Trong thế giới công nghệ hiện đại, chất bán dẫn là vua. Những con chip nhỏ, phức tạp này cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến ô tô và các trung tâm dữ liệu chạy trên Internet. Nhưng điều gì tạo nên sức mạnh cho việc tạo ra những con chip này? Câu trả lời thật bất ngờ là khí đốt. Không chỉ bất kỳ khí đốt, nhưng khí có độ tinh khiết cao về sự sạch sẽ không thể tưởng tượng được. Như Allen, chủ một nhà máy có bảy dây chuyền sản xuất chuyên về khí công nghiệp, tôi đã tận mắt chứng kiến ​​nhu cầu về độ tinh khiết đã tăng vọt như thế nào. Bài viết này dành cho những nhà lãnh đạo doanh nghiệp như Mark Shen, người đi đầu trong lĩnh vực khí đốt chuỗi cung ứng. Bạn hiểu chất lượng và giá cả, nhưng để thực sự dẫn đầu trên thị trường này, bạn cần hiểu Tại sao. Chúng ta sẽ làm sáng tỏ thế giới phức tạp của sản xuất chất bán dẫn, giải thích một cách đơn giản tại sao một người đi lạc hạt trong một khí đốt dòng suối có thể tiêu tốn của một nhà máy hàng triệu USD. Đây là hướng dẫn của bạn để nói ngôn ngữ của công nghiệp bán dẫn và trở thành một đối tác không thể thiếu.

Khí đóng vai trò gì trong việc chế tạo chip bán dẫn?

Tại cốt lõi của nó, sản xuất chất bán dẫn là một quá trình xây dựng các mạch điện cực nhỏ, nhiều lớp trên một đĩa mỏng silic, được gọi là bánh xốp. Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng xây dựng một tòa nhà chọc trời có kích thước bằng một con tem bưu chính, với hàng tỷ phòng và hành lang. Đó là quy mô mà chúng ta đang nói đến. Để đạt được điều này, bạn không thể sử dụng các công cụ vật lý. Thay vào đó, toàn bộ quá trình sản xuất dựa vào một loạt các phản ứng hóa học chính xác và phương tiện chính cho các phản ứng này là khí đốt.

Khí đóng vai trò như những bàn tay vô hình xây dựng nên các mạch điện này. Họ làm một số công việc quan trọng. Một số, như nitơ, tạo ra một môi trường hoàn toàn sạch sẽ và ổn định, ngăn ngừa các phản ứng không mong muốn. Những loại khác, được gọi là khí xử lý, là các khối xây dựng thực tế hoặc các công cụ chạm khắc. Ví dụ, một cụ thể loại khí có thể được sử dụng để lắng đọng một lớp vật liệu dẫn điện cực nhỏ, trong khi một lớp khác khí đốt được sử dụng để chính xác khắc vật liệu đi để tạo thành một đường dẫn mạch. Mỗi bước, từ việc làm sạch bánh xốp để xây dựng các bóng bán dẫn cuối cùng, liên quan đến một quy trình cụ thể khí đốt hoặc hỗn hợp khí. Độ chính xác của dòng khí và thành phần hóa học của nó trực tiếp quyết định sự thành công của sản xuất chip quá trình.

Tại sao độ tinh khiết lại quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn?

Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, một chút bụi hoặc ô nhiễm không khí không có gì to tát. Nhưng bên trong một chất bán dẫn nhà máy chế tạo, hay "fab", đó là một thảm họa. Các thành phần được xây dựng trên một silic bánh xốp thường được đo bằng nanomet—tức là một phần tỷ mét. Để dễ hình dung, một sợi tóc của con người có chiều rộng khoảng 75.000 nanomet. Một hạt bụi nhỏ hạt bạn thậm chí không thể nhìn thấy một tảng đá khổng lồ trong thế giới chất bán dẫn chế tạo.

