2. सेमीकंडक्टर उद्योग पूर्ण शुद्धतेची मागणी का करतो

अति-उच्च शुद्धतेची आवश्यकता समजून घेण्यासाठी, एखाद्याने आधुनिक सेमीकंडक्टर उत्पादनाचे प्रमाण समजून घेतले पाहिजे. आजच्या सर्वात प्रगत चिप्समध्ये फक्त काही नॅनोमीटर रुंद असलेले ट्रान्झिस्टर आहेत. याला दृष्टीकोनातून सांगायचे तर, मानवी केसांचा एक स्ट्रँड सुमारे 80,000 ते 100,000 नॅनोमीटर जाड असतो.

जेव्हा तुम्ही अणु स्तरावर संरचना तयार करत असाल, तेव्हा ऑक्सिजनचा एक रेणू किंवा पाण्याचा सूक्ष्म थेंब आपत्तीजनक अपयशास कारणीभूत ठरू शकतो.

• ऑक्सिडेशन: अवांछित ऑक्सिजन नाजूक सिलिकॉन संरचनांवर प्रतिक्रिया देऊ शकतो, त्यांचे विद्युत गुणधर्म बदलू शकतो.

• कण दूषित होणे: अगदी एक भटका कणही नॅनोस्केल ट्रान्झिस्टरला शॉर्ट सर्किट करू शकतो, ज्यामुळे मायक्रोचिपचा संपूर्ण भाग निरुपयोगी होतो.

• उत्पन्न घट: दर आठवड्याला हजारो वेफर्सवर प्रक्रिया करणाऱ्या फॅबमध्ये, गॅसच्या दूषिततेमुळे उत्पन्नात थोडीशी घट झाल्यास लाखो डॉलर्सचे उत्पन्न गमावले जाऊ शकते.

म्हणून, द अर्धसंवाहक द्रव आर्गॉन क्लीनरूमच्या वातावरणात आणलेले मूलतः कोणत्याही प्रतिक्रियाशील दूषित पदार्थांपासून मुक्त असले पाहिजे.

3. सेमीकंडक्टर लिक्विड आर्गॉनचे मुख्य अनुप्रयोग

सिलिकॉन वेफरचा कच्च्या मालापासून तयार मायक्रोप्रोसेसरपर्यंतचा प्रवास शेकडो गुंतागुंतीच्या पायऱ्या पार करतो. अति-उच्च शुद्धता द्रव आर्गॉन या प्रवासाच्या अनेक गंभीर टप्प्यांमध्ये खोलवर समाकलित आहे.

३.१. सिलिकॉन क्रिस्टल पुलिंग (Czochralski प्रक्रिया)

कोणत्याही मायक्रोचिपचा पाया हा सिलिकॉन वेफर असतो. हे वेफर्स मोठ्या, सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन इंगॉट्सपासून कापले जातात जे Czochralski (CZ) पद्धतीने वाढवले ​​जातात. या प्रक्रियेत, अत्यंत शुद्ध केलेले पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन क्वार्ट्ज क्रुसिबलमध्ये 1,400°C पेक्षा जास्त तापमानात वितळले जाते. सीड स्फटिक आणले जाते आणि हळू हळू वर खेचले जाते, वितळलेल्या बाहेर एक परिपूर्ण दंडगोलाकार क्रिस्टल काढते.

या अत्यंत थर्मल प्रक्रियेदरम्यान, वितळलेले सिलिकॉन अत्यंत प्रतिक्रियाशील असते. जर ते ऑक्सिजन किंवा नायट्रोजनच्या संपर्कात आले तर ते सिलिकॉन डायऑक्साइड किंवा सिलिकॉन नायट्राइड तयार करेल, शुद्ध क्रिस्टलीय रचना नष्ट करेल. येथे, आर्गॉन अंतिम संरक्षक म्हणून कार्य करते. भट्टी सतत बाष्पयुक्त करून शुद्ध केली जाते अति-उच्च शुद्धता द्रव आर्गॉन पूर्णपणे निष्क्रिय वातावरण तयार करण्यासाठी. आर्गॉन हवेपेक्षा जड असल्यामुळे, ते वितळलेल्या सिलिकॉनवर एक संरक्षक ब्लँकेट बनवते, परिणामी पिंड संरचनात्मकदृष्ट्या परिपूर्ण आणि सूक्ष्म दोषांपासून मुक्त असल्याचे सुनिश्चित करते.

