Í heimi nútímatækni er hálfleiðari er konungur. Þessar pínulitlu, flóknu flísar knýja allt frá snjallsímum okkar til bíla okkar og gagnavera sem reka internetið. En hvað knýr sköpun þessara flísa? Svarið, furðu, er gasi. Ekki bara hvaða gasi, en háhreinar lofttegundir af ólýsanlegum hreinleika. Sem Allen, eigandi verksmiðju með sjö framleiðslulínum sem sérhæfa sig í iðnaðarlofttegundum, hef ég séð af eigin raun hvernig krafan um hreinleika hefur rokið upp. Þessi grein er fyrir viðskiptaleiðtoga eins og Mark Shen, sem eru í fararbroddi gasi aðfangakeðju. Þú skilur gæði og verð, en til að leiða raunverulega á þessum markaði þarftu að skilja hvers vegna. Við munum afmystify hinn flókna heim hálfleiðaraframleiðsla, útskýrir á einfaldan hátt hvers vegna einn villast ögn í a gasi straumur getur kostað verksmiðju milljónir. Þetta er leiðarvísir þinn til að tala tungumálið hálfleiðaraiðnaður og verða ómissandi félagi.

Hvaða hlutverki gegnir gas við að búa til hálfleiðaraflís?

Í kjarna þess, hálfleiðaraframleiðsla er ferli til að byggja smásæjar, marglaga rafrásir á þunnum diski af sílikon, þekktur sem a obláta. Ímyndaðu þér að reyna að byggja skýjakljúf á stærð við frímerki, með milljörðum herbergja og gangna. Það er mælikvarðinn sem við erum að tala um. Til að ná þessu geturðu ekki notað líkamleg verkfæri. Í staðinn, allt framleiðsluferli byggir á röð nákvæmra efnahvarfa, og aðal burðarefnið fyrir þessi viðbrögð er gasi.

Lofttegundir virka sem ósýnilegu hendurnar sem byggja þessar hringrásir. Þeir vinna mörg mikilvæg störf. Sumir, eins og köfnunarefni, skapa fullkomlega hreint og stöðugt umhverfi, koma í veg fyrir óæskileg viðbrögð. Aðrir, þekktir sem vinnslugas, eru raunverulegar byggingareiningarnar eða útskurðarverkfærin. Til dæmis, sérstakur tegund af gasi gæti verið notað til að setja smásæju lag af leiðandi efni, en annað gasi er vanur að einmitt etsa burt efni til að mynda hringrás. Hvert einasta skref, frá því að þrífa obláta að byggja endanlega smára, felur í sér sérstaka gasi eða blanda af lofttegundum. Nákvæmnin á gasflæði og efnasamsetning þess ræður beint árangri flísaframleiðsla ferli.

Af hverju er hreinleiki svo mikilvægur í hálfleiðaraframleiðslu?

Í daglegu lífi okkar, smá ryk eða loftmengun er ekkert mál. En inni í a hálfleiðari framleiðsluverksmiðja, eða "fab", það er stórslys. Íhlutirnir sem verið er að byggja á a sílikon obláta eru oft mæld í nanómetrum — það er milljarðaustu úr metra. Til að setja það í samhengi er eitt mannshár um 75.000 nanómetrar á breidd. Örlítið ryk ögn þú getur ekki einu sinni séð er risastór klöpp í heimi hálfleiðari tilbúningur.

Þetta er ástæðan hreinleika er einn mikilvægasti eiginleiki lofttegundanna notað í hálfleiðara framleiðslu. Sérhver óæskileg sameind - hvort sem það er flökkuvatnssameind, pínulítill málmur ögn, eða öðruvísi gasi sameind—er talin vera óhreinindi. Þetta mengun getur algjörlega truflað hið viðkvæma efnahvörf fer fram á oblátayfirborði. Einhleypur óhreinindi getur hindrað myndun hringrásar, valdið skammhlaupi eða breytt rafeiginleikar hálfleiðarans efni. Vegna þess að einhleypur obláta getur innihaldið hundruð eða þúsundir einstakra spilapeninga, ein pínulítil mistök geta leitt til gríðarlegs fjárhagstjóns. Allt ferlið krefst þess hæsta stig hreinleika að vinna yfirleitt.

