2. Af hverju hálfleiðaraiðnaðurinn krefst algjörs hreinleika

Til að skilja nauðsyn ofurhárs hreinleika verður maður að skilja umfang nútíma hálfleiðaraframleiðslu. Fullkomnustu flísar nútímans eru með smára sem eru aðeins nokkra nanómetrar á breidd. Til að setja þetta í samhengi er einn strengur af mannshári um 80.000 til 100.000 nanómetrar á þykkt.

Þegar þú ert að byggja mannvirki á atómstigi getur ein súrefnissameind eða smásjá vatnsdropi valdið skelfilegri bilun.

• Oxun: Óæskilegt súrefni getur brugðist við viðkvæmum sílikonbyggingum og breytt rafeiginleikum þeirra.

• Agnamengun: Jafnvel ein ögn getur skammhlaupið smára á nanóskala, sem gerir heilan hluta örflögunnar ónýtan.

• Lækkun ávöxtunar: Í frábærri vinnslu á þúsundum obláta á viku getur lítilsháttar lækkun á uppskeru vegna gasmengunar þýtt tugmilljóna dollara í tapuðum tekjum.

Þess vegna er hálfleiðara fljótandi argon sem komið er inn í hreinherbergisumhverfið verður að vera í grundvallaratriðum laust við hvarfgjörn aðskotaefni.

3. Kjarnanotkun hálfleiðara fljótandi argon

Ferðalag kísilskífunnar frá hráefni til fullunnar örgjörva tekur hundruð flókinna skrefa. Ofurhreint fljótandi argon er djúpt samofið nokkrum af mikilvægustu stigum þessa ferðalags.

3.1. Silicon Crystal Pulling (The Czochralski Process)

Grunnurinn að sérhverri örflögu er kísilskífan. Þessar oblátur eru sneiðar úr gríðarstórum einkristalla sílikonhleifum sem ræktaðar eru með Czochralski (CZ) aðferðinni. Í þessu ferli er mjög hreinsaður fjölkristallaður sílikon brætt í kvarsdeiglu við hitastig sem fer yfir 1.400°C. Frækristall er settur inn og dreginn hægt upp á við og dregur fullkominn sívalan kristal upp úr bræðslunni.

Meðan á þessu mikla hitauppstreymi stendur er bráðinn sílikon mjög hvarfgjarn. Ef það kemst í snertingu við súrefni eða köfnunarefni myndar það kísildíoxíð eða kísilnítríð og eyðileggur hreina kristalla uppbyggingu. Hér virkar argon sem fullkominn verndari. Ofninn er stöðugt hreinsaður með gufu ofurhreint fljótandi argon að skapa algjörlega óvirkt andrúmsloft. Vegna þess að argon er þyngra en loft, myndar það hlífðarteppi yfir bráðna sílikonið, sem tryggir að hleifurinn sem myndast sé fullkominn í byggingu og laus við smásæja galla.

3.2. Plasma æting og útfelling

Nútíma flögur eru byggðar í 3D lögum. Þetta felur í sér að smásæjum lögum af leiðandi eða einangrandi efnum er sett á diskinn og síðan æta í burtu tiltekna hluta til að búa til hringrásir.

• Sputtering (líkamleg gufuútfelling – PVD): Argon er aðalgasið sem notað er við sputtering. Í lofttæmishólfinu er argongas jónað í plasma. Þessum jákvætt hlaðnu argonjónum er síðan hraðað í markefni (eins og kopar eða títan). Hinn hreinni hreyfikraftur þungu argonjónanna slær atóm af skotmarkinu, sem síðan setjast jafnt á kísilskífuna. Argon er valið vegna þess að atómmassi þess hentar fullkomlega til að losa málmfrumeindir á skilvirkan hátt án þess að bregðast efnafræðilega við þau.

• Deep Reactive Ion Etching (DRIE): Þegar framleiðendur þurfa að æta djúpa, mjög nákvæma skurði í sílikon - sem er mikilvægt fyrir minniskubba og háþróaða umbúðir - er argon oft blandað við hvarfgjarnar lofttegundir til að koma á stöðugleika í plasma og hjálpa líkamlega sprengjuárás á yfirborðið og sópa burt ætum aukaafurðum.

3.3. DUV og EUV Lithography (Excimer Lasers)

Lithography er ferlið við að nota ljós til að prenta hringrásarmynstur á oblátuna. Þar sem hringrásir hafa dregist saman hafa framleiðendur þurft að nota ljós með sífellt styttri bylgjulengdum. Þetta er þar fljótandi argon rafeindatækni skerast ljóseðlisfræði.

Djúpútfjólublá (DUV) steinþrykk byggir að miklu leyti á ArF (argonflúoríð) excimer leysigeislum. Þessir leysir nota nákvæmlega stýrða blöndu af argon, flúor og neon lofttegundum til að búa til mjög einbeitt ljós með bylgjulengd 193 nanómetrar. Hreinleiki argonsins sem notaður er í þessum leysiholum er ótrúlega strangur. Öll óhreinindi geta rýrt leysigeislaljósfræðina, dregið úr styrk ljóssins og valdið því að steinþrykkjaferlið prentar óskýrar eða gallaðar hringrásir.