३.२. प्लाझ्मा एचिंग आणि डिपॉझिशन

आधुनिक चिप्स 3D लेयरमध्ये तयार केल्या आहेत. यामध्ये वेफरवर प्रवाहकीय किंवा इन्सुलेट सामग्रीचे सूक्ष्म स्तर जमा करणे आणि नंतर सर्किट तयार करण्यासाठी विशिष्ट भाग काढून टाकणे समाविष्ट आहे.

• थुंकणे (भौतिक वाष्प संचय – PVD): आर्गॉन हा स्पटरिंगमध्ये वापरला जाणारा प्राथमिक वायू आहे. व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये, आर्गॉन वायूचे प्लाझ्मामध्ये आयनीकरण केले जाते. हे सकारात्मक चार्ज केलेले आर्गॉन आयन नंतर लक्ष्य सामग्रीमध्ये (तांबे किंवा टायटॅनियम सारखे) प्रवेगक केले जातात. जड आर्गॉन आयनची तीव्र गतिज शक्ती अणूंना लक्ष्यापासून दूर करते, जे नंतर सिलिकॉन वेफरवर समान रीतीने जमा होते. आर्गॉनची निवड केली जाते कारण त्याचे अणू वस्तुमान धातूच्या अणूंवर रासायनिक प्रतिक्रिया न करता कार्यक्षमतेने काढून टाकण्यासाठी पूर्णपणे अनुकूल आहे.

• डीप रिऍक्टिव आयन एचिंग (DRIE): जेव्हा उत्पादकांना सिलिकॉनमध्ये खोल, अत्यंत अचूक खंदक खोदण्याची आवश्यकता असते—मेमरी चिप्स आणि प्रगत पॅकेजिंगसाठी-आर्गॉन बहुतेक वेळा प्रतिक्रियाशील वायूंमध्ये मिसळले जाते ज्यामुळे प्लाझ्मा स्थिर होतो आणि वेफरच्या पृष्ठभागावर शारीरिकरित्या बॉम्बस्फोट करण्यात मदत होते, खोदलेल्या उपउत्पादनांना साफ करून.

३.३. DUV आणि EUV लिथोग्राफी (एक्सायमर लेसर)

लिथोग्राफी ही वेफरवर सर्किट पॅटर्न मुद्रित करण्यासाठी प्रकाश वापरण्याची प्रक्रिया आहे. सर्किट्स कमी झाल्यामुळे, उत्पादकांना कमी तरंगलांबीसह प्रकाश वापरावा लागला. येथे आहे द्रव आर्गॉन इलेक्ट्रॉनिक्स ऑप्टिकल फिजिक्सला छेदते.

डीप अल्ट्राव्हायोलेट (DUV) लिथोग्राफी ArF (Argon Fluoride) excimer lasers वर जास्त अवलंबून असते. हे लेसर 193 नॅनोमीटरच्या तरंगलांबीसह अत्यंत केंद्रित प्रकाश निर्माण करण्यासाठी आर्गॉन, फ्लोरिन आणि निऑन वायूंचे अचूक नियंत्रित मिश्रण वापरतात. या लेसर पोकळ्यांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या आर्गॉनची शुद्धता आश्चर्यकारकपणे कठोर आहे. कोणतीही अशुद्धता लेसर ऑप्टिक्स खराब करू शकते, प्रकाशाची तीव्रता कमी करू शकते आणि लिथोग्राफी प्रक्रियेला अस्पष्ट किंवा दोषपूर्ण सर्किट्स मुद्रित करू शकते.

