半导体晶圆制造热回路优化

为实现下一代 PPAC（功率、性能、面积、成本）目标，半导体制造商不断缩小器件尺寸，采用更复杂的器件结构和更特殊的材料。

同时，制造流程需在更极端的温度下进行，进出工艺腔室的物料流量也持续增加。

原子层沉积（ALD）和原子层刻蚀（ALE）等工艺会产生大量热量，这些热量需快速排出，以确保晶圆上发生正常的化学反应。随着器件结构尺寸缩小、复杂度提升，且工艺工程师追求更快的刻蚀速率，工艺过程中产生的热量不断增多。由于需要排出的热量增加，设备原始设备制造商（OEM）对冷水机的制冷温度要求越来越低。

例如，Lam 去年推出的 Cryo 3.0 刻蚀技术，要求温度控制单元的温度远低于 0℃。这一技术支持埃级轮廓控制，能够在不影响特征形状的前提下高效刻蚀至新的深度。

“如今，-20℃和 - 40℃的温度要求已十分常见，客户还提出了未来达到 - 80℃、-100℃的目标，” 工业流体系统制造与支持领域全球领导者 Swagelok 的首席解决方案专家 Margaret Brennan 表示。

所有工艺过程中保持精确的温度控制至关重要，在极高或极低温度下，这一挑战更为严峻。若温度控制不精确，薄膜厚度和工艺效率会受影响。暴露在高温下还意味着晶圆及生产设备必须充分冷却，以避免损坏。

在 “热回路”（包括冷水机、泵、热交换器及连接这些组件的各类部件构成的生态系统）中，质量、兼容性、性能和生命周期比以往任何时候都更为重要，因为这些极端温度可能带来新的挑战。

热回路的效能对半导体工厂的盈利能力有重大影响。冷水机故障或底层厂房（sub-fab）内冷凝水导致的积水清理相关的停机时间，可能造成显著的产能损失。即使避免了停机，软管绝缘不当、安装及布线技术不合理也可能导致能源成本大幅上升，进而增加运营支出。

优化热回路的软管绝缘方案

热回路管理的主要挑战之一是，冷水机和软管与众多其他设备一同位于底层厂房内。例如，在 Intel 俄勒冈州的 D1X 工厂，底层厂房内设有数万台泵、变压器、配电柜、洗涤器、处理系统等设备 —— 所有这些设备都为正上方洁净室中的 1200 台芯片制造设备提供支持。

底层厂房内空间极为紧张，设备的可靠性也至关重要：任何故障都可能导致生产中断，且代价高昂。能源效率对于降低成本和实现可持续发展目标也至关重要。灵活性同样重要，因为工艺设备可能会升级或移动，底层厂房内的辅助设备和输送管线必须随之调整以适应变化。

根据冷却需求，所需的温度调节流体范围从简单的工艺冷却水（PCW）到液态氟化传热流体和氟化制冷剂不等。由于介质需要从底层厂房一路输送至设备，沿途会有大量热量散失。“这就是绝缘材料发挥作用的地方，具体取决于软管内介质温度与环境空气温度的差异，”Brennan 表示。

Swagelok 提供多种绝缘软管，选择合适的绝缘等级有助于在实现可靠性能的同时优化成本。需注意的是，连接热回路组件的软管长度可能在 30 至 50 英尺之间，由于其关键作用，对制造商而言成本较高。绝缘不足可能导致冷凝，进而造成软管故障；而过度绝缘则会进一步推高成本，且对原始设备制造商（OEM）或工厂几乎没有益处。

“如果软管表面温度降至露点以下，就会开始形成冷凝水，类似夏天冰镇玻璃杯外壁起雾的现象，”Swagelok 产品经理 Doug Nordstrom 解释道。“空气中的水分会在软管表面凝结形成水滴。虽然只是水，但在底层厂房内，安全规程要求识别所有滴落液体，因此工作人员需要疏散该区域，并可能停止生产以确认液体成分。这种非计划停机是无法接受的。”

Swagelok 提供一种低导热率气凝胶绝缘材料，可在实现目标表面温度的前提下最大限度减少体积。柔性聚烯烃热缩绝缘软管护套使软管具备柔韧性、抗蒸汽渗透性和耐磨性。

该材料适用于软管表面温度在–65°F（–53°C）至 257°F（125°C）范围内的连续使用场景。

Nordstrom 表示，若能保持温度高于露点，增加传统绝缘材料的层数会有帮助，但这类物理绝缘材料仅适用于约 - 30°C 的温度。“随着工艺对温度的要求越来越低，我们需要采用不同的绝缘技术，” 他说。真空绝缘软管由此应运而生。“我们的 FV 系列软管采用内外双层结构，中间设有真空层。

这一设计可完全消除对流和传导（我们还提供减少辐射传热的可选方案），即使在 - 200°C 等深冷温度下也能提供良好的绝缘效果。根据软管的组装方式，无需设置真空接口，从而消除了真空度下降的主要根源。这确实是未来的发展趋势，” 他补充道。

FV 系列真空绝缘软管在紧凑的结构中提供两级绝缘性能。其他特性和优势包括：

• 可通过多层绝缘增强真空绝缘效果，以应对辐射传热

• 完全退火处理，通过定型保持能力简化软管布线

• 316L 不锈钢接触介质表面，适用于液体和气体介质

• 接触介质的钎焊材料符合 AMS 4777（镍合金）标准

• 彩色聚烯烃护套便于工艺管线的颜色编码识别

布线至关重要

除绝缘外，合理的冷水机管线布线是防止冷凝的另一重要手段。当低温冷水机软管布线过于靠近时，软管表面温度可能降至露点以下，导致冷凝水形成。软管间距越小，软管之间空气的温度就越接近软管内介质的温度。“我们已与客户合作开发了物理间隔装置，防止软管相互接触，避免出现冷点或热点，”Nordstrom 表示。

Swagelok 的 Brennan 指出，布线还会影响软管的性能和生命周期。“安装时必须考虑软管的最小直线长度和最小弯曲半径。避免为了挤入狭窄空间而过度弯曲软管，因为这可能导致软管扭结，阻碍流量。虽然添加绝缘层不会改变软管的最小弯曲半径，但过度弯曲仍可能因拉伸或挤压影响绝缘性能。

最小直线长度有助于防止软管在靠近端部接头处过度弯曲。过度弯曲可能会破坏软管的各层结构，进而影响其密封完整性和绝缘性能。”