«Безмолвные стражи»: вакуумные насосы в EUV-литографии и потрясающие системы выживания
В то время как инструменты травления и осаждения привлекают внимание на полупроводниковом производстве, две другие области, где вакуумная технология работает на своих физических и химических пределах, не менее важны: литография в экстремальном ультрафиолете (EUV) и критические скрубберы, которые защищают производство и окружающую среду. Кто-то доводит чистоту вакуума до предела физики, чтобы создавать закономерности; другой борется с одними из самых агрессивных химических веществ на Земле, чтобы нейтрализовать опасности. В этой статье рассматривается, как специализированные вакуумные решения способствуют реализации самой точной в отрасли технологии нанесения рисунка и обеспечивают безопасную и непрерывную работу всего производственного предприятия.
Часть 1. Революция с использованием вакуума: внутри EUV-литографии
EUV-литография, необходимая для создания рисунков размером менее 7 нм, использует свет с длиной волны 13,5 нм, генерируемый мощными лазерами на микроскопических каплях олова в вакуумной камере. Здесь вакуум является не фоновым состоянием, а активной, дающей возможность средой с беспрецедентными требованиями.
Область двойного вакуума EUV-сканера.
Инструмент EUV содержит два взаимосвязанных, но различных режима вакуума:
Сосуд-источник (уровень вакуума: <10⁻⁸ Па): где капли олова ионизируются в плазму, излучая EUV-свет. Этот регион загрязнен обломками олова и ионами высоких энергий.
Оптика и этап пластины (уровень вакуума: <10⁻⁶ Па): путь ценного EUV-света через многослойные зеркала к кремниевой пластине. Эта территория должна оставаться абсолютно нетронутой; одна молекула углеводорода на зеркале может катастрофически поглощать фотоны EUV.
Архитектура вакуумной системы и основные проблемы:
Безуглеводородная перекачка: даже следы углеводородов растрескиваются под действием EUV-излучения, образуя нагар на оптике. Это требует полностью сухих, безмасляных насосных станций, сочетающих турбомолекулярные насосы с магнитными подшипниками (TMPS) и сухие винтовые форвакуумные насосы, что исключает любой риск обратного потока смазки.
Управление оловом: Вакуумная система должна постоянно удалять огромное количество паров и мусора олова. Это достигается за счет дифференцированных зон откачки, криогенных ловушек олова, конденсирующих олово на холодных поверхностях, и специализированных фильтров.
Управление водородом: газообразный водород заполняет инструмент, сохраняя оптику чистой за счет уменьшения содержания оксидов олова. Вакуумные насосы должны эффективно циркулировать этот водород, поддерживая необходимое базовое давление, что требует высокой производительности и совместимости.
Контроль вибрации. Любая вибрация насосов может исказить наномасштабное выравнивание оптики. Maglev TMP и тщательно изолированные форвакуумные насосы имеют решающее значение для стабильности позиционирования субнанометровой ступени.
Часть 2: Химическая иммунная система Фаба: критические скрубберы
Каждый инструмент для осаждения, травления и имплантации выделяет смесь токсичных, коррозионных, пирофорных газов и газов, вызывающих глобальное потепление (например, SiH₄, WF₆, CF₄, NF₃, HCl). Скрубберные системы — это «химическая иммунная система» завода, нейтрализующая эти опасности, а вакуумные насосы — их главное сердце.
Роль вакуумного насоса в снижении выбросов выхлопных газов:
Вакуумный насос расположен между технологическим инструментом и скруббером, выполняя важную передаточную функцию:
Создание движущей силы: он втягивает отходящие газы из камеры низкого давления инструмента в систему очистки высокого давления.
Поддержание стабильности процесса. Обеспечивая постоянный отвод отработавших газов, он обеспечивает стабильное давление внутри технологической камеры, что жизненно важно для повторяемости результатов.
Обращение с агрессивным потоком: Насос сталкивается с теми же агрессивными, часто содержащими частицы смесями, что и технологическая камера, — прежде чем они будут нейтрализованы.