अगदी नवीन एक्स्ट्रीम अल्ट्राव्हायोलेट (EUV) लिथोग्राफी सिस्टीममध्येही, नाजूक, अत्यंत गुंतागुंतीच्या मिरर सिस्टमला आण्विक दूषिततेपासून पूर्णपणे मुक्त ठेवण्यासाठी आर्गॉन शुद्ध वायू म्हणून महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते.

३.४. एनीलिंग आणि थर्मल प्रोसेसिंग

डोपेंट्स (बोरॉन किंवा फॉस्फरससारखे) सिलिकॉनमध्ये त्याचे विद्युत गुणधर्म बदलण्यासाठी रोपण केल्यानंतर, क्रिस्टल जाळीचे नुकसान दुरुस्त करण्यासाठी आणि डोपंट सक्रिय करण्यासाठी वेफरला उच्च तापमानात गरम केले पाहिजे. ही प्रक्रिया, ज्याला ॲनिलिंग म्हणून ओळखले जाते, वेफरच्या पृष्ठभागाचे ऑक्सीकरण होण्यापासून रोखण्यासाठी कठोरपणे नियंत्रित, ऑक्सिजन-मुक्त वातावरणात होणे आवश्यक आहे. अल्ट्रा-प्युअर आर्गॉनचा सतत प्रवाह हे सुरक्षित थर्मल वातावरण प्रदान करतो.

4. लिक्विड आर्गॉन इलेक्ट्रॉनिक्स: टेकच्या पुढच्या पिढीला शक्ती देणे

पद द्रव आर्गॉन इलेक्ट्रॉनिक्स या क्रायोजेनिक सामग्रीवर अवलंबून असलेल्या उच्च-तंत्रज्ञान उपकरणे आणि उत्पादन प्रक्रियांच्या परिसंस्थेचा व्यापकपणे समावेश होतो. आर्टिफिशियल इंटेलिजन्स (AI), इंटरनेट ऑफ थिंग्ज (IoT) आणि स्वायत्त वाहनांच्या वर्चस्व असलेल्या युगात जात असताना, अधिक शक्तिशाली, ऊर्जा-कार्यक्षम चिप्सची मागणी गगनाला भिडत आहे.

1. AI प्रवेगक आणि GPU: मोठ्या भाषेतील मॉडेल्ससारख्या AI मॉडेल्सना प्रशिक्षित करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या भव्य ग्राफिकल प्रोसेसिंग युनिट्स (GPUs) साठी अविश्वसनीयपणे मोठे, दोष-मुक्त सिलिकॉन डीज आवश्यक आहे. डाय जितका मोठा असेल तितकी एक अशुद्धता संपूर्ण चिप खराब होण्याची शक्यता जास्त असते. UHP आर्गॉन द्वारे प्रदान केलेले निर्दोष वातावरण येथे नॉन-निगोशिएबल आहे.

2. क्वांटम संगणन: संशोधक क्वांटम कॉम्प्युटर विकसित करत असताना, क्यूबिट्स तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या सुपरकंडक्टिंग मटेरियलला जवळजवळ शून्य प्रदूषणासह उत्पादन वातावरणाची आवश्यकता असते. या पुढच्या पिढीतील प्रोसेसरच्या क्रायोजेनिक तयारी आणि फॅब्रिकेशनमध्ये आर्गॉन शुद्ध करणे आवश्यक आहे.

3. पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स: इलेक्ट्रिक वाहने सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN) पॉवर चिप्सवर अवलंबून असतात. या मिश्रित अर्धसंवाहक क्रिस्टल्स वाढवण्यासाठी मानक सिलिकॉनपेक्षा जास्त तापमान आवश्यक आहे, ज्यामुळे आर्गॉनचे अक्रिय संरक्षण गुणधर्म आणखी महत्त्वपूर्ण बनतात.

5. पुरवठा साखळी आणि सोर्सिंगची गंभीरता

अति-उच्च शुद्धता द्रव आर्गॉन तयार करणे हे आधुनिक रासायनिक अभियांत्रिकीचे एक चमत्कार आहे. हे सामान्यत: मोठ्या प्रमाणात एअर सेपरेशन युनिट्स (ASUs) मध्ये क्रायोजेनिक फ्रॅक्शनल डिस्टिलेशन वापरून हवेतून काढले जाते. तथापि, गॅसचे उत्पादन करणे ही केवळ अर्धी लढाई आहे; शुद्धता न गमावता सेमीकंडक्टर टूलवर ते वितरित करणे तितकेच आव्हानात्मक आहे.

संक्रमण दरम्यान दूषित नियंत्रण

प्रत्येक झडपा, पाईप आणि स्टोरेज टाकीला स्पर्श करते अति-उच्च शुद्धता द्रव आर्गॉन विशेषत: इलेक्ट्रोपॉलिश केलेले आणि पूर्व-शुद्ध केलेले असणे आवश्यक आहे. ट्रान्सपोर्ट टँकरमध्ये अगदी सूक्ष्म गळती असल्यास, वातावरणाचा दाब फक्त आर्गॉन बाहेर पडू देत नाही; क्रायोजेनिक तापमान प्रत्यक्षात वातावरणातील अशुद्धता काढू शकते मध्ये, संपूर्ण बॅच नष्ट करणे.

फॅब स्तरावर, द्रव आर्गॉन मोठ्या व्हॅक्यूम-इन्सुलेटेड बल्क टाक्यांमध्ये साठवले जाते. त्यानंतर क्लीनरूममध्ये प्रवेश करण्यापूर्वी ते अत्यंत विशेष वाष्पीकरण आणि पॉइंट-ऑफ-यूज गॅस प्युरिफायरमधून जाते.

सतत, अखंडित उत्पादन राखण्यासाठी, सेमीकंडक्टर उत्पादकांनी उच्च-स्तरीय गॅस पुरवठादारांशी भागीदारी केली पाहिजे ज्यांनी या कठोर पुरवठा साखळीत प्रभुत्व मिळवले आहे. अत्याधुनिक सुविधांसाठी, खात्रीशीर शुद्धता मेट्रिक्ससह या महत्त्वपूर्ण सामग्रीचा सतत, विश्वासार्ह पुरवठा सुरक्षित ठेवण्यासाठी, विश्वसनीय प्रदात्यांकडून विशेष औद्योगिक गॅस सोल्यूशन्स शोधून हुआझोंग गॅस अचूक मानकांची पूर्तता केली जाते आणि उत्पादन डाउनटाइम काढून टाकला जातो याची खात्री करते.

6. आर्थिक आणि पर्यावरणीय विचार

आधुनिक गिगाफॅबद्वारे वापरल्या जाणाऱ्या आर्गॉनचे प्रमाण आश्चर्यकारक आहे. एकच मोठी अर्धसंवाहक उत्पादन सुविधा दररोज हजारो घनमीटर अल्ट्रा-प्युअर गॅस वापरू शकते.

टिकाऊपणा आणि पुनर्वापर

कारण आर्गॉन हा एक उदात्त वायू आहे आणि बहुतेक अर्धसंवाहक प्रक्रियांमध्ये त्याचा रासायनिक वापर केला जात नाही (ते मुख्यतः भौतिक ढाल किंवा प्लाझ्मा माध्यम म्हणून कार्य करते), आर्गॉन पुनर्प्राप्ती आणि पुनर्वापर प्रणालीसाठी उद्योगात वाढ होत आहे. प्रगत फॅब्स ऑनसाइट रिकव्हरी युनिट्स वाढवत आहेत जे क्रिस्टल पुलिंग फर्नेस आणि स्पटरिंग चेंबर्समधून आर्गॉन एक्झॉस्ट कॅप्चर करतात. हा गॅस नंतर स्थानिक पातळीवर पुन्हा शुद्ध केला जातो. हे केवळ फॅबच्या ऑपरेटिंग खर्चात लक्षणीय घट करत नाही तर लांब अंतरापर्यंत ताजे आर्गॉन द्रवीकरण आणि वाहतूक करण्याशी संबंधित कार्बन फूटप्रिंट देखील कमी करते.

