետև արագացվում են թիրախային նյութի մեջ (օրինակ՝ պղնձի կամ տիտանի): Ծանր արգոնի իոնների բացարձակ կինետիկ ուժը ատոմները տապալում է թիրախից, որոնք այնուհետև հավասարաչափ նստում են սիլիցիումի վաֆլի վրա: Արգոնն ընտրվել է, քանի որ նրա ատոմային զանգվածը լիովին հարմար է մետաղի ատոմները արդյունավետորեն տեղահանելու համար՝ առանց դրանց հետ քիմիական ռեակցիայի:

• Deep Reactive Ion Etching (DRIE): Երբ արտադրողները պետք է խորը, բարձր ճշգրիտ խրամատները փորագրեն սիլիցիումի մեջ, որը կարևոր է հիշողության չիպերի և առաջադեմ փաթեթավորման համար, արգոնը հաճախ խառնվում է ռեակտիվ գազերի հետ, որպեսզի կայունացնի պլազման և օգնի ֆիզիկապես ռմբակոծել վաֆլի մակերեսը՝ հեռացնելով փորագրված կողմնակի արտադրանքները:

3.3. DUV և EUV լիտոգրաֆիա (Էքսիմեր լազերներ)

Լիտոգրաֆիան լույսի օգտագործման գործընթաց է վաֆլի վրա սխեմաները տպելու համար: Քանի որ սխեմաները փոքրացել են, արտադրողները ստիպված են եղել օգտագործել ավելի կարճ ալիքի երկարությամբ լույս: Ահա թե որտեղ հեղուկ արգոն էլեկտրոնիկա հատվում են օպտիկական ֆիզիկայի հետ։

Խորը ուլտրամանուշակագույն (DUV) լիտոգրաֆիան մեծապես հիմնված է ArF (Արգոն ֆտորիդ) էքսիմերային լազերների վրա: Այս լազերներն օգտագործում են արգոնի, ֆտորի և նեոնային գազերի ճշգրիտ կառավարվող խառնուրդ՝ 193 նանոմետր ալիքի երկարությամբ բարձր կենտրոնացված լույս ստեղծելու համար: Այս լազերային խոռոչներում օգտագործվող արգոնի մաքրությունը աներևակայելի խիստ է: Ցանկացած աղտոտվածություն կարող է քայքայել լազերային օպտիկան, նվազեցնել լույսի ինտենսիվությունը և պատճառ դառնալ, որ լիտոգրաֆիայի գործընթացում տպագրվեն մշուշոտ կամ թերի սխեմաներ:

Նույնիսկ ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն (EUV) լիտոգրաֆիայի նոր համակարգերում արգոնը կենսական դեր է խաղում որպես մաքրող գազ՝ նուրբ, խիստ բարդ հայելային համակարգերը լիովին զերծ մոլեկուլային աղտոտումից:

3.4. Կառուցում և ջերմային մշակում

Այն բանից հետո, երբ դոպանտները (ինչպես բորը կամ ֆոսֆորը) տեղադրվում են սիլիցիումի մեջ՝ փոխելու դրա էլեկտրական հատկությունները, վաֆլը պետք է տաքացվի բարձր ջերմաստիճանի, որպեսզի վերականգնի բյուրեղային ցանցի վնասը և ակտիվացնի դոպանները: Այս գործընթացը, որը հայտնի է որպես եռացում, պետք է տեղի ունենա խիստ վերահսկվող, թթվածնից զերծ միջավայրում, որպեսզի կանխվի վաֆլի մակերեսի օքսիդացումը: Գերմաքուր արգոնի շարունակական հոսքը ապահովում է այս անվտանգ ջերմային միջավայրը:

4. Հեղուկ արգոն էլեկտրոնիկա

Տերմինը հեղուկ արգոն էլեկտրոնիկա լայնորեն ներառում է բարձր տեխնոլոգիական սարքերի էկոհամակարգը և արտադրական գործընթացները, որոնք կախված են այս կրիոգեն նյութից: Երբ մենք շարժվում ենք դեպի մի դարաշրջան, որտեղ գերակշռում են Արհեստական ​​ինտելեկտը (AI), Իրերի ինտերնետը (IoT) և ինքնավար մեքենաները, ավելի հզոր, էներգաարդյունավետ չիպերի պահանջարկը կտրուկ աճում է:

1. AI արագացուցիչներ և GPU. Զանգվածային գրաֆիկական մշակման միավորները (GPUs), որոնք անհրաժեշտ են AI մոդելները վարժեցնելու համար, ինչպես մեծ լեզվական մոդելները, պահանջում են աներևակայելի մեծ, առանց թերությունների սիլիցիումի դիակներ: Որքան մեծ է մեռնելը, այնքան մեծ է հավանականությունը, որ մեկ անմաքրությունը կարող է փչացնել ամբողջ չիպը: UHP argon-ի տրամադրած անթերի միջավայրն այստեղ սակարկելի չէ:

2. Քվանտային հաշվարկ. Քանի որ հետազոտողները քվանտային համակարգիչներ են մշակում, գերհաղորդիչ նյութերը, որոնք օգտագործվում են քյուբիթներ ստեղծելու համար, պահանջում են արտադրական միջավայրեր՝ գրեթե զրոյական աղտոտվածությամբ: Արգոնի մաքրումը կարևոր է այս հաջորդ սերնդի պրոցեսորների կրիոգեն պատրաստման և արտադրության մեջ:

3. Power Electronics: Էլեկտրական մեքենաները հիմնված են սիլիցիումի կարբիդի (SiC) և գալիումի նիտրիդի (GaN) էներգիայի չիպերի վրա: Այս բաղադրյալ կիսահաղորդչային բյուրեղների աճեցման համար պահանջվում է նույնիսկ ավելի բարձր ջերմաստիճան, քան ստանդարտ սիլիցիումը, ինչը արգոնի իներտ պաշտպանիչ հատկությունները դարձնում է ավելի կենսական:

5. Մատակարարման շղթայի և աղբյուրների կարևորությունը

Գերբարձր մաքրության հեղուկ արգոն արտադրելը ժամանակակից քիմիական ճարտարագիտության հրաշալիք է: Այն սովորաբար արդյունահանվում է օդից՝ օգտագործելով կրիոգեն կոտորակային թորում օդի զանգվածային բաժանման միավորներում (ASUs): Այնուամենայնիվ, գազի արտադրությունը գործի միայն կեսն է. Այն կիսահաղորդչային գործիքին առանց մաքրության կորստի հասցնելը նույնքան դժվար է:

Տարանցման ընթացքում աղտոտման վերահսկում

Յուրաքանչյուր փական, խողովակ և պահեստային բաք, որը շոշափում է գերբարձր մաքրության հեղուկ արգոն պետք է հատուկ էլեկտրափայլեցվի և նախապես մաքրվի: Եթե ​​բեռնատարը նույնիսկ մանրադիտակային արտահոսք ունի, ապա մթնոլորտային ճնշումը պարզապես արգոն չի թողնի դուրս. կրիոգեն ջերմաստիճանը կարող է իրականում ներգրավել մթնոլորտային կեղտեր մեջ, փչացնելով մի ամբողջ խմբաքանակ։

Ֆաբ մակարդակում հեղուկ արգոնը պահվում է զանգվածային վակուումային մեկուսացված զանգվածային տանկերում: Այնուհետև այն փոխանցվում է բարձր մասնագիտացված գոլորշիացնող սարքերի և օգտագործման կետային գազ մաքրող սարքերի միջով մաքուր սենյակ մտնելուց անմիջապես առաջ:

Շարունակական, անխափան արտադրությունը պահպանելու համար կիսահաղորդչային արտադրողները պետք է համագործակցեն գազի ամենաբարձր մակարդակի մատակարարների հետ, ովքեր տիրապետում են մատակարարման այս խիստ շղթային: Ժամանակակից սարքավորումների համար, որոնք ցանկանում են ապահովել այս կարևոր նյութի շարունակական, հուսալի մատակարարումը երաշխավորված մաքրության չափանիշներով, ուսումնասիրելով մասնագիտացված արդյունաբերական գազի լուծումներ վստահելի մատակարարներից, ինչպիսիք են. Huazhong գազ ապահովում է, որ պահանջվող չափանիշները պահպանվեն, և արտադրության դադարեցման ժամանակը վերանա:

6. Տնտեսական և բնապահպանական նկատառումներ

Ժամանակակից gigafab-ի կողմից սպառվող արգոնի հսկայական ծավալը ապշեցուցիչ է: Կիսահաղորդիչների մեկ մեծ արտադրական հաստատությունը կարող է ամեն օր սպառել տասնյակ հազարավոր խորանարդ մետր գերմաքուր գազ:

Կայունություն և վերամշակում

Քանի որ արգոնը ազնիվ գազ է և քիմիապես չի սպառվում կիսահաղորդչային գործընթացների մեծ մասում (այն հիմնականում գործում է որպես ֆիզիկական պաշտպանիչ կամ պլազմային միջավայր), արդյունաբերության մեջ աճում է արգոնի վերականգնման և վերամշակման համակարգերը: Ընդլայնված ֆաբրիկաները ավելի ու ավելի են տեղադրում տեղում վերականգնման միավորներ, որոնք բռնում են արգոնային արտանետումները բյուրեղապակյա վառարաններից և ցրող խցիկներից: Այնուհետև այս գազը նորից մաքրվում է տեղում: Սա ոչ միայն զգալիորեն նվազեցնում է ֆաբրիկայի գործառնական ծախսերը, այլև նվազեցնում է ածխածնի հետքը, որը կապված է երկար հեռավորությունների վրա թարմ արգոնի հեղուկացման և տեղափոխման հետ:

7. Արգոնի ապագան առաջադեմ հանգույցների արտադրության մեջ

Քանի որ կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը մղվում է դեպի 2 նմ, 14 Ա (անգստրոմ) և ավելին, տրանզիստորների ճարտարապետությունը փոխվում է: Մենք FinFET-ից տեղափոխվում ենք Gate-All-Around (GAA) և, ի վերջո, դեպի լրացուցիչ FET (CFET) նախագծեր:

Այս 3D կառուցվածքները պահանջում են ատոմային շերտի նստեցում (ALD) և ատոմային շերտի փորագրում (ALE)՝ գործընթացներ, որոնք մանիպուլյացիայի են ենթարկում սիլիցիումը բառացիորեն մեկ ատոմ միաժամանակ: ALD-ում և ALE-ում արգոնի ճշգրիտ վերահսկվող իմպուլսները օգտագործվում են քիմիական դոզանների միջև ընկած ռեակցիայի պալատը մաքրելու համար՝ ապահովելով, որ ռեակցիաները տեղի են ունենում միայն ատոմի մակերեսի վրա նախատեսված տեղում:

Քանի որ ճշգրտությունը մեծանում է, ապավինում է կիսահաղորդչային հեղուկ արգոն միայն կուժեղանա։ Մաքրության պահանջները կարող են նույնիսկ գերազանցել ներկայիս 6N ստանդարտները՝ մղվելով դեպի 7N (99,99999%) կամ ավելի բարձր տիրույթ՝ խթանելով գազի մաքրման և չափագիտության տեխնոլոգիաների հետագա նորարարությունը:

Եզրակացություն

Հեշտ է հիանալ պատրաստի միկրոպրոցեսորով՝ սիլիցիումի մի կտոր, որը պարունակում է միլիարդավոր մանրադիտակային անջատիչներ, որոնք ունակ են վայրկյանում տրիլիոնավոր հաշվարկներ կատարել: Այնուամենայնիվ, մարդկային ճարտարագիտության այս գագաթնակետը ամբողջովին կախված է այն անտեսանելի տարրերից, որոնք կառուցում են այն:

Գերբարձր մաքրության հեղուկ արգոն դա պարզապես ապրանք չէ. այն կիսահաղորդչային արդյունաբերության հիմնաքարն է: Սիլիցիումի բյուրեղների հալված ծնունդը պաշտպանելուց մինչև պլազմա, որը նանոմետրի մասշտաբի սխեմաներ է ստեղծում, արգոնը երաշխավորում է մաքուր միջավայրը, որն անհրաժեշտ է Մուրի օրենքը կենդանի պահելու համար: Որպես սահմաններ հեղուկ արգոն էլեկտրոնիկա ընդլայնել՝ աջակցելու AI-ին, քվանտային հաշվարկներին և էներգիայի առաջադեմ կառավարմանը, այս կատարյալ մաքուր, իներտ հեղուկի պահանջարկը կշարունակի մնալ համաշխարհային տեխնոլոգիական առաջընթացի շարժիչ ուժը:

ՀՏՀ-ներ

Q1. Ինչո՞ւ է հեղուկ արգոնը նախընտրելի այլ իներտ գազերի նկատմամբ, ինչպիսիք են ազոտը կամ հելիումը որոշ կիսահաղորդչային գործընթացներում:

A: Թեև ազոտն ավելի էժան է և լայնորեն օգտագործվում է որպես ընդհանուր մաքրման գազ, այն իսկապես իներտ չէ ծայրահեղ բարձր ջերմաստիճանների դեպքում. այն կարող է արձագանքել հալած սիլիցիումի հետ՝ առաջացնելով սիլիցիումի նիտրիդային թերություններ: Հելիումը իներտ է, բայց շատ թեթև և թանկ: Արգոնը հարվածում է «քաղցր կետին». այն ամբողջովին իներտ է նույնիսկ ծայրահեղ ջերմաստիճանի դեպքում, բավականաչափ ծանր է, որպեսզի արդյունավետ կերպով ծածկի հալած սիլիցիումը, և ունի կատարյալ ատոմային զանգված՝ պլազմայի ցրման գործընթացում ատոմները ֆիզիկապես հեռացնելու համար՝ առանց անցանկալի քիմիական ռեակցիաներ առաջացնելու:

Q2. Ինչպե՞ս է գերբարձր մաքրության հեղուկ արգոնը տեղափոխվում կիսահաղորդչային արտադրամասեր (ֆաբս) առանց աղտոտման:

A: Տարանցման ընթացքում մաքրության պահպանումը լուրջ լոգիստիկ մարտահրավեր է: UHP հեղուկ արգոնը տեղափոխվում է մասնագիտացված, բարձր մեկուսացված կրիոգեն լցանավերով: Այս տանկերի ներքին մակերեսները, ինչպես նաև բոլոր փականները և փոխանցման գուլպաները էլեկտրոլոլացված են մինչև հայելային ծածկույթ՝ կանխելու արտահոսքը և մասնիկների թափումը: Նախքան բեռնումը, ամբողջ համակարգը ենթարկվում է խիստ վակուումային մաքրման: Ֆաբբ ժամանելուն պես գազն անցնում է օգտագործման կետի մաքրիչներով, որոնք օգտագործում են քիմիական ստացող տեխնոլոգիաներ՝ հեռացնելու ցանկացած մոլորված ppt մակարդակի (մասեր տրիլիոնի համար) կեղտերը, նախքան արգոնը կհասնի վաֆլի:

Q3. Ինչպիսի՞ մաքրության ճշգրիտ մակարդակ է պահանջվում «կիսահաղորդչային հեղուկ արգոնի» համար և ինչպե՞ս է այն չափվում:

A: Կիսահաղորդիչների առաջադեմ արտադրության համար արգոնի մաքրությունը սովորաբար պետք է լինի առնվազն «6N» (99,9999% մաքուր), չնայած որոշ առաջադեմ գործընթացներ պահանջում են 7N: Սա նշանակում է, որ կեղտերը, ինչպիսիք են թթվածինը, խոնավությունը և ածխաջրածինները, սահմանափակվում են միլիոնում 1 մասով (ppm) կամ նույնիսկ միլիարդով մասերով (ppb): Այս մանր կեղտոտության մակարդակները չափվում են իրական ժամանակում ֆաբ-ում՝ օգտագործելով բարձր զգայուն վերլուծական սարքավորումներ, ինչպիսիք են Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) և գազային քրոմատոգրաֆիա զանգվածային սպեկտրոմետրով (GC-MS), ապահովելով որակի շարունակական վերահսկողություն: