2. Kodėl puslaidininkių pramonė reikalauja absoliutaus grynumo

Norint suprasti itin didelio grynumo būtinybę, reikia suprasti šiuolaikinės puslaidininkių gamybos mastą. Šiuolaikiškiausiuose lustuose yra tik kelių nanometrų pločio tranzistoriai. Kalbant apie tai perspektyvoje, viena žmogaus plaukų sruogelė yra apie 80 000–100 000 nanometrų storio.

Kai statote struktūras atominiame lygmenyje, viena deguonies molekulė arba mikroskopinis vandens lašelis gali sukelti katastrofišką gedimą.

• Oksidacija: Nepageidaujamas deguonis gali reaguoti su subtiliomis silicio struktūromis, pakeisdamas jų elektrines savybes.

• Užteršimas kietosiomis dalelėmis: Net viena paklydusi dalelė gali sutrumpinti nanoskalės tranzistorių, todėl visa mikroschemos dalis tampa nenaudinga.

• Derlingumo mažinimas: Gamyboje, kurioje per savaitę apdorojama tūkstančiai plokštelių, šiek tiek sumažėjęs derlius dėl užteršimo dujomis gali reikšti dešimtis milijonų dolerių prarastų pajamų.

Todėl, puslaidininkinis skystas argonas Į švarią patalpą patekę į aplinką turi būti iš esmės be jokių reaktyvių teršalų.

3. Pagrindinės puslaidininkinio skystojo argono taikymo sritys

Silicio plokštelės kelionė nuo žaliavos iki gatavo mikroprocesoriaus trunka šimtus sudėtingų žingsnių. Itin didelio grynumo skystas argonas yra giliai integruotas į keletą svarbiausių šios kelionės etapų.

3.1. Silicio kristalo traukimas (Čochralskio procesas)

Bet kurios mikroschemos pagrindas yra silicio plokštelė. Šios plokštelės pjaustomos iš masyvių, vienakristalinių silicio luitų, išaugintų Czochralski (CZ) metodu. Šio proceso metu labai išgrynintas polikristalinis silicis lydomas kvarciniame tiglyje aukštesnėje nei 1400°C temperatūroje. Sėklinis kristalas įvedamas ir lėtai traukiamas aukštyn, iš lydalo ištraukiant tobulą cilindrinį kristalą.

Šio ekstremalaus terminio proceso metu išlydytas silicis yra labai reaktyvus. Jei jis liečiasi su deguonimi arba azotu, jis sudarys silicio dioksidą arba silicio nitridą, sunaikindamas gryną kristalinę struktūrą. Čia argonas veikia kaip didžiausias gynėjas. Krosnis nuolat prapučiama garintuvu itin didelio grynumo skystas argonas sukurti visiškai inertišką atmosferą. Kadangi argonas yra sunkesnis už orą, jis sudaro apsauginę antklodę virš išlydyto silicio ir užtikrina, kad gautas luitas būtų struktūriškai tobulas ir be mikroskopinių defektų.

3.2. Plazminis ėsdinimas ir nusodinimas

Šiuolaikiniai lustai yra sukurti 3D sluoksniais. Tai apima mikroskopinių laidžių arba izoliacinių medžiagų sluoksnių nusodinimą ant plokštelės, o tada išgraviruojame tam tikras dalis, kad būtų sukurtos grandinės.

• Purškimas (fizinis nusodinimas iš garų – PVD): Argonas yra pagrindinės dujos, naudojamos dulkinant. Vakuuminėje kameroje argono dujos jonizuojamos į plazmą. Tada šie teigiamai įkrauti argono jonai pagreitinami į tikslinę medžiagą (pvz., Varį ar titaną). Vien sunkiųjų argono jonų kinetinė jėga numuša atomus nuo taikinio, kurie po to tolygiai nusėda ant silicio plokštelės. Argonas pasirinktas, nes jo atominė masė puikiai tinka efektyviai išjudinti metalų atomus, chemiškai su jais nereaguodama.

• Giliai reaktyvusis jonų ėsdinimas (DRIE): Kai gamintojams reikia išgraviruoti gilius, labai tikslius griovius į silicį, kuris yra labai svarbus atminties lustams ir pažangioms pakuotėms, argonas dažnai maišomas su reaktyviosiomis dujomis, kad stabilizuotų plazmą ir padėtų fiziškai bombarduoti plokštelės paviršių, nušluojant išgraviruotus šalutinius produktus.

3.3. DUV ir EUV litografija (eksimeriniai lazeriai)

Litografija yra šviesos panaudojimo procesas, kai ant plokštelės spausdinami grandinės raštai. Kadangi grandinės susitraukė, gamintojai turėjo naudoti vis trumpesnio bangos ilgio šviesą. Štai kur skysto argono elektronika kertasi su optine fizika.

Gilioji ultravioletinė (DUV) litografija labai priklauso nuo ArF (argono fluorido) eksimerinių lazerių. Šie lazeriai naudoja tiksliai kontroliuojamą argono, fluoro ir neoninių dujų mišinį, kad sukurtų labai sufokusuotą 193 nanometrų bangos ilgio šviesą. Šiose lazerio ertmėse naudojamo argono grynumas yra neįtikėtinai griežtas. Bet kokios priemaišos gali pabloginti lazerio optiką, sumažinti šviesos intensyvumą ir litografijos procese spausdinti neryškias arba sugedusias grandines.

Netgi naujesniose Extreme Ultraviolet (EUV) litografijos sistemose argonas atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį kaip prapūtimo dujos, kad subtilios, labai sudėtingos veidrodinės sistemos būtų visiškai apsaugotos nuo molekulinio užteršimo.

3.4. Atkaitinimas ir terminis apdorojimas

Po to, kai į silicį implantuojami priedai (pvz., boras ar fosforas), kad pasikeistų jo elektrinės savybės, plokštelė turi būti kaitinama iki aukštos temperatūros, kad būtų atitaisyti kristalinės gardelės pažeidimai ir suaktyvinti priedai. Šis procesas, žinomas kaip atkaitinimas, turi vykti griežtai kontroliuojamoje aplinkoje, kurioje nėra deguonies, kad plokštelės paviršius nesioksiduotų. Nuolatinis itin gryno argono srautas užtikrina saugią šiluminę aplinką.

4. Skystojo argono elektronika: naujos kartos technologijų maitinimas

Terminas skysto argono elektronika plačiai apima aukštųjų technologijų prietaisų ekosistemą ir gamybos procesus, kurie priklauso nuo šios kriogeninės medžiagos. Kai pereiname į erą, kurioje dominuoja dirbtinis intelektas (AI), daiktų internetas (IoT) ir autonominės transporto priemonės, galingesnių, energiją taupančių lustų paklausa sparčiai auga.

1. AI greitintuvai ir GPU: Didžiuliai grafiniai apdorojimo įrenginiai (GPU), reikalingi dirbtinio intelekto modeliams, pvz., didelių kalbų modeliams, mokyti, reikalauja neįtikėtinai didelių, be defektų silicio štampų. Kuo didesnis štampas, tuo didesnė tikimybė, kad viena priemaiša gali sugadinti visą lustą. Dėl UHP argono teikiamos nepriekaištingos aplinkos čia nediskutuotina.

2. Kvantinė kompiuterija: Mokslininkams kuriant kvantinius kompiuterius, superlaidžioms medžiagoms, naudojamoms kurti kubitus, reikia gamybos aplinkos, kurioje beveik nėra užterštumo. Argono valymas yra būtinas ruošiant ir gaminant šiuos naujos kartos procesorius kriogeniniu būdu.

3. Galios elektronika: Elektrinės transporto priemonės priklauso nuo silicio karbido (SiC) ir galio nitrido (GaN) galios lustų. Norint auginti šiuos sudėtinius puslaidininkinius kristalus, reikia dar aukštesnės temperatūros nei standartiniam siliciui, todėl inertiškos argono ekranavimo savybės yra dar svarbesnės.

5. Tiekimo grandinės ir tiekimo kritiškumas

Itin didelio grynumo skysto argono gamyba yra šiuolaikinės chemijos inžinerijos stebuklas. Paprastai jis išgaunamas iš oro naudojant kriogeninį frakcinį distiliavimą masyviuose oro atskyrimo įrenginiuose (ASU). Tačiau dujų gamyba yra tik pusė darbo; tiekti jį į puslaidininkinį įrankį neprarandant grynumo yra toks pat sudėtingas.

Užterštumo kontrolė gabenimo metu

Kiekvienas vožtuvas, vamzdis ir laikymo bakas, kuris liečiasi su itin didelio grynumo skystas argonas turi būti specialiai elektropoliruotas ir iš anksto išvalytas. Jei transporto cisterna turi net mikroskopinį nuotėkį, atmosferos slėgis ne tik išleis argoną; kriogeninė temperatūra iš tikrųjų gali pritraukti atmosferos priemaišas in, sugadindamas visą partiją.

Fab lygiu skystas argonas yra laikomas masyviose vakuume izoliuotose birių talpyklų. Tada jis praleidžiamas per labai specializuotus garintuvus ir naudojimo vietoje esančius dujų valytuvus prieš pat patenkant į švarią patalpą.

Siekdami išlaikyti nenutrūkstamą ir nenutrūkstamą gamybą, puslaidininkių gamintojai turi bendradarbiauti su aukščiausio lygio dujų tiekėjais, kurie yra įvaldę šią griežtą tiekimo grandinę. Šiuolaikiškiems įrenginiams, norintiems užtikrinti nuolatinį ir patikimą šios svarbios medžiagos tiekimą su garantuotais grynumo rodikliais, tyrinėjant specializuotus pramoninių dujų sprendimus iš patikimų tiekėjų, pvz., „Huazhong“ dujos užtikrina, kad būtų laikomasi griežtų standartų ir pašalinamos gamybos prastovos.

6. Ekonominiai ir aplinkosaugos aspektai

Didžiulis argono kiekis, kurį sunaudoja šiuolaikinis gigafabas, yra stulbinantis. Viena didelė puslaidininkių gamybos įmonė kiekvieną dieną gali sunaudoti dešimtis tūkstančių kubinių metrų itin grynų dujų.

Tvarumas ir perdirbimas

Kadangi argonas yra tauriosios dujos ir daugumoje puslaidininkių procesų chemiškai nesunaudojamas (jis dažniausiai veikia kaip fizinis skydas arba plazminė terpė), pramonėje vis labiau stengiamasi diegti argono regeneravimo ir perdirbimo sistemas. Pažangiosiose gamyklose vis dažniau vietoje montuojami regeneravimo įrenginiai, kurie fiksuoja argono išmetamąsias dujas iš kristalų traukimo krosnių ir purškimo kamerų. Tada šios dujos iš naujo išvalomos vietoje. Tai ne tik žymiai sumažina gamyklos eksploatavimo išlaidas, bet ir sumažina anglies pėdsaką, susijusį su šviežio argono skystinimu ir transportavimu dideliais atstumais.

7. Argono ateitis pažangioje mazgų gamyboje

Puslaidininkių pramonei einant link 2 nm, 14A (angstremo) ir toliau, tranzistorių architektūra keičiasi. Nuo FinFET pereiname prie „Gate-All-Around“ (GAA) ir galiausiai prie papildomo FET (CFET) dizaino.

Šioms 3D struktūroms reikalingas atominio sluoksnio nusodinimas (ALD) ir atominio sluoksnio ėsdinimas (ALE) – procesai, kurie vienu metu apdoroja silicį pažodžiui po vieną atomą. ALD ir ALE, tiksliai kontroliuojami argono impulsai naudojami reakcijos kamerai išvalyti tarp cheminių dozių, užtikrinant, kad reakcijos įvyktų tik ten, kur numatyta atomo paviršiuje.

Didėjant tikslumui, pasikliaujama puslaidininkinis skystas argonas tik sustiprės. Grynumo reikalavimai netgi gali viršyti dabartinius 6N standartus, pereinant į 7N (99,99999%) ar aukštesnę sferą, skatinant tolesnes dujų valymo ir metrologijos technologijų naujoves.

Išvada

Nesunku stebėtis baigtu mikroprocesoriumi – silicio gabalėliu, kuriame yra milijardai mikroskopinių jungiklių, galinčių atlikti trilijonus skaičiavimų per sekundę. Tačiau ši žmogaus inžinerijos viršūnė visiškai priklauso nuo nematomų elementų, kurie ją kuria.

Itin didelio grynumo skystas argonas nėra tik prekė; tai yra pagrindinis puslaidininkių pramonės ramstis. Nuo išlydyto silicio kristalų atsiradimo apsaugos iki plazmos, kuri išskiria nanometrų mastelio grandines, suteikimo, argonas garantuoja nesugadintą aplinką, reikalingą Moore'o dėsniui išlaikyti. Kaip sienos skysto argono elektronika išplėsti, kad būtų palaikomas dirbtinis intelektas, kvantinis skaičiavimas ir pažangus energijos valdymas, šio tobulai gryno, inertiško skysčio paklausa ir toliau bus pasaulinės technologinės pažangos varomoji jėga.

DUK

1 klausimas: kodėl tam tikruose puslaidininkių procesuose pirmenybė teikiama skystam argonui, o ne kitoms inertinėms dujoms, tokioms kaip azotas ar helis?

A: Nors azotas yra pigesnis ir plačiai naudojamas kaip bendrojo prapūtimo dujos, jis nėra tikrai inertiškas esant itin aukštai temperatūrai; jis gali reaguoti su išlydytu siliciu ir sudaryti silicio nitrido defektus. Helis yra inertiškas, bet labai lengvas ir brangus. Argonas patenka į „saldžiąją vietą“ – jis yra visiškai inertiškas net esant ekstremalioms temperatūroms, pakankamai sunkus, kad efektyviai padengtų išlydytą silicį, ir turi puikią atominę masę, kad fiziškai išstumtų atomus plazmos purškimo procesų metu, nesukeldamas nepageidaujamų cheminių reakcijų.

2 klausimas: kaip itin didelio grynumo skystas argonas transportuojamas į puslaidininkių gamybos įrenginius (fabs) be užteršimo?

A: Grynumo palaikymas tranzito metu yra didelis logistikos iššūkis. UHP skystas argonas gabenamas specializuotose, labai izoliuotose kriogeninėse autocisternose. Šių bakų vidiniai paviršiai, taip pat visi vožtuvai ir tiekimo žarnos yra elektropoliruoti iki veidrodinio paviršiaus, kad būtų išvengta dujų išsiskyrimo ir dalelių išsiliejimo. Prieš pakraunant, visa sistema yra kruopščiai išvaloma vakuumu. Atvykusios į gamyklą, dujos praeina per naudojimo vietoje esančius valytuvus, kuriuose naudojamos cheminės geterio technologijos, kad pašalintų bet kokias ppt lygio (trilijonų dalių) priemaišas, kol argonas pasiekia plokštelę.

3 klausimas: koks tikslus grynumo lygis reikalingas puslaidininkiniam skystam argonui ir kaip jis matuojamas?

A: Pažangiosios puslaidininkių gamybos atveju argono grynumas paprastai turi būti ne mažesnis kaip „6 N“ (99,9999 % grynumo), nors kai kuriems pažangiems procesams reikia 7 N. Tai reiškia, kad priemaišų, tokių kaip deguonis, drėgmė ir angliavandeniliai, kiekis ribojamas iki 1 milijono dalių (ppm) arba net milijardų dalių (ppb). Šie nedideli priemaišų lygiai matuojami realiu laiku gamykloje, naudojant labai jautrią analitinę įrangą, tokią kaip ertmės žiedo žemyn spektroskopija (CRDS) ir dujų chromatografija su masės spektrometrija (GC-MS), užtikrinančia nuolatinę kokybės kontrolę.