Hvernig hrynja óhreinindi í lofttegundum hálfleiðaraframleiðslu?

Þegar an óhreinindi er til staðar í ferli gasi, það getur valdið „morðingja galla." Þetta er ekki bara lítill galli; það er a galla sem gerir alla örflöguna á þeim hluta obláta gagnslaus. Við skulum skoða hvernig þetta gerist. Á meðan útfelling áfanga, þar sem verið er að byggja þunnar filmur lag fyrir lag, óæskilegt ögn getur lent á yfirborðinu. Þegar næsta lag er sett ofan á myndar það smásæja högg eða tómarúm. Þessi galli getur rofið rafmagnstenginguna eða búið til óviljandi, sem í raun eyðilagt smára sem verið er að smíða.

Afleiðingarnar af þessu eru hrikalegar fyrir botninn á stórkostlegum. Aðal mæligildið fyrir árangur í a hálfleiðari fab er "yield" - hlutfall vinnandi flögum sem framleitt er úr einum obláta. Jafnvel lítið fall inn ávöxtun, frá 95% til 90%, getur táknað milljónir dollara í tapuðum tekjum. Gas óhreinindi eru bein orsök minnkunar ávöxtun. Þetta er ástæðan hálfleiðara framleiðendur eru helteknir af hreinleika gassins. Þeir þurfa að vera vissir um að gasi að slá inn margra milljarða dollara verkfæri þeirra er algerlega laus við neitt mengunarefni sem gæti farið úr vegi framleiðsluferli hálfleiðara. Þetta er leikur af smásæi nákvæmni þar sem ekkert pláss er fyrir villur.

Hverjar eru lykilgastegundirnar sem notaðar eru í hálfleiðaraframleiðslu?

Umfang lofttegunda sem notaðar eru í hálfleiðaraiðnaður er umfangsmikið, en þeir falla almennt í tvo flokka: lausalofttegundir og sérlofttegundir.

• Magnlofttegundir: Þetta er notað í gríðarlegu magni og mynda grunninn að framleiðsluumhverfinu.

  • Köfnunarefni (N₂): Þetta er vinnuhesturinn. Ofurhár hreinleika Nitur er notað til að búa til óvirkt „andrúmsloft“ inni í framleiðsluverkfærunum. Þetta hreinsar súrefni, raka og aðrar agnir, kemur í veg fyrir óæskilega oxun eða mengun af obláta.
  • Vetni (H₂): Oft notað í samsetningu með öðrum lofttegundum, vetni skiptir sköpum fyrir víst útfelling ferli og til að búa til mjög sérstakt efnaumhverfi sem þarf til að byggja smára mannvirki.
  • Argon (Ar): Sem óvirkur gasi, Argon er notað í ferli sem kallast sputtering, þar sem það er notað til að sprengja skotmarksefni, sleppa frumeindum sem síðan setjast á obláta. Það er líka notað til að búa til plasma í mörgum etsa ferlum.

• Sérstakar gastegundir: Þetta eru flóknar, oft hættulegar og mjög hannaðar lofttegundir sem notaðar eru í sérstökum vinnsluþrepum. Þau eru "virku" innihaldsefnin.

  • Etchants: Lofttegundir eins og klór (Cl₂) og vetnisbrómíð (HBr) eru notaðar til að skera eða etsa mynstur inn í lögin á obláta.
  • Lyfjaefni: Lofttegundir eins og arsín (AsH₃) og fosfín (PH₃) eru notaðar til að kynna tiltekið óhreinindi inn í sílikon að breyta rafeiginleikum þess, sem er hvernig smára er stjórnað.
  • Útfellingarlofttegundir: Sílan (SiH₄) er klassískt dæmi, notað sem uppspretta sílikon að leggja inn þunnar filmur.

Fyrir innkaupafulltrúa eins og Mark er mikilvægt að vita að þó allar þessar lofttegundir séu ólíkar, þá deila þær einni sameiginlegri kröfu: öfgafullt hreinleika.