Jafnvel í nýrri Extreme Ultraviolet (EUV) lithography kerfum, gegnir argon mikilvægu hlutverki sem hreinsunargas til að halda viðkvæmu, mjög flóknu speglakerfin algjörlega laus við sameindamengun.

3.4. Hreinsun og hitavinnsla

Eftir að dópefni (eins og bór eða fosfór) hafa verið grædd í sílikonið til að breyta rafeiginleikum þess, verður að hita skífuna í háan hita til að gera við skemmdir á kristalgrindunum og virkja dópefnin. Þetta ferli, þekkt sem glæðing, verður að gerast í ströngu stjórnuðu, súrefnislausu umhverfi til að koma í veg fyrir að yfirborð skífunnar oxist. Stöðugt flæði af ofurhreinu argon veitir þetta örugga hitauppstreymi.

4. Liquid Argon Electronics: Kveikir á næstu kynslóð tækni

Hugtakið fljótandi argon rafeindatækni nær í stórum dráttum yfir vistkerfi hátæknitækja og framleiðsluferla sem eru háð þessu frostefnafræðilega efni. Þegar við förum inn í tímabil sem einkennist af gervigreind (AI), Internet of Things (IoT) og sjálfkeyrandi farartæki, fer eftirspurnin eftir öflugri, orkunýtnari flísum upp úr öllu valdi.

1. AI hröðunartæki og GPU: Stóru grafísku vinnslueiningarnar (GPU) sem þarf til að þjálfa gervigreind líkön eins og stór tungumálalíkön þurfa ótrúlega stórar, gallalausar kísildeyjur. Því stærri sem teningurinn er, því meiri líkur eru á því að eitt óhreinindi geti eyðilagt alla flöguna. Hið gallalausa umhverfi sem UHP argon býður upp á er ekki samningsatriði hér.

2. Skammtafræði: Þegar vísindamenn þróa skammtatölvur þurfa ofurleiðandi efnin sem notuð eru til að búa til qubita framleiðsluumhverfi með nærri núllmengun. Argonhreinsun er nauðsynleg við undirbúning og framleiðslu þessara næstu kynslóðar örgjörva.

3. Rafeindatækni: Rafknúin farartæki reiða sig á kísilkarbíð (SiC) og gallíumnítríð (GaN) kraftflís. Ræktun þessara samsettu hálfleiðarakristalla krefst jafnvel hærra hitastigs en venjulegs sílikons, sem gerir óvirka hlífðareiginleika argon enn mikilvægari.

5. Gagnrýni birgðakeðjunnar og uppsprettu

Að framleiða fljótandi argon af miklum hreinleika er undur nútíma efnaverkfræði. Það er venjulega dregið úr loftinu með því að nota frostefnaeimingu í stórum loftskiljunareiningum (ASU). Hins vegar er það aðeins hálf baráttan að framleiða gasið; það er jafn krefjandi að afhenda það í hálfleiðaraverkfærið án þess að tapa hreinleika.

Mengunareftirlit meðan á flutningi stendur

Sérhver loki, pípa og geymslutankur sem snertir ofurhreint fljótandi argon verður að vera sérstaklega rafpússaður og forhreinsaður. Ef flutningaskip hefur jafnvel smásjáan leka mun loftþrýstingur ekki bara hleypa argon út; frosthitastigið getur í raun dregið til sér óhreinindi í andrúmsloftinu inn, eyðileggur heila lotu.

Á frábæru stigi er fljótandi argon geymt í stórum lofttæmieinangruðum lausatönkum. Það er síðan látið fara í gegnum mjög sérhæfðar gufutæki og gashreinsitæki sem eru notaðar rétt áður en farið er inn í hreinherbergið.

Til að viðhalda samfelldri, samfelldri framleiðslu verða hálfleiðaraframleiðendur að eiga samstarf við efstu gasbirgja sem hafa náð tökum á þessari ströngu aðfangakeðju. Fyrir nýjustu aðstöðu sem leitast við að tryggja stöðugt, áreiðanlegt framboð af þessu mikilvæga efni með tryggðum hreinleikamælingum, kanna sérhæfðar iðnaðargaslausnir frá traustum veitendum eins og Huazhong Gas tryggir að ströngum stöðlum sé uppfyllt og að framleiðslustöðvun sé eytt.

6. Efnahags- og umhverfissjónarmið

Mikið magn af argon sem nútíma gigafab neytir er yfirþyrmandi. Ein stór hálfleiðaraframleiðsla getur neytt tugþúsunda rúmmetra af ofurhreinu gasi á hverjum einasta degi.

Sjálfbærni og endurvinnsla

Vegna þess að argon er eðalgas og er ekki neytt efnafræðilega í flestum hálfleiðaraferlum (það virkar aðallega sem líkamlegur skjöldur eða plasmamiðill), er vaxandi sókn innan iðnaðarins fyrir argon endurheimt og endurvinnslukerfi. Háþróuð verksmiðjur eru í auknum mæli að setja upp endurheimtareiningar á staðnum sem fanga argon útblástur frá kristaltogofnum og sputtering hólfum. Þetta gas er síðan endurhreinsað á staðnum. Þetta dregur ekki aðeins úr rekstrarkostnaði verksmiðjunnar umtalsvert, heldur lækkar það einnig kolefnisfótsporið sem tengist fljótandi vinnslu og flutningi á fersku argon yfir langar vegalengdir.