Đây là lý do tại sao sự tinh khiết là đặc tính quan trọng nhất của khí được sử dụng trong chất bán dẫn sản xuất. Bất kỳ phân tử không mong muốn nào—cho dù đó là phân tử nước lạc, một kim loại nhỏ hạt, hoặc khác khí đốt phân tử—được coi là một tạp chất. Cái này sự ô nhiễm hoàn toàn có thể phá vỡ sự tinh tế phản ứng hóa học diễn ra trên bánh xốpbề mặt của. Một đĩa đơn tạp chất có thể chặn sự hình thành mạch điện, gây đoản mạch hoặc làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn vật chất. Bởi vì một đơn bánh xốp có thể chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn con chip riêng lẻ, một sai sót nhỏ có thể dẫn đến tổn thất tài chính lớn. Toàn bộ quá trình đòi hỏi mức độ tinh khiết cao nhất để làm việc cả.

Tạp chất trong khí ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chất bán dẫn như thế nào?

Khi một tạp chất hiện diện trong một quá trình khí đốt, nó có thể gây ra “kẻ giết người khiếm khuyết." Đây không chỉ là một sai sót nhỏ; đó là một khiếm khuyết hiển thị toàn bộ vi mạch trên phần đó của bánh xốp vô dụng. Hãy xem điều này xảy ra như thế nào. Trong thời gian sự lắng đọng pha, trong đó các màng mỏng được chế tạo từng lớp một, một điều không mong muốn hạt có thể đáp xuống bề mặt. Khi lớp tiếp theo được phủ lên trên, nó sẽ tạo ra một vết sưng hoặc khoảng trống cực nhỏ. Lỗ hổng này có thể làm đứt kết nối điện hoặc tạo ra một kết nối ngoài ý muốn, phá hủy hiệu quả bóng bán dẫn đang được chế tạo.

Hậu quả của việc này là tàn phá lợi nhuận của nhà máy. Thước đo chính cho sự thành công trong một chất bán dẫn fab là "sản lượng"—tỷ lệ phần trăm số chip hoạt động được tạo ra từ một bánh xốp. Ngay cả một giọt nhỏ trong năng suất, từ 95% đến 90%, có thể gây ra doanh thu bị mất hàng triệu đô la. Tạp chất khí là nguyên nhân trực tiếp làm giảm năng suất. Đây là lý do tại sao nhà sản xuất chất bán dẫn bị ám ảnh bởi độ tinh khiết của khí. Họ cần phải chắc chắn rằng khí đốt việc tham gia vào các công cụ trị giá hàng tỷ đô la của họ hoàn toàn không có bất kỳ chất gây ô nhiễm điều đó có thể làm chệch hướng quá trình chế tạo chất bán dẫn. Đó là một trò chơi có độ chính xác cực nhỏ, không có chỗ cho sai sót.

Các loại khí chính được sử dụng trong chế tạo chất bán dẫn là gì?

Các loại khí được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn rất lớn, nhưng nhìn chung chúng được chia thành hai loại: khí khối và khí đặc biệt.

• Khí số lượng lớn: Chúng được sử dụng với số lượng lớn và tạo thành nền tảng của môi trường sản xuất.

  • Nitơ (N₂): Đây là con ngựa làm việc. Siêu cao sự tinh khiết Nitơ được sử dụng để tạo ra một "bầu không khí" trơ bên trong các công cụ chế tạo. Điều này làm sạch oxy, độ ẩm và các hạt khác, ngăn chặn quá trình oxy hóa hoặc sự ô nhiễm của bánh xốp.
  • Hydro (H₂): Thường được sử dụng kết hợp với các loại khí khác, hydro là rất quan trọng cho một số sự lắng đọng và để tạo ra môi trường hóa học đặc biệt cần thiết để xây dựng cấu trúc bóng bán dẫn.
  • Argon (Ar): Là chất trơ khí đốt, Argon được sử dụng trong một quá trình gọi là phún xạ, trong đó nó được sử dụng để bắn phá vật liệu mục tiêu, đánh bật các nguyên tử lỏng lẻo sau đó đọng lại trên bánh xốp. Nó cũng được sử dụng để tạo ra huyết tương trong nhiều khắc quá trình.

• Khí đặc biệt: Đây là những loại khí phức tạp, thường nguy hiểm và có tính kỹ thuật cao được sử dụng cho các bước quy trình cụ thể. Chúng là những thành phần "hoạt động".

  • Khắc: Các loại khí như clo (Cl₂) và hydro bromua (HBr) được sử dụng để khắc chính xác hoặc khắc các mẫu vào các lớp của bánh xốp.
  • Chất tạp chất: Các loại khí như arsine (AsH₃) và phosphine (PH₃) được sử dụng để cố ý tạo ra một loại khí cụ thể tạp chất vào silic để thay đổi các đặc tính điện của nó, đó là cách điều khiển bóng bán dẫn.
  • Khí lắng đọng: Silane (SiH₄) là một ví dụ cổ điển, được sử dụng làm nguồn silic để lắng đọng màng mỏng.

Đối với một nhân viên thu mua như Mark, điều quan trọng cần biết là mặc dù tất cả các loại khí này đều khác nhau nhưng chúng có chung một yêu cầu: cực kỳ khắc nghiệt. sự tinh khiết.

Bạn có thể giải thích sự lắng đọng và khắc bằng thuật ngữ đơn giản?

Sản xuất chất bán dẫn bao gồm hàng trăm bước, nhưng hầu hết chúng là các biến thể của hai quy trình cơ bản: sự lắng đọng Và khắc. Hiểu những điều này bằng những thuật ngữ đơn giản là chìa khóa để hiểu được vai trò của khí đốt.

1. Lắng đọng: Xây dựng các lớp
nghĩ về sự lắng đọng giống như phun sơn bằng phân tử. Mục đích là thêm một lớp vật liệu siêu mỏng, đồng nhất hoàn hảo lên trên tấm silicon.

• Quá trình: Một quá trình khí đốt (như silane) được trộn với một khí mang (giống nitơ hoặc hydro). Cái này khí đốt hỗn hợp sau đó được đưa vào một buồng chứa bánh xốp. MỘT phản ứng hóa học được kích hoạt, thường là do nhiệt hoặc một huyết tương, làm cho các phân tử “kết tủa” ra khỏi khí đốt và tạo thành chất rắn màng mỏng trên bánh xốpbề mặt của.
• Tại sao độ tinh khiết lại quan trọng: Nếu có chất gây ô nhiễm hạt trong khí đốt dòng chảy, nó giống như một hạt bụi lọt vào sơn xịt của bạn. Nó sẽ được nhúng vào lớp mới, tạo ra cấu trúc khiếm khuyết. Nếu có điều không mong muốn khí đốt phân tử, nó có thể phản ứng không chính xác, làm thay đổi thành phần hóa học và tính chất điện của lớp.

2. Khắc: Khắc mạch điện
Sau khi xây dựng một lớp, bạn cần khắc mô hình mạch vào đó. khắc là quá trình loại bỏ có chọn lọc vật liệu.

• Quá trình: các bánh xốp được phủ một vật liệu nhạy sáng gọi là chất quang dẫn. Một mẫu được chiếu lên nó (giống như một khuôn tô). Các khu vực tiếp xúc sau đó được làm cứng. các bánh xốp sau đó được đặt trong một buồng chứa đầy chất ăn mòn khí đốt (giống như hợp chất gốc flo). Cái này khí đốt được cấp năng lượng vào một huyết tương trạng thái, làm cho nó có tính phản ứng cao. các huyết tương bắn phá bánh xốp, ăn mòn vật liệu về mặt hóa học chỉ ở những khu vực không được bảo vệ bởi giấy nến.
• Tại sao độ tinh khiết lại quan trọng: Các tạp chất trong khí được sử dụng để khắc có thể làm thay đổi tốc độ phản ứng. Điều này có thể khiến các mạch điện được khắc quá rộng, quá hẹp hoặc không hề có. Một kim loại hạt tạp chất thậm chí có thể chặn khắc xử lý ở một điểm nhỏ, để lại một "đăng" chứa vật liệu không mong muốn làm ngắt mạch điện.