Типы скрубберов и соответствующие требования к насосам:
| Скрубберная технология | Обслуживаемые процессы | Проблема и решение вакуумного насоса |
| Ожоговые/мокрые скрубберы | Горючие газы (SiH₄, H₂), общие кислоты. | Работает с предварительно сгоревшими, горячими, влажными и кислыми газами. Требуются насосы с исключительной коррозионной стойкостью (например, из высококачественной нержавеющей стали, внутренние детали с тефлоновым покрытием) и устойчивостью к влаге. |
| Сухие скрубберы | Очистите камеру CVD перфторсоединениями (ПФУ, например CF₄, C₂F₆). | Перекачивает большие объемы инертных, но сильнодействующих парниковых газов. Сосредоточьтесь на высокой надежности, низких эксплуатационных расходах и совместимости с последующими установками криогенной или плазменной очистки. |
| Скрубберы на месте использования (POU) | Высокотоксичные процессы (например, ионная имплантация с AsH₃, PH₃). | Насос является неотъемлемой частью компактной специализированной системы безопасности. Требует максимальной надежности и конструкции, предотвращающей обратную диффузию неочищенного газа. Здесь часто используются мембранные насосы для абсолютной изоляции. |
Общая тема: надежность как высшая характеристика
Независимо от того, поддерживает ли он EUV-сканер стоимостью 150 миллионов долларов или критически важный скруббер безопасности, спецификация вакуумного насоса объединяет один непреложный атрибут: максимальная доступность (время безотказной работы ≥99,95%). Незапланированный отказ насоса в любой системе может привести к остановке технологического инструмента или, что еще хуже, поставить под угрозу безопасность производства, что приведет к потерям, превышающим сотни тысяч долларов в час.
Прогнозируемое обслуживание: Расширенный мониторинг вибрации, температуры и тока двигателя входит в стандартную комплектацию.
Материаловедение: использование превосходных коррозионно-стойких сплавов, керамических покрытий и совместимых эластомеров разработано для увеличения среднего времени безотказной работы (MTBF) в суровых условиях.
Резервирование системы. В критических выхлопных линиях часто используются резервные насосные системы N+1 с автоматическими переключателями аварийного переключения.
Заключение: делая возможным, сохраняя главное
В симфонии производства полупроводников вакуумные насосы для EUV и скрубберов выполняют самые ответственные и жизненно важные роли. Они позволяют использовать технологию формирования рисунков, которая определяет будущее закона Мура, образуя при этом последнюю линию защиты от химических и экологических опасностей. Их работа — бесшумная, непрерывная и в условиях экстремальных нагрузок — олицетворяет технологию высокой надежности, на которой держится вся полупроводниковая промышленность. Инвестиции в эти специализированные вакуумные решения — это инвестиции в передовые возможности завода, эксплуатационную безопасность и социальную лицензию на работу.
Технический обзор: эксплуатационные реалии
Вопрос: Почему мы не можем использовать ту же сверхчистую установку TMP/сухой насос из секции оптики инструмента EUV для применения в агрессивных выхлопных системах скруббера?
Ответ: Требования принципиально противоположны. Оптический насос EUV оптимизирован для обеспечения максимальной чистоты и работы без вибрации в контролируемой, «чистой» газовой среде (в основном H₂). Его материалы не предназначены для длительного воздействия горячей, влажной, кислой или галогенированной плазмы. Выхлопной насос скруббера, наоборот, представляет собой надежную рабочую лошадку, изготовленную из коррозионностойких материалов (например, хастеллой, покрытие Ni-PTFE), чтобы выдерживать воздействие агрессивного химического потока. Использование деликатного насоса EUV в линии скруббера приведет к быстрой катастрофической коррозии и выходу из строя.
Вопрос: Почему для инструмента, истощающего силан (SiH₄), расположение и тип вакуумного насоса относительно «камеры сгорания» так важны?
Ответ: Силан пирофорен (воспламеняется при контакте с воздухом). Безопасная конфигурация: Технологический инструмент → Вакуумный насос → Камера сгорания → Выхлоп. Сухой насос вытягивает смесь SiH₄ из инструмента без доступа воздуха, поддерживая ее концентрацию ниже горючей, и подает непосредственно в камеру сгорания, где она безопасно окисляется. Размещение насоса после камеры сгорания подвергнет его воздействию горячих влажных продуктов сгорания и может привести к попаданию воздуха обратно в горючий поток. Сам насос должен быть спроектирован так, чтобы не допускать внутренних горячих точек, которые могут вызвать преждевременное возгорание.
Вопрос: Чем принципиально отличаются требования к вакууму для источника EUV от требований к высокопроизводительному инструменту для осаждения, такому как ALD?
Ответ: Хотя и то, и другое требует сверхвысокого давления, загрязняющие вещества и эксплуатационные нагрузки совершенно разные. Инструмент ALD заботится о молекулах-предшественниках и стремится к чистому статическому вакууму. Источник EUV — это высокоэнергетический генератор плазменных событий, который производит огромное количество оловянных обломков, газообразного водорода и интенсивные всплески радиации и тепла. Его вакуумная система направлена не столько на достижение самого низкого статического давления, сколько на жесткий, непрерывный контроль загрязнений (удаление олова) и высокоскоростное управление газообразным водородом, сохраняя при этом среду, достаточно стабильную для надежного формирования плазмы, триллионы раз. Это динамичная, экстремальная среда и контролируемая пассивная среда.
