2. Неліктен жартылай өткізгіштер өнеркәсібі абсолютті тазалықты талап етеді

Өте жоғары тазалықтың қажеттілігін түсіну үшін заманауи жартылай өткізгіш өндірісінің ауқымын түсіну керек. Бүгінгі ең жетілдірілген чиптерде ені бірнеше нанометрлік транзисторлар бар. Мұны перспективаға келтіру үшін адам шашының бір тал шашының қалыңдығы шамамен 80 000-нан 100 000 нанометрге дейін жетеді.

Атом деңгейінде құрылымдарды салып жатқанда, бір оттегі молекуласы немесе судың микроскопиялық тамшысы апатты сәтсіздікке әкелуі мүмкін.

• Тотығу: Қажетсіз оттегі кремнийдің нәзік құрылымдарымен әрекеттесіп, олардың электрлік қасиеттерін өзгерте алады.

• Бөлшектердің ластануы: Тіпті бір адасқан бөлшек наносөлшемді транзисторды қысқа тұйықтауы мүмкін, бұл микрочиптің бүкіл бөлімін жарамсыз етеді.

• Өнімділіктің төмендеуі: Аптасына мыңдаған вафельді өңдейтін фабрикада газдың ластануына байланысты кірістің аздап төмендеуі ондаған миллион доллар жоғалтқан кіріске айналуы мүмкін.

Сондықтан, жартылай өткізгіш сұйық аргон Таза бөлме орталарына енгізілген реактивті ластаушы заттар түбегейлі болмауы керек.

3. Жартылай өткізгішті сұйық аргонның негізгі қолданулары

Кремний пластинкасының шикізаттан дайын микропроцессорға дейінгі жолы жүздеген күрделі қадамдардан тұрады. Ультра жоғары таза сұйық аргон осы саяхаттың ең маңызды кезеңдерінің бірнешеуіне терең енген.

3.1. Кремний кристалын тарту (Чохральски процесі)

Кез келген микрочиптің негізі кремний пластинасы болып табылады. Бұл пластиналар Чохральски (CZ) әдісімен өсірілген массивті, бір кристалды кремний құймаларынан кесілген. Бұл процесте жоғары тазартылған поликристалды кремний кварц тигельде 1400°С жоғары температурада балқытылады. Тұқымдық кристалды енгізіп, баяу жоғары қарай тартып, балқымадан тамаша цилиндрлік кристалды шығарады.

Бұл экстремалды термиялық процесс кезінде балқытылған кремний жоғары реактивті. Егер ол оттегімен немесе азотпен байланыста болса, ол кремний диоксиді немесе кремний нитриді түзіп, таза кристалдық құрылымды бұзады. Мұнда аргон соңғы қорғаушы ретінде әрекет етеді. Пеш үздіксіз булану арқылы тазартылады өте жоғары таза сұйық аргон толығымен инертті атмосфераны құру. Аргон ауадан ауыр болғандықтан, балқытылған кремнийдің үстінен қорғаныш жамылғысын жасайды, нәтижесінде алынған құйма құрылымдық жағынан мінсіз және микроскопиялық ақауларсыз болуын қамтамасыз етеді.

3.2. Плазманы сызу және тұндыру

Қазіргі заманғы чиптер 3D қабаттарында салынған. Бұл вафлиге өткізгіш немесе оқшаулағыш материалдардың микроскопиялық қабаттарын қоюды, содан кейін тізбектерді жасау үшін белгілі бір бөліктерді кесуді қамтиды.

• Шашырату (физикалық будың тұндыру – PVD): Аргон - бүрку кезінде қолданылатын негізгі газ. Вакуумдық камерада аргон газы плазмаға ионданады. Бұл оң зарядталған аргон иондары мақсатты материалға (мыс немесе титан сияқты) тездетіледі. Ауыр аргон иондарының айқын кинетикалық күші атомдарды нысанадан түсіреді, содан кейін олар кремний пластинасына біркелкі түседі. Аргон таңдалды, өйткені оның атомдық массасы металл атомдарын олармен химиялық әрекеттеспей тиімді ығыстыруға өте қолайлы.

• Терең реактивті ионды сызу (DRIE): Өндірушілер жад микросхемалары мен жетілдірілген қаптамалар үшін өте маңызды кремнийге терең, өте дәл траншеяларды ою қажет болғанда, аргон жиі реактивті газдармен араласып, плазманы тұрақтандыруға және пластинаның бетін физикалық бомбалауға көмектесіп, өңделген жанама өнімдерді сыпыруға көмектеседі.

3.3. DUV және EUV литографиясы (эксимер лазерлері)

Литография - бұл пластинаға схема үлгілерін басып шығару үшін жарықты пайдалану процесі. Тізбектер қысқарғандықтан, өндірушілер қысқа толқын ұзындығы бар жарықты қолдануға мәжбүр болды. Бұл жерде сұйық аргон электроникасы оптикалық физикамен қиылысады.

Терең ультракүлгін (DUV) литографиясы негізінен ArF (Argon Fluoride) эксимер лазерлеріне сүйенеді. Бұл лазерлер толқын ұзындығы 193 нанометр болатын жоғары фокусталған жарық шығару үшін аргон, фтор және неон газдарының дәл басқарылатын қоспасын пайдаланады. Бұл лазерлік қуыстарда қолданылатын аргонның тазалығы керемет қатаң. Кез келген қоспалар лазерлік оптиканы нашарлатып, жарықтың қарқындылығын төмендетеді және литография процесінде бұлыңғыр немесе ақаулы тізбектерді басып шығаруы мүмкін.

Тіпті жаңа экстремалды ультракүлгін (EUV) литография жүйелерінде аргон нәзік, өте күрделі айна жүйелерін молекулалық ластанудан толығымен тазарту үшін тазартқыш газ ретінде маңызды рөл атқарады.

3.4. Күйдіру және термиялық өңдеу

Қоспалар (мысалы, бор немесе фосфор) кремнийге оның электрлік қасиеттерін өзгерту үшін имплантацияланғаннан кейін, кристалдық тордың зақымдалуын қалпына келтіру және қоспаларды белсендіру үшін пластинаны жоғары температураға дейін қыздыру керек. Жасыту деп аталатын бұл процесс пластинаның бетінің тотығуына жол бермеу үшін қатаң бақыланатын, оттегісіз ортада өтуі керек. Өте таза аргонның үздіксіз ағыны осы қауіпсіз жылу ортасын қамтамасыз етеді.

4. Сұйық аргон электроникасы: технологияның келесі ұрпағын қуаттандыру

Термин сұйық аргон электроникасы жоғары технологиялық құрылғылардың экожүйесін және осы криогендік материалға тәуелді өндірістік процестерді кеңінен қамтиды. Жасанды интеллект (AI), заттар интернеті (IoT) және автономды көліктер үстемдік ететін дәуірге көшкен сайын, қуаттырақ, энергияны үнемдейтін чиптерге сұраныс күрт өсуде.

1. AI үдеткіштері және графикалық процессорлар: Үлкен тілдік модельдер сияқты AI үлгілерін үйрету үшін қажет ауқымды графикалық өңдеу блоктары (GPU) керемет үлкен, ақаусыз кремний штамптарын қажет етеді. Қалып неғұрлым үлкен болса, бір қоспаның бүкіл чипті бұзу мүмкіндігі соғұрлым жоғары болады. UHP аргоны ұсынатын мінсіз ортаны мұнда келісуге болмайды.

2. Кванттық есептеулер: Зерттеушілер кванттық компьютерлерді дамытқан кезде, кубиттерді жасау үшін пайдаланылатын асқын өткізгіш материалдар нөлге жуық ластануы бар өндірістік орталарды қажет етеді. Аргонды тазарту осы келесі ұрпақ процессорларын криогенді дайындауда және жасауда өте маңызды.

3. Қуат электроникасы: Электрлік көліктер кремний карбиді (SiC) және галлий нитриді (GaN) қуат чиптеріне сүйенеді. Бұл қосынды жартылай өткізгіш кристалдарды өсіру стандартты кремнийге қарағанда тіптен жоғары температураны талап етеді, бұл аргонның инертті қорғаныс қасиеттерін одан да маңызды етеді.

5. Жеткізу тізбегінің маңыздылығы және көзден алу

Өте жоғары таза сұйық аргон өндіру қазіргі заманғы химия инженериясының кереметі болып табылады. Ол әдетте массивті ауа бөлу қондырғыларында (ASU) криогенді фракциялық айдау арқылы ауадан алынады. Дегенмен, газды өндіру - тек жарты жұмыс; оны тазалығын жоғалтпай жартылай өткізгіш құралға жеткізу бірдей қиын.

Тасымалдау кезіндегі ластануды бақылау

Тиісетін әрбір клапан, құбыр және сақтау ыдысы өте жоғары таза сұйық аргон арнайы электр жылтырату және алдын ала тазарту қажет. Көлік танкерінде тіпті микроскопиялық ағып кету болса, атмосфералық қысым аргонды сыртқа шығармайды; криогендік температуралар атмосфералық қоспаларды тарта алады -да, бүкіл топтаманы бұзады.

Фаб деңгейінде сұйық аргон массивті вакуумды оқшауланған сусымалы цистерналарда сақталады. Содан кейін ол таза бөлмеге кірер алдында жоғары мамандандырылған буландырғыштар мен пайдалану орнындағы газ тазартқыштардан өтеді.

Үздіксіз, үздіксіз өндірісті қолдау үшін жартылай өткізгіш өндірушілер осы қатаң жеткізу тізбегін меңгерген жоғары деңгейлі газ жеткізушілерімен серіктес болуы керек. Сенімді провайдерлердің мамандандырылған өнеркәсіптік газ шешімдерін зерттей отырып, осы маңызды материалды кепілдік берілген тазалық көрсеткіштерімен үздіксіз, сенімді жеткізуді қамтамасыз етуді көздейтін заманауи қондырғылар үшін Huazhong газы қатаң стандарттарды сақтауды және өндірістің тоқтап қалуын жоюды қамтамасыз етеді.

6. Экономикалық және экологиялық ойлар

Заманауи гигафаб тұтынатын аргонның үлкен көлемі таң қалдырады. Жартылай өткізгіштерді шығаратын жалғыз ірі кәсіпорын күн сайын ондаған мың текше метр ультра таза газды тұтына алады.

Тұрақтылық және қайта өңдеу

Аргон асыл газ болғандықтан және жартылай өткізгіш процестердің көпшілігінде химиялық түрде тұтынылмайтындықтан (ол негізінен физикалық қалқан немесе плазмалық орта ретінде әрекет етеді), өнеркәсіпте аргонды қалпына келтіру және қайта өңдеу жүйелері үшін өсуде. Жетілдірілген зауыттар кристалды тарту пештері мен шашыратқыш камералардан аргон шығарындыларын жинайтын қалпына келтіру қондырғыларын жиі орнатуда. Содан кейін бұл газ жергілікті жерде қайта тазартылады. Бұл зауыттың пайдалану шығындарын айтарлықтай азайтып қана қоймайды, сонымен қатар жаңа аргонды сұйылтуға және ұзақ қашықтыққа тасымалдауға байланысты көміртегі ізін азайтады.

7. Жетілдірілген түйін өндірісіндегі аргонның болашағы

Жартылай өткізгіштер өнеркәсібі 2 нм, 14А (ангстрем) және одан да жоғары итермелейтіндіктен, транзисторлардың архитектурасы өзгереді. Біз FinFET-тен Gate-All-Around (GAA) және сайып келгенде, қосымша FET (CFET) конструкцияларына көшеміз.

Бұл 3D құрылымдары атомдық қабаттың тұндыруын (ALD) және атомдық қабаттың өрнекін (ALE) талап етеді — кремнийді бір уақытта бір атоммен басқаратын процестер. ALD және ALE-де химиялық дозалар арасындағы реакция камерасын тазарту үшін аргонның дәл бақыланатын импульстері пайдаланылады, бұл реакциялардың тек атомдық бетке арналған жерде ғана болуын қамтамасыз етеді.

Дәлдік артқан сайын, сенім артады жартылай өткізгіш сұйық аргон тек күшейе түседі. Тазалық талаптары қазіргі 6N стандарттарынан асып түсуі мүмкін, бұл 7N (99,99999%) немесе одан жоғары деңгейге көтеріліп, газды тазарту және метрология технологияларындағы одан әрі инновацияларды алға тартады.

Қорытынды

Дайын микропроцессорға таң қалу оңай - секундына триллиондаған есептеулерді орындауға қабілетті миллиардтаған микроскопиялық қосқыштары бар кремний бөлігі. Дегенмен, адам инженериясының бұл шыңы оны құрастыратын көрінбейтін элементтерге толығымен тәуелді.

Өте жоғары таза сұйық аргон жай ғана тауар емес; бұл жартылай өткізгіштер өнеркәсібінің негізгі тірегі. Кремний кристалдарының балқытылған туылуын қорғаудан бастап, нанометрлік масштабтағы тізбектерді жасайтын плазманы қосуға дейін, аргон Мур заңын сақтау үшін қажетті таза ортаны қамтамасыз етеді. шекаралары ретінде сұйық аргон электроникасы AI, кванттық есептеулерді және жетілдірілген қуатты басқаруды қолдау үшін кеңейтілсе, осы мінсіз таза, инертті сұйықтыққа сұраныс жаһандық технологиялық прогрестің қозғаушы күші болып қала береді.

Жиі қойылатын сұрақтар

1-сұрақ: Неліктен кейбір жартылай өткізгіш процестерде азот немесе гелий сияқты басқа инертті газдарға қарағанда сұйық аргон артықшылық береді?

A: Азот арзанырақ және жалпы тазарту газы ретінде кеңінен пайдаланылғанымен, ол өте жоғары температурада шынымен инертті емес; ол кремний нитриді ақауларын қалыптастыру үшін балқытылған кремниймен әрекеттесе алады. Гелий инертті, бірақ өте жеңіл және қымбат. Аргон «тәтті нүктеге» жетеді — ол тіпті экстремалды температурада да толығымен инертті, балқытылған кремнийді тиімді жабуға жеткілікті ауыр және қажетсіз химиялық реакцияларды тудырмай, плазманың шашырау процестері кезінде атомдарды физикалық түрде ығыстыратын тамаша атомдық массаға ие.

2-сұрақ: Өте жоғары таза сұйық аргон жартылай өткізгіштерді шығаратын зауыттарға (фаб) ластанбай қалай тасымалданады?

A: Транзит кезінде тазалықты сақтау логистикалық маңызды мәселе болып табылады. UHP сұйық аргоны мамандандырылған, жоғары оқшауланған криогенді автоцистерналарда тасымалданады. Бұл резервуарлардың ішкі беттері, сондай-ақ барлық клапандар мен тасымалдау шлангілері газдың шығуын және бөлшектердің төгілуін болдырмау үшін айнадай етіп жылтыратылады. Жүктеме алдында бүкіл жүйе қатаң вакуумды тазалаудан өтеді. Зауытқа келгеннен кейін газ аргон вафлиге жеткенге дейін кез келген адасқан ppt-деңгейіндегі қоспаларды (триллионға шаққандағы бөліктер) алып тастау үшін химиялық алу технологияларын қолданатын пайдалану орнындағы тазартқыштардан өтеді.

3-сұрақ: «Жартылай өткізгіш сұйық аргонға» қандай тазалық деңгейі қажет және ол қалай өлшенеді?

A: Жетілдірілген жартылай өткізгіш өндірісі үшін аргонның тазалығы әдетте кем дегенде «6N» (таза 99,9999%) болуы керек, дегенмен кейбір озық процестер 7Н талап етеді. Бұл оттегі, ылғал және көмірсутектер сияқты қоспалар миллионға 1 бөлікпен (ppm) немесе тіпті миллиардта бір бөлікпен (ppb) шектелгенін білдіреді. Бұл аз қоспа деңгейлері сапаны үздіксіз бақылауды қамтамасыз ететін қуысты сақина-төмен спектроскопия (CRDS) және масс-спектрометриясы бар газ хроматографиясы (GC-MS) сияқты жоғары сезімтал аналитикалық жабдықтың көмегімен зауытта нақты уақыт режимінде өлшенеді.