7. प्रगत नोड मॅन्युफॅक्चरिंगमध्ये आर्गॉनचे भविष्य

सेमीकंडक्टर उद्योग जसजसा 2nm, 14A (अँगस्ट्रॉम) आणि त्यापलीकडे झेपावत आहे, तसतसे ट्रान्झिस्टरचे आर्किटेक्चर बदलत आहे. आम्ही FinFET वरून गेट-ऑल-अराउंड (GAA) आणि अखेरीस पूरक FET (CFET) डिझाइनकडे जात आहोत.

या 3D स्ट्रक्चर्सना अणु लेयर डिपॉझिशन (ALD) आणि ॲटॉमिक लेयर एचिंग (ALE) - सिलिकॉनची एका वेळी अक्षरशः एक अणू हाताळणारी प्रक्रिया आवश्यक असते. ALD आणि ALE मध्ये, रासायनिक डोस दरम्यान प्रतिक्रिया कक्ष शुद्ध करण्यासाठी आर्गॉनच्या अचूकपणे नियंत्रित कडधान्यांचा वापर केला जातो, ज्यामुळे अणु पृष्ठभागावर अभिप्रेत असलेल्या ठिकाणीच प्रतिक्रिया घडतात.

जसजशी सुस्पष्टता वाढते तसतसे अवलंबून असते अर्धसंवाहक द्रव आर्गॉन फक्त तीव्र होईल. शुद्धता आवश्यकता सध्याच्या 6N मानकांपेक्षाही पुढे जाऊ शकते, 7N (99.99999%) किंवा त्याहून अधिकच्या क्षेत्रात ढकलून, गॅस शुद्धीकरण आणि मेट्रोलॉजी तंत्रज्ञानामध्ये आणखी नावीन्य आणू शकते.

निष्कर्ष

तयार झालेल्या मायक्रोप्रोसेसरला आश्चर्यचकित करणे सोपे आहे - सिलिकॉनचा एक तुकडा ज्यामध्ये अब्जावधी मायक्रोस्कोपिक स्विचेस असतात ज्यामध्ये प्रति सेकंद ट्रिलियन कॅलक्युलेशन करता येतात. तरीही, मानवी अभियांत्रिकीचे हे शिखर पूर्णपणे ते तयार करणाऱ्या अदृश्य घटकांवर अवलंबून आहे.

अति-उच्च शुद्धता द्रव आर्गॉन ही केवळ एक वस्तू नाही; हा सेमीकंडक्टर उद्योगाचा पायाभूत आधारस्तंभ आहे. सिलिकॉन क्रिस्टल्सच्या वितळलेल्या जन्मापासून ते नॅनोमीटर-स्केल सर्किट्स बनवणारा प्लाझ्मा सक्षम करण्यापर्यंत, आर्गॉन मूरचा कायदा जिवंत ठेवण्यासाठी आवश्यक असलेल्या मूळ वातावरणाची हमी देतो. च्या सीमारेषा म्हणून द्रव आर्गॉन इलेक्ट्रॉनिक्स AI, क्वांटम कंप्युटिंग आणि प्रगत उर्जा व्यवस्थापनास समर्थन देण्यासाठी विस्तारित करा, या पूर्णपणे शुद्ध, निष्क्रिय द्रवाची मागणी जागतिक तांत्रिक प्रगतीमागील प्रेरक शक्ती असेल.