7. Framtíð argon í háþróaðri hnútaframleiðslu

Þegar hálfleiðaraiðnaðurinn þrýstir í átt að 2nm, 14A (angstrom) og víðar, er arkitektúr smára að breytast. Við erum að færa okkur frá FinFET yfir í Gate-All-Around (GAA) og að lokum til viðbótar FET (CFET) hönnun.

Þessar 3D mannvirki krefjast atómlagsútfellingar (ALD) og atómlagsætingar (ALE) - ferla sem meðhöndla sílikon bókstaflega eitt atóm í einu. Í ALD og ALE eru nákvæmlega stýrðir púlsar af argon notaðir til að hreinsa hvarfhólfið á milli efnaskammta, sem tryggir að efnahvörf eiga sér aðeins stað nákvæmlega þar sem ætlunin er á yfirborði lotukerfisins.

Eftir því sem nákvæmni eykst verður treyst á hálfleiðara fljótandi argon mun aðeins magnast. Hreinleikakröfurnar kunna jafnvel að fara fram úr núverandi 6N stöðlum, þrýsta inn á svið 7N (99,99999%) eða hærra og knýja áfram frekari nýsköpun í gashreinsun og mælifræðitækni.

Niðurstaða

Það er auðvelt að undrast fullunna örgjörvann — kísilstykki sem inniheldur milljarða smásjárrofa sem geta framkvæmt trilljónir útreikninga á sekúndu. Samt er þessi hápunktur mannfræðinnar algjörlega háður ósýnilegu þáttunum sem byggja hana upp.

Ofurhreint fljótandi argon er ekki bara verslunarvara; það er grunnstoð hálfleiðaraiðnaðarins. Allt frá því að verja bráðna fæðingu kísilkristalla til að virkja plasma sem sker út hringrásir á nanómetra mælikvarða, argon tryggir hið óspillta umhverfi sem er nauðsynlegt til að halda lögmáli Moore á lífi. Eins og landamæri fljótandi argon rafeindatækni stækka til að styðja gervigreind, skammtatölvun og háþróaða orkustýringu, eftirspurnin eftir þessum fullkomlega hreina, óvirka vökva mun halda áfram að vera drifkraftur á bak við alþjóðlega tækniframfarir.

Algengar spurningar

Spurning 1: Hvers vegna er fljótandi argon valið umfram aðrar óvirkar lofttegundir eins og köfnunarefni eða helíum í ákveðnum hálfleiðaraferlum?

A: Þó að köfnunarefni sé ódýrara og mikið notað sem almennt hreinsigas, er það ekki raunverulega óvirkt við mjög háan hita; það getur hvarfast við bráðið sílikon til að mynda sílikonnítríð galla. Helíum er óvirkt en mjög létt og dýrt. Argon hittir á „sætur blettinn“ - það er algjörlega óvirkt jafnvel við mikla hitastig, nógu þungt til að hylja bráðið sílikon á áhrifaríkan hátt og hefur fullkominn atómmassa til að losa frumeindir líkamlega í plasma-sputtering ferli án þess að valda óæskilegum efnahvörfum.

Spurning 2: Hvernig er ofurhreint fljótandi argon flutt til hálfleiðaraframleiðsluverksmiðja (fabs) án mengunar?

A: Að viðhalda hreinleika meðan á flutningi stendur er mikil skipulagsleg áskorun. UHP fljótandi argon er flutt í sérhæfðum, mjög einangruðum frystiflutningabílum. Innra yfirborð þessara geyma, sem og allir ventlar og flutningsslöngur, eru rafpússaðir í spegiláferð til að koma í veg fyrir útgas og agnalosun. Fyrir hleðslu fer allt kerfið í gegnum stranga lofttæmishreinsun. Þegar komið er á verksmiðjuna fer gasið í gegnum hreinsitæki sem nota á notkunarstað sem nota efnafræðilega getter tækni til að fjarlægja öll villandi ppt-stig (hlutar á trilljón) óhreinindi áður en argon nær til oblátunnar.

Spurning 3: Hvaða nákvæma hreinleika er krafist fyrir „hálfleiðara fljótandi argon“ og hvernig er það mælt?

A: Fyrir háþróaða hálfleiðaraframleiðslu verður hreinleiki argon almennt að vera að minnsta kosti „6N“ (99,9999% hreint), þó að sum háþróuð ferli krefjast 7N. Þetta þýðir að óhreinindi eins og súrefni, raki og kolvetni eru takmörkuð við 1 hluta af milljón (ppm) eða jafnvel hluta á milljarði (ppb). Þessi smáu óhreinindamagn er mæld í rauntíma á verksmiðjunni með því að nota mjög viðkvæman greiningarbúnað, eins og Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) og Gas Chromatography með massagreiningu (GC-MS), sem tryggir stöðugt gæðaeftirlit.