2. Kāpēc pusvadītāju rūpniecība pieprasa absolūtu tīrību

Lai saprastu īpaši augstas tīrības nepieciešamību, ir jāsaprot mūsdienu pusvadītāju ražošanas mērogs. Mūsdienu vismodernākajās mikroshēmās ir tranzistori, kuru platums ir tikai daži nanometri. Lai to aplūkotu perspektīvā, viena cilvēka matu šķipsna ir aptuveni 80 000 līdz 100 000 nanometru bieza.

Kad jūs veidojat struktūras atomu līmenī, viena skābekļa molekula vai mikroskopisks ūdens piliens var izraisīt katastrofālu kļūmi.

• Oksidācija: Nevēlamais skābeklis var reaģēt ar smalkajām silīcija struktūrām, mainot to elektriskās īpašības.

• Daļiņu piesārņojums: Pat viena klaiņojoša daļiņa var izraisīt īssavienojumu nanomēroga tranzistoru, padarot visu mikroshēmas daļu nederīgu.

• Ienesīguma samazināšana: Lieliski apstrādājot tūkstošiem vafeļu nedēļā, neliels ražas kritums gāzes piesārņojuma dēļ var radīt desmitiem miljonu dolāru zaudētus ieņēmumus.

Tāpēc, pusvadītāju šķidrais argons tīrās telpas vidē būtībā nedrīkst būt nekādu reaktīvu piesārņotāju.

3. Pusvadītāju šķidrā argona galvenie pielietojumi

Silīcija vafeles ceļš no izejmateriāla līdz gatavam mikroprocesoram aizņem simtiem sarežģītu soļu. Īpaši augstas tīrības pakāpes šķidrais argons ir dziļi integrēts vairākos šī ceļojuma viskritiskākajos posmos.

3.1. Silīcija kristāla vilkšana (Čočraļska process)

Jebkuras mikroshēmas pamats ir silīcija vafele. Šīs vafeles ir sagrieztas no masīviem, viena kristāla silīcija lietņiem, kas audzēti, izmantojot Czochralski (CZ) metodi. Šajā procesā ļoti attīrīts polikristālisks silīcijs tiek izkausēts kvarca tīģelī temperatūrā, kas pārsniedz 1400°C. Sēklu kristāls tiek ievadīts un lēnām velk uz augšu, izvelkot perfektu cilindrisku kristālu no kausējuma.

Šī ekstremālā termiskā procesa laikā izkausētais silīcijs ir ļoti reaģējošs. Ja tas nonāk saskarē ar skābekli vai slāpekli, tas veidos silīcija dioksīdu vai silīcija nitrīdu, iznīcinot tīro kristālisko struktūru. Šeit argons darbojas kā galvenais aizsargs. Krāsns tiek nepārtraukti iztīrīta ar iztvaicētu īpaši augstas tīrības pakāpes šķidrais argons lai radītu pilnīgi inertu atmosfēru. Tā kā argons ir smagāks par gaisu, tas veido aizsargsega virs izkausētā silīcija, nodrošinot, ka iegūtais lietnis ir strukturāli perfekts un bez mikroskopiskiem defektiem.

3.2. Plazmas kodināšana un nogulsnēšana

Mūsdienu mikroshēmas ir veidotas 3D slāņos. Tas ietver mikroskopisku vadošu vai izolācijas materiālu slāņu uzklāšanu uz plāksnītes un pēc tam noteiktu daļu kodināšanu, lai izveidotu ķēdes.

• Izsmidzināšana (fiziskā tvaiku pārklāšana — PVD): Argons ir primārā gāze, ko izmanto izsmidzināšanā. Vakuuma kamerā argona gāze tiek jonizēta plazmā. Šie pozitīvi lādētie argona joni pēc tam tiek paātrināti mērķa materiālā (piemēram, varā vai titānā). Smago argona jonu milzīgais kinētiskais spēks izsit no mērķa atomus, kas pēc tam vienmērīgi nogulsnējas uz silīcija plāksnītes. Argons ir izvēlēts, jo tā atomu masa ir lieliski piemērota, lai efektīvi izspiestu metālu atomus, ķīmiski nereaģējot ar tiem.