वारंवार विचारले जाणारे प्रश्न

Q1: काही अर्धसंवाहक प्रक्रियांमध्ये नायट्रोजन किंवा हीलियम सारख्या इतर निष्क्रिय वायूंपेक्षा द्रव आर्गॉनला प्राधान्य का दिले जाते?

अ: नायट्रोजन स्वस्त आणि सामान्य शुद्ध वायू म्हणून मोठ्या प्रमाणावर वापरला जात असताना, अत्यंत उच्च तापमानात तो खरोखर जड नसतो; ते वितळलेल्या सिलिकॉनवर प्रतिक्रिया देऊन सिलिकॉन नायट्राइड दोष तयार करू शकते. हेलियम निष्क्रिय आहे परंतु खूप हलके आणि महाग आहे. आर्गॉन “गोड स्पॉट” वर आदळतो—तो अत्यंत तापमानातही पूर्णपणे जड असतो, वितळलेल्या सिलिकॉनला प्रभावीपणे ब्लँकेट करण्यासाठी पुरेसा जड असतो आणि प्लाझ्मा स्पटरिंग प्रक्रियेदरम्यान अवांछित रासायनिक प्रतिक्रिया न घडवता अणू भौतिकरित्या काढून टाकण्यासाठी परिपूर्ण अणु द्रव्यमान असतो.

Q2: अल्ट्रा-हाय प्युरिटी लिक्विड आर्गॉन दूषित न होता सेमीकंडक्टर फॅब्रिकेशन प्लांट्स (फॅब्स) मध्ये कसे नेले जाते?

अ: संक्रमणादरम्यान शुद्धता राखणे हे एक मोठे लॉजिस्टिक आव्हान आहे. UHP लिक्विड आर्गॉन विशेषीकृत, उच्च इन्सुलेटेड क्रायोजेनिक टँकर ट्रकमध्ये वाहून नेले जाते. या टाक्यांचे आतील पृष्ठभाग, तसेच सर्व वाल्व्ह आणि ट्रान्स्फर होसेस, आउटगॅसिंग आणि पार्टिकल शेडिंग टाळण्यासाठी मिरर फिनिशमध्ये इलेक्ट्रोपॉलिश केले जातात. लोड करण्यापूर्वी, संपूर्ण प्रणाली कठोर व्हॅक्यूम शुद्धीकरणातून जाते. फॅबवर आल्यावर, वायू पॉइंट-ऑफ-यूज प्युरिफायरमधून जातो जे रासायनिक गेटर तंत्रज्ञानाचा वापर करून आर्गॉन वेफरपर्यंत पोहोचण्यापूर्वी कोणतीही भटकी ppt-स्तर (भाग प्रति ट्रिलियन) अशुद्धता काढून टाकतात.

Q3: "सेमीकंडक्टर लिक्विड आर्गॉन" साठी कोणती शुद्धता पातळी आवश्यक आहे आणि ते कसे मोजले जाते?

अ: प्रगत सेमीकंडक्टर उत्पादनासाठी, आर्गॉन शुद्धता साधारणपणे किमान "6N" (99.9999% शुद्ध) असली पाहिजे, जरी काही अत्याधुनिक प्रक्रिया 7N ची मागणी करतात. याचा अर्थ ऑक्सिजन, आर्द्रता आणि हायड्रोकार्बन्स सारख्या अशुद्धता 1 भाग प्रति दशलक्ष (ppm) किंवा अगदी भाग प्रति अब्ज (ppb) पर्यंत मर्यादित आहेत. अत्यंत संवेदनशील विश्लेषणात्मक उपकरणे, जसे की कॅव्हिटी रिंग-डाऊन स्पेक्ट्रोस्कोपी (CRDS) आणि मास स्पेक्ट्रोमेट्री (GC-MS) सह गॅस क्रोमॅटोग्राफी, सतत गुणवत्ता नियंत्रण सुनिश्चित करून, फॅबमध्ये या अशुद्ध अशुद्धतेचे स्तर रिअल-टाइममध्ये मोजले जातात.