Độ tinh khiết của khí cực cao được đo lường và duy trì như thế nào?

trong ngành bán dẫn toàn cầu, các phép đo độ tinh khiết tiêu chuẩn như "phần trăm" là vô ích. Chúng tôi đang giải quyết sự ô nhiễm ở một quy mô khó có thể hiểu được. Độ tinh khiết được đo bằng phần nghìn tỷ (ppt). Điều này có nghĩa là đối với mọi nghìn tỷ khí đốt phân tử thì chỉ có thể có một hoặc hai phân tử tạp chất.

Để đạt được và xác minh mức độ này độ tinh khiết của khí, một hệ thống phức tạp của thanh lọc khí và phân tích là cần thiết.

Tại nhà máy của chúng tôi, chúng tôi không chỉ sản xuất khí đốt; chúng ta sống và thở kiểm soát chất lượng. các cung cấp khí đốt chuỗi cho một chất bán dẫn fab bao gồm các máy lọc chuyên dụng được lắp đặt ngay tại thời điểm sử dụng. Hơn nữa, nâng cao phân tích khí công cụ được sử dụng để giám sát thời gian thực. Kỹ thuật như khối lượng ion hóa áp suất khí quyển phép đo phổ (APIMS) có thể thực hiện phát hiện tạp chất xuống mức phần nghìn tỷ, đảm bảo ừm gas (độ tinh khiết cực cao) khi đưa vào công cụ xử lý là hoàn hảo.

Điều gì khiến một nhà cung cấp khí có độ tinh khiết cao đáng tin cậy?

Đối với một người đứng đầu bộ phận thu mua như Mark, người từng trải qua nỗi đau do giao hàng chậm trễ và chứng chỉ gian lận, độ tin cậy là tất cả. trong thế giới của chất bán dẫn có độ tinh khiết cao khí, độ tin cậy dựa trên ba trụ cột: Tính nhất quán trong sản xuất, Đảm bảo chất lượng và Chuyên môn hậu cần.

1. Tính nhất quán trong sản xuất: Một nhà cung cấp đáng tin cậy phải có năng lực sản xuất mạnh mẽ và dự phòng. Ví dụ, bảy dây chuyền sản xuất của nhà máy chúng tôi đảm bảo rằng chúng tôi có thể đáp ứng nhu cầu cao và rằng một vấn đề trên một dòng không làm dừng toàn bộ kết quả đầu ra của chúng tôi. Điều này giảm thiểu nguy cơ gián đoạn nguồn cung có thể đóng cửa một cơ sở trị giá hàng tỷ đô la. chất bán dẫn tuyệt vời.
2. Đảm bảo chất lượng có thể kiểm chứng: Nó không đủ để khẳng định bạn có khí có độ tinh khiết cao. Bạn phải có khả năng chứng minh điều đó. Điều này có nghĩa là đầu tư vào thiết bị phân tích hiện đại để phát hiện tạp chất. Điều đó cũng có nghĩa là cung cấp Chứng nhận Phân tích (CoA) minh bạch, có thể truy nguyên cho mỗi lô hàng. Chống gian lận chứng chỉ là xây dựng mối quan hệ lâu dài dựa trên sự tin cậy và dữ liệu có thể kiểm chứng.
3. Chuyên môn hậu cần: Bắt một khí ăn mòn hay chất lỏng đông lạnh từ Trung Quốc sang Mỹ không hề đơn giản. Nó đòi hỏi các container chuyên dụng, kiến ​​thức về các quy định vận chuyển quốc tế và lập kế hoạch tỉ mỉ để tránh sự chậm trễ. Một nhà cung cấp đáng tin cậy hiểu rằng đây không chỉ là vận chuyển một chiếc hộp; nó đang quản lý một phần quan trọng của toàn cầu chất bán dẫn chuỗi cung ứng.