Getur þú útskýrt útfellingu og ætingu á einföldum orðum?

Hálfleiðaraframleiðsla felur í sér hundruð þrepa, en flest þeirra eru afbrigði af tveimur grundvallarferlum: útfelling og etsa. Að skilja þetta á einfaldan hátt er lykillinn að því að skilja hlutverk gasi.

1. Útfelling: Byggja lögin
Hugsaðu þér útfelling eins og að úða með sameindum. Markmiðið er að bæta ofurþunnu, fullkomlega samræmdu lagi af efni á sílikonskífa.

• Ferlið: Ferli gasi (eins og sílan) er blandað saman við a flutningsgas (eins og köfnunarefni eða vetni). Þetta gasi blandan er síðan sett inn í hólf sem inniheldur obláta. A efnahvörf kemur af stað, oft vegna hita eða a plasma, sem veldur því að sameindir "fellast út" úr gasi og mynda fast efni þunn filma á oblátayfirborði.
• Hvers vegna hreinleiki skiptir máli: Ef það er mengunarefni ögn í gasi streymi, það er eins og rykkorn sem kemst inn í úðamálninguna þína. Það verður fellt inn í nýja lagið og skapar burðarvirki galla. Ef það er óæskilegt gasi sameind, getur það brugðist rangt og breytt efnasamsetningu og rafeiginleikum lagsins.

2. Æsing: Útskurður á hringrásunum
Eftir að hafa byggt lag þarftu að skera hringrásarmynstrið inn í það. Æsa er ferlið við að fjarlægja efni með vali.

• Ferlið: The obláta er húðuð með ljósnæmu efni sem kallast photoresist. Mynstri er varpað á það (eins og stencil). Útsettu svæðin eru síðan hert. The obláta er síðan sett í hólf fyllt með ætandi efni gasi (eins og flúor-undirstaða efnasamband). Þetta gasi er orkugjafi í a plasma ástand, sem gerir það mjög viðbragð. The plasma sprengir á obláta, efnafræðilega éta í burtu efnið aðeins á þeim svæðum sem ekki eru vernduð af stencilnum.
• Hvers vegna hreinleiki skiptir máli: Óhreinindi í lofttegundum notað til ætingar getur breytt hvarfhraða. Þetta gæti valdið því að hringrásirnar séu ristar of breiðar, of þröngar eða alls ekki. Málmur ögn óhreinindi gæti jafnvel lokað á etsa vinnsla á einum pínulitlum stað og skilur eftir sig „póst“ af óæskilegu efni sem styttir hringrásina.

Hvernig er ofurhár gashreinleiki mældur og viðhaldið?

Í alheims hálfleiðaraiðnaður, staðlaðar hreinleikamælingar eins og "prósent" eru gagnslausar. Við erum að fást við mengun á mælikvarða sem erfitt er að skilja. Hreinleiki er mældur í hlutar á trilljón (ppt). Þetta þýðir fyrir hvert trilljón gasi sameindir, það geta aðeins verið ein eða tvær óhreinindasameindir.

Til að ná og sannreyna þetta stig af hreinleika gassins, háþróað kerfi af gashreinsun og greiningar er krafist.

Í verksmiðjunni okkar framleiðum við ekki bara gasi; við lifum og öndum gæðaeftirlit. The gas framboð keðja fyrir a hálfleiðari fab felur í sér sérhæfða hreinsitæki sem eru sett upp strax á notkunarstað. Ennfremur háþróaður gasgreiningu verkfæri eru notuð til rauntíma eftirlit. Tækni eins og jónunarmassi andrúmsloftsþrýstings litrófsmælingar (APIMS) geta framkvæmt óhreinindagreining niður í hlutum á trilljón stig, sem tryggir uhp bensín (ofur-hár hreinleiki) inn í vinnslutólið er fullkomið.

Hvað gerir birgja af háhreinu gasi áreiðanlegan?

Fyrir innkaupastjóra eins og Mark, sem hefur upplifað sársauka við tafir á sendingu og sviksamleg vottorð, er áreiðanleiki allt. Í heimi Háhreinleiki hálfleiðari lofttegundir, hvílir áreiðanleiki á þremur stoðum: Samræmi í framleiðslu, gæðatryggingu og flutningsþekkingu.

1. Framleiðslusamræmi: Áreiðanlegur birgir verður að hafa öfluga og óþarfa framleiðslugetu. Sjö framleiðslulínur verksmiðjunnar okkar tryggja til dæmis að við getum það mæta mikilli eftirspurn og að vandamál á einni línu stöðvar ekki alla framleiðslu okkar. Þetta lágmarkar hættuna á truflunum á framboði sem gæti stöðvað marga milljarða dollara hálfleiðari fab.
2. Sannanleg gæðatrygging: Það er ekki nóg að halda því fram að þú hafir háhreint gas. Þú verður að geta sannað það. Þetta þýðir að fjárfesta í nýjustu greiningarbúnaði fyrir óhreinindagreining. Það þýðir líka að veita gagnsæ, rekjanleg greiningarvottorð (CoA) með hverri sendingu. Að berjast gegn vottorðssvikum snýst um að byggja upp langtímasamband sem byggir á trausti og sannanlegum gögnum.
3. Logistic sérfræðiþekking: Að fá a ætandi gas eða cryogenic vökvi frá Kína til Bandaríkjanna er ekki einfalt. Það krefst sérhæfðra gáma, þekkingar á alþjóðlegum skipareglum og nákvæmrar skipulagningar til að forðast tafir. Áreiðanlegur birgir skilur að þetta er ekki bara að senda kassa; það er að stjórna mikilvægum hluta heimsins hálfleiðari aðfangakeðju.

Hver er munurinn á magngasi og sérgasi?

Að skilja muninn á milli magn gas og sérgas er lykilatriði fyrir alla sem taka þátt í innkaupum fyrir hálfleiðaraiðnaður. Þó bæði krefjast öfga hreinleika, umfang þeirra, meðhöndlun og notkun eru mjög mismunandi.

Magnlofttegundir, eins og Magn háhreinleika sérlofttegunda, vísa til lofttegundir eins og köfnunarefni, súrefni, argon og vetni. Þær eru grunnurinn að umhverfi álversins. Hugtakið „magn“ vísar til gríðarlegra magns sem notað er. Þessar lofttegundir eru oft framleiddar á staðnum eða í nágrenninu og afhentar um sérstakar leiðslur beint í innra dreifikerfi verksmiðjunnar. Helstu áskoranir hér eru að viðhalda hreinleika yfir víðfeðmt dreifikerfi og tryggja óslitið framboð í miklu magni.

Sérgas (eða rafeindagasi) vísar til breiðs flokks oft framandi, hvarfgjarnra eða hættulegra lofttegunda sem notaðar eru í minna magni fyrir ákveðin vinnsluþrep eins og ætingu og útfelling. Sem dæmi má nefna sílan, ammoníak, bórtríklóríð og köfnunarefnistríflúoríð. Þetta eru afhentir í einstökum háþrýstihylkjum. Áskoranirnar með sérgas eru afar öryggi við meðhöndlun, tryggja fullkomna blöndunarsamkvæmni fyrir gasblöndur og koma í veg fyrir öll efnahvörf innan hólksins sem gætu komið í veg fyrir gasgæði.

Hvernig þróast eftirspurnin eftir háhreinu hálfleiðaragasi?

The hálfleiðaraiðnaður stendur aldrei kyrr. Lögmál Moores, sú athugun að fjöldi smára á flís tvöfaldast um það bil á tveggja ára fresti, heldur áfram að þrýsta á mörk eðlisfræðinnar. Þegar smári minnkar verða þeir veldisvísis næmari fyrir mengun. A kornastærð sem var ásættanlegt fyrir fimm árum síðan er „morðingja galla"í dag.

Þessi stanslausa akstur fyrir smærri og öflugri flís þýðir eftirspurn eftir enn hærra stigum hreinleika gassins fer vaxandi. Við erum að færast frá heimi þar sem hlutar á milljarð var gulls ígildi yfir í heim þar sem hlutar á hverja billjón er lágmarks aðgangsskilyrði fyrir háþróaður hálfleiðari hnúta. Ennfremur þurfa ný efni og flísararkitektúr, eins og 3D NAND og Gate-All-Around (GAA) smári, alveg nýtt safn af næstu kynslóðar gas blöndur og forefni. Sem gasframleiðendur, við erum í stöðugu kapphlaupi nýsköpunar, þróum nýja hreinsunartækni og greiningaraðferðir til að halda í við alheims hálfleiðaraiðnaður.

Sem kaupandi, hvaða gæðavottun ætti ég að leita að?

Það getur verið erfitt að sigla um heim birgja, sérstaklega þegar um er að ræða tæknilegar vörur. Vottun veitir mikilvæga, þriðja aðila staðfestingu á getu birgja og skuldbindingu um gæði. Við uppsprettu háhreinar lofttegundir fyrir hálfleiðaraiðnaður, hér eru nokkur atriði sem þarf að leita að:

• ISO 9001: Þetta er grundvallarvottun fyrir gæðastjórnunarkerfi. Það sýnir að birgir hefur vel skilgreinda og endurtekna ferla fyrir framleiðslu, skoðun og afhendingu.
• ISO/IEC 17025: Þetta er gagnrýnivert. Það er staðallinn fyrir hæfni prófunar- og kvörðunarrannsóknastofa. Birgir með þessa vottun hefur sannað að eigin rannsóknarstofa þeirra - sú sem býr til greiningarvottorðið þitt - er nákvæm og áreiðanleg.
• Rekjanleg greining: Krefjast alltaf greiningarvottorðs (CoA) fyrir hvern einasta strokk eða lotu. Þetta vottorð ætti að greina nákvæmlega frá mikilvægu stigi óhreinindi í gasinu, mæld með sérstökum greiningaraðferðum eins og gasskiljun eða massagreiningu.

Sem afgerandi leiðtogi eins og Mark er besta tækið þitt að spyrja áleitinna spurninga. Ekki bara spyrja „Er þetta gasi hrein?" Spyrðu "Hvernig sannar þú að það sé hreint? Sýndu mér vottun rannsóknarstofu þíns. Útskýrðu ferlið þitt til að tryggja samkvæmni milli lota." Sannlega sérfræðingur og áreiðanlegur samstarfsaðili mun fagna þessum spurningum og hafa örugg og gagnsæ svör.

Helstu veitingar

• Gas er tæki: Í hálfleiðaraframleiðsla, lofttegundir eru ekki bara efni; þeir eru nákvæmnisverkfæri sem notuð eru til að byggja og rista smásjárrásir á a sílikonskífa.
• Hreinleiki er allt: Umfangið á flísaframleiðsla er svo lítill að einn óæskilegur ögn eða óhreinindi sameind getur eyðilagt flís, sem gerir ofurmikill hreinleiki óviðræðuhæf krafa.
• Ávöxtun er markmiðið: Helstu áhrif af gasmengun er samdráttur í framleiðslu ávöxtun, sem þýðir beint að milljónum dollara í tapaðar tekjur fyrir hálfleiðara fabs.
• Tveir meginferli: Flest skref í að búa til flís fela í sér annað hvort útfelling (byggingalög) eða etsa (útskurðarmynstur), sem bæði eru algjörlega háð nákvæmum efnahvörfum hreinna lofttegunda.
• Áreiðanleiki er lykilatriði: Traustur birgir í hálfleiðara gas Markaðurinn verður að sýna fram á samræmi í framleiðslu, sannanlega gæðatryggingu í gegnum löggiltar rannsóknarstofur og sérfræðistjórnunarstjórnun.
• Framtíðin er hreinni: Eftir því sem hálfleiðarar verða háþróaðri mun eftirspurnin eftir enn hærra stigum hreinleika gassins (niður í hluta á trilljón) mun aðeins halda áfram að vaxa.