• Dziļi reaktīvā jonu kodināšana (DRIE): Kad ražotājiem ir jāiegravējas dziļas, ļoti precīzas tranšejas silīcijā, kas ir ļoti svarīgi atmiņas mikroshēmām un uzlabotam iepakojumam, argons bieži tiek sajaukts ar reaktīvām gāzēm, lai stabilizētu plazmu un palīdzētu fiziski bombardēt vafeļu virsmu, noslaukot iegravētos blakusproduktus.

3.3. DUV un EUV litogrāfija (eksimēra lāzeri)

Litogrāfija ir gaismas izmantošanas process, lai uz vafeles drukātu shēmas modeļus. Tā kā ķēdes ir sarukušas, ražotājiem bija jāizmanto gaisma ar arvien īsākiem viļņu garumiem. Šeit ir vieta šķidrā argona elektronika krustojas ar optisko fiziku.

Dziļās ultravioletās (DUV) litogrāfija lielā mērā balstās uz ArF (argona fluorīda) eksimēru lāzeriem. Šie lāzeri izmanto precīzi kontrolētu argona, fluora un neona gāzu maisījumu, lai radītu ļoti fokusētu gaismu ar viļņa garumu 193 nanometri. Šajos lāzera dobumos izmantotā argona tīrība ir neticami stingra. Jebkuri piemaisījumi var pasliktināt lāzera optiku, samazināt gaismas intensitāti un likt litogrāfijas procesā izdrukāt neskaidras vai bojātas shēmas.

Pat jaunākajās Extreme Ultraviolet (EUV) litogrāfijas sistēmās argonam ir būtiska nozīme kā attīrīšanas gāzei, lai delikātās, ļoti sarežģītās spoguļu sistēmas būtu pilnīgi brīvas no molekulārā piesārņojuma.

3.4. Atkausēšana un termiskā apstrāde

Pēc tam, kad silīcijā ir implantēti dopanti (piemēram, bors vai fosfors), lai mainītu tā elektriskās īpašības, vafele ir jāuzsilda līdz augstām temperatūrām, lai labotu kristāliskā režģa bojājumus un aktivizētu dopantus. Šim procesam, kas pazīstams kā atkausēšana, jānotiek stingri kontrolētā, bez skābekļa vidē, lai novērstu vafeļu virsmas oksidēšanos. Nepārtraukta īpaši tīra argona plūsma nodrošina šo drošo termisko vidi.

4. Šķidrā argona elektronika: nākamās paaudzes tehnoloģiju nodrošināšana

Termins šķidrā argona elektronika plaši aptver augsto tehnoloģiju ierīču ekosistēmu un ražošanas procesus, kas ir atkarīgi no šī kriogēnā materiāla. Pārejot uz laikmetu, kurā dominē mākslīgais intelekts (AI), lietiskais internets (IoT) un autonomie transportlīdzekļi, pieprasījums pēc jaudīgākām, energoefektīvākām mikroshēmām pieaug.

1. AI paātrinātāji un GPU: Masīvajām grafiskajām apstrādes vienībām (GPU), kas nepieciešamas, lai apmācītu AI modeļus, piemēram, lielu valodu modeļus, ir nepieciešami neticami lieli, bez defektiem silīcija presformas. Jo lielāks ir matrica, jo lielāka iespēja, ka viens piemaisījums var sabojāt visu mikroshēmu. Nevainojamā vide, ko nodrošina UHP argons, šeit nav apspriežama.

2. Kvantu skaitļošana: Pētniekiem izstrādājot kvantu datorus, supravadošiem materiāliem, ko izmanto kubitu radīšanai, ir nepieciešama ražošanas vide ar gandrīz nulles piesārņojumu. Argona attīrīšana ir būtiska šo nākamās paaudzes procesoru kriogēnajā sagatavošanā un ražošanā.

3. Spēka elektronika: Elektriskie transportlīdzekļi balstās uz silīcija karbīda (SiC) un gallija nitrīda (GaN) jaudas mikroshēmām. Šo salikto pusvadītāju kristālu audzēšanai nepieciešama pat augstāka temperatūra nekā standarta silīcijam, padarot argona inertās ekranēšanas īpašības vēl svarīgākas.

5. Piegādes ķēdes un piegādes kritiskums

Īpaši augstas tīrības pakāpes šķidrā argona ražošana ir mūsdienu ķīmijas inženierijas brīnums. To parasti iegūst no gaisa, izmantojot kriogēno frakcionēto destilāciju masīvās gaisa atdalīšanas vienībās (ASU). Tomēr gāzes ražošana ir tikai puse no kaujas; tikpat sarežģīti ir to nogādāt pusvadītāju instrumentā, nezaudējot tīrību.

Piesārņojuma kontrole tranzīta laikā

Katrs vārsts, caurule un uzglabāšanas tvertne, kas pieskaras īpaši augstas tīrības pakāpes šķidrais argons jābūt īpaši elektropulētam un iepriekš iztīrītam. Ja transporta tankkuģim ir pat mikroskopiska noplūde, atmosfēras spiediens tikai neizlaidīs argonu; kriogēnās temperatūras faktiski var piesaistīt atmosfēras piemaisījumus iekšā, sabojājot visu partiju.

Fab līmenī šķidrais argons tiek uzglabāts masīvās, vakuumizolētās tvertnēs. Pēc tam tas tiek izvadīts caur īpaši specializētiem iztvaicētājiem un gāzes attīrītājiem tieši pirms ieiešanas tīrajā telpā.

Lai nodrošinātu nepārtrauktu, nepārtrauktu ražošanu, pusvadītāju ražotājiem ir jāsadarbojas ar augstākā līmeņa gāzes piegādātājiem, kuri ir apguvuši šo stingro piegādes ķēdi. Mūsdienīgām iekārtām, kas vēlas nodrošināt nepārtrauktu, uzticamu šī kritiskā materiāla piegādi ar garantētas tīrības rādītājiem, pētot specializētus rūpnieciskās gāzes risinājumus no uzticamiem piegādātājiem, piemēram, Huazhong gāze nodrošina, ka tiek ievēroti stingri standarti un tiek novērstas ražošanas dīkstāves.

6. Ekonomiskie un vides apsvērumi

Milzīgais argona daudzums, ko patērē mūsdienu gigafabs, ir satriecošs. Viena liela pusvadītāju ražotne katru dienu var patērēt desmitiem tūkstošu kubikmetru īpaši tīras gāzes.

Ilgtspējība un otrreizēja pārstrāde

Tā kā argons ir cēlgāze un vairumā pusvadītāju procesu netiek patērēts ķīmiski (tas galvenokārt darbojas kā fizisks vairogs vai plazmas vide), nozarē arvien vairāk tiek virzīts uz argona reģenerācijas un pārstrādes sistēmām. Uzlabotās ražotnēs arvien vairāk tiek uzstādītas uz vietas esošās reģenerācijas vienības, kas uztver argona izplūdi no kristāla vilkšanas krāsnīm un izsmidzināšanas kamerām. Pēc tam šī gāze tiek atkārtoti attīrīta lokāli. Tas ne tikai ievērojami samazina ražotnes ekspluatācijas izmaksas, bet arī samazina oglekļa pēdas nospiedumu, kas saistīts ar svaiga argona sašķidrināšanu un transportēšanu lielos attālumos.

7. Argona nākotne progresīvā mezglu ražošanā

Pusvadītāju nozarei virzoties uz 2nm, 14A (angstrēmu) un tālāk, tranzistoru arhitektūra mainās. Mēs pārejam no FinFET uz Gate-All-Around (GAA) un galu galā uz papildu FET (CFET) dizainu.

Šīm 3D struktūrām nepieciešama atomu slāņa nogulsnēšanās (ALD) un atomu slāņa kodināšana (ALE) — procesi, kas manipulē ar silīciju burtiski vienu atomu vienlaikus. ALD un ALE tiek izmantoti precīzi kontrolēti argona impulsi, lai iztīrītu reakcijas kameru starp ķīmiskajām devām, nodrošinot, ka reakcijas notiek tikai tajā vietā, kur tas ir paredzēts uz atoma virsmas.