Sự khác biệt giữa khí số lượng lớn và khí đặc biệt là gì?

Hiểu rõ sự khác biệt giữa khí số lượng lớn Và khí đặc biệt là chìa khóa cho bất kỳ ai tham gia vào việc tìm nguồn cung ứng cho công nghiệp bán dẫn. Trong khi cả hai đều yêu cầu cực độ sự tinh khiết, quy mô, cách xử lý và ứng dụng của chúng rất khác nhau.

Khí số lượng lớn, giống Khí đặc biệt có độ tinh khiết cao số lượng lớn, tham khảo các loại khí như nitơ, oxy, argon và hydro. Chúng là nền tảng của môi trường của nhà máy. Thuật ngữ "số lượng lớn" dùng để chỉ số lượng lớn được sử dụng. Những loại khí này thường được sản xuất tại chỗ hoặc gần đó và được phân phối qua đường ống chuyên dụng trực tiếp đến hệ thống phân phối nội bộ của nhà máy. Những thách thức chính ở đây là duy trì sự tinh khiết trên mạng lưới phân phối rộng lớn và đảm bảo nguồn cung cấp khối lượng lớn, không bị gián đoạn.

Khí đặc biệt (hoặc khí điện tử) đề cập đến một loại khí thường kỳ lạ, phản ứng hoặc nguy hiểm được sử dụng với số lượng nhỏ hơn cho các bước quy trình cụ thể như ăn mòn và sự lắng đọng. Ví dụ bao gồm silane, amoniac, boron triclorua và nitơ triflorua. Chúng được phân phối trong các xi lanh áp suất cao riêng lẻ. Những thách thức với khí đặc biệt cực kỳ an toàn khi xử lý, đảm bảo tính nhất quán pha trộn hoàn hảo cho hỗn hợp khí và ngăn chặn bất kỳ phản ứng hóa học nào trong xi lanh có thể gây tổn hại chất lượng khí đốt.

Nhu cầu về khí bán dẫn có độ tinh khiết cao đang phát triển như thế nào?

các công nghiệp bán dẫn không bao giờ đứng yên. Định luật Moore, quan sát cho thấy số lượng bóng bán dẫn trên một con chip tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần, tiếp tục vượt qua các ranh giới của vật lý. Khi bóng bán dẫn co lại, chúng trở nên nhạy cảm hơn theo cấp số nhân với sự ô nhiễm. MỘT kích thước hạt điều được chấp nhận cách đây 5 năm là một "kẻ giết người khiếm khuyết"hôm nay.

Nỗ lực không ngừng nghỉ cho những con chip nhỏ hơn và mạnh hơn đồng nghĩa với việc nhu cầu về mức độ xử lý thậm chí còn cao hơn. độ tinh khiết của khí đang phát triển. Chúng ta đang chuyển từ một thế giới nơi phần tỷ là tiêu chuẩn vàng sang một thế giới mà phần nghìn tỷ là yêu cầu đầu vào tối thiểu cho chất bán dẫn tiên tiến nút. Hơn nữa, các vật liệu và kiến trúc chip mới, như bóng bán dẫn 3D NAND và Gate-All-Around (GAA), đòi hỏi một danh mục công nghệ hoàn toàn mới. khí đốt thế hệ tiếp theo hỗn hợp và tiền chất. Như nhà sản xuất gas, chúng tôi đang trong một cuộc chạy đua không ngừng đổi mới, phát triển các công nghệ thanh lọc và phương pháp phân tích mới để bắt kịp với ngành bán dẫn toàn cầu.

Với tư cách là người mua, tôi nên tìm kiếm những chứng chỉ chất lượng nào?

Việc tìm kiếm các nhà cung cấp trong thế giới có thể khó khăn, đặc biệt khi giao dịch với các sản phẩm kỹ thuật. Chứng nhận cung cấp sự xác nhận quan trọng của bên thứ ba về khả năng và cam kết của nhà cung cấp đối với chất lượng. Khi tìm nguồn cung ứng khí có độ tinh khiết cao cho công nghiệp bán dẫn, đây là một số điều cần tìm:

• ISO 9001: Đây là chứng nhận cơ bản cho hệ thống quản lý chất lượng. Nó cho thấy rằng nhà cung cấp có các quy trình được xác định rõ ràng và có thể lặp lại để sản xuất, kiểm tra và giao hàng.
• ISO/IEC 17025: Đây là một trong những điều quan trọng. Đó là tiêu chuẩn về năng lực của các phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn. Nhà cung cấp có chứng nhận này đã chứng minh rằng phòng thí nghiệm nội bộ của họ—nơi tạo ra Chứng nhận Phân tích của bạn—là chính xác và đáng tin cậy.
• Phân tích có thể theo dõi: Luôn yêu cầu Giấy chứng nhận Phân tích (CoA) cho mỗi xi lanh hoặc lô. Chứng chỉ này phải nêu chi tiết chính xác mức độ quan trọng tạp chất trong khí, được đo bằng các phương pháp phân tích cụ thể như sắc ký khí hoặc khối phổ.

Là một nhà lãnh đạo quyết đoán như Mark, công cụ tốt nhất của bạn là đặt những câu hỏi thăm dò. Đừng chỉ hỏi “Đây có phải là khí đốt tinh khiết?" Hãy hỏi "Làm thế nào để bạn chứng minh nó là nguyên chất? Cho tôi xem chứng nhận của phòng thí nghiệm của bạn. Giải thích quy trình của bạn để đảm bảo tính nhất quán giữa các lô." Một đối tác thực sự chuyên nghiệp và đáng tin cậy sẽ hoan nghênh những câu hỏi này và có những câu trả lời tự tin, minh bạch.

Bài học chính

• Khí là một công cụ: TRONG sản xuất chất bán dẫn, khí không chỉ là vật liệu; chúng là những công cụ chính xác được sử dụng để xây dựng và khắc các mạch điện cực nhỏ trên một tấm silicon.
• Sự tinh khiết là tất cả: Quy mô của sản xuất chip nhỏ đến mức chỉ một điều không mong muốn hạt hoặc tạp chất phân tử có thể phá hủy một con chip, tạo ra độ tinh khiết cực cao một yêu cầu không thể thương lượng.
• Năng suất là mục tiêu: Tác động chủ yếu của ô nhiễm khí là sự cắt giảm trong sản xuất năng suất, điều này có nghĩa trực tiếp là doanh thu bị mất hàng triệu đô la cho nhà máy bán dẫn.
• Hai quy trình chính: Hầu hết các bước trong quá trình tạo ra một con chip đều liên quan đến sự lắng đọng (lớp xây dựng) hoặc khắc (mẫu chạm khắc), cả hai đều hoàn toàn phụ thuộc vào phản ứng hóa học chính xác của khí nguyên chất.
• Độ tin cậy là chìa khóa: Nhà cung cấp đáng tin cậy tại khí bán dẫn thị trường phải chứng minh tính nhất quán trong sản xuất, đảm bảo chất lượng có thể kiểm chứng thông qua các phòng thí nghiệm được chứng nhận và quản lý hậu cần chuyên nghiệp.
• Tương lai là thuần khiết hơn: Khi chất bán dẫn trở nên tiên tiến hơn, nhu cầu về mức độ cao hơn nữa độ tinh khiết của khí (giảm xuống phần nghìn tỷ) sẽ chỉ tiếp tục tăng trưởng.