Pieaugot precizitātei, paļaušanās uz pusvadītāju šķidrais argons tikai pastiprināsies. Tīrības prasības var pat pārsniegt pašreizējos 6N standartus, virzoties uz 7N (99,99999%) vai augstāku līmeni, veicinot turpmākus jauninājumus gāzes attīrīšanas un metroloģijas tehnoloģijās.

Secinājums

Ir viegli apbrīnot gatavo mikroprocesoru — silīcija gabalu, kurā ir miljardiem mikroskopisku slēdžu, kas spēj veikt triljonus aprēķinu sekundē. Tomēr šī cilvēka inženierijas virsotne ir pilnībā atkarīga no neredzamajiem elementiem, kas to veido.

Īpaši augstas tīrības pakāpes šķidrais argons nav tikai prece; tas ir pusvadītāju nozares pamats. Sākot ar silīcija kristālu izkausētu rašanos, līdz plazmai, kas izdala nanometru mēroga ķēdes, argons garantē senatnīgu vidi, kas nepieciešama Mūra likuma saglabāšanai. Kā robežas šķidrā argona elektronika paplašinās, lai atbalstītu AI, kvantu skaitļošanu un uzlabotu jaudas pārvaldību, pieprasījums pēc šī ideāli tīrā, inertā šķidruma arī turpmāk būs globālās tehnoloģiskās attīstības virzītājspēks.

FAQ

Q1: Kāpēc noteiktos pusvadītāju procesos priekšroka tiek dota šķidrajam argonam, nevis citām inertajām gāzēm, piemēram, slāpeklim vai hēlijam?

A: Lai gan slāpeklis ir lētāks un plaši izmantots kā vispārēja attīrīšanas gāze, tas nav īsti inerts ārkārtīgi augstās temperatūrās; tas var reaģēt ar izkausētu silīciju, veidojot silīcija nitrīda defektus. Hēlijs ir inerts, bet ļoti viegls un dārgs. Argons trāpa "saldajā vietā" — tas ir pilnīgi inerts pat ekstremālās temperatūrās, pietiekami smags, lai efektīvi pārklātu izkausētu silīciju, un tam ir ideāla atomu masa, lai plazmas izsmidzināšanas procesos fiziski izspiestu atomus, neizraisot nevēlamas ķīmiskas reakcijas.

Q2: Kā īpaši augstas tīrības pakāpes šķidrais argons tiek transportēts uz pusvadītāju ražošanas rūpnīcām (fabs) bez piesārņojuma?

A: Tīrības saglabāšana tranzīta laikā ir liels loģistikas izaicinājums. UHP šķidrais argons tiek transportēts specializētās, augsti izolētās kriogēnās autocisternās. Šo tvertņu iekšējās virsmas, kā arī visi vārsti un pārvades šļūtenes ir elektropulētas līdz spoguļa apdarei, lai novērstu gāzu izdalīšanos un daļiņu noplūdi. Pirms iekraušanas visai sistēmai tiek veikta stingra vakuuma attīrīšana. Nonākot ražotnē, gāze iziet cauri lietošanas vietas attīrītājiem, kuros tiek izmantotas ķīmiskās iesūkšanas tehnoloģijas, lai attīrītu visus ppt līmeņa (daļu uz triljonu) piemaisījumus, pirms argons sasniedz vafeles.

Q3: Kāds precīzs tīrības līmenis ir nepieciešams "pusvadītāju šķidrajam argonam" un kā tas tiek mērīts?

A: Uzlabotai pusvadītāju ražošanai argona tīrībai parasti ir jābūt vismaz “6N” (99,9999% tīra), lai gan dažiem vismodernākajiem procesiem ir nepieciešamas 7N. Tas nozīmē, ka tādu piemaisījumu kā skābeklis, mitrums un ogļūdeņraži ir ierobežoti līdz 1 daļai uz miljonu (ppm) vai pat daļām uz miljardu (ppb). Šie niecīgie piemaisījumu līmeņi tiek mērīti reāllaikā ražotnē, izmantojot ļoti jutīgu analītisko aprīkojumu, piemēram, dobuma gredzenveida spektroskopiju (CRDS) un gāzu hromatogrāfiju ar masas spektrometriju (GC-MS), nodrošinot nepārtrauktu kvalitātes kontroli.