制冷技術(shù)在集成電路制造工藝設(shè)備中的應(yīng)用

1、制冷技術(shù)在集成電路制造工藝設(shè)備中的應(yīng)用 2013年第12期總第132期Silicon valley制冷技術(shù)在集成電路制造工藝設(shè)備中的應(yīng)用余 斌(上海微電子裝備有限公司 ,上海 201203)摘 要 集成電路制造的刻蝕設(shè)備要求寬溫區(qū)溫度控制(-20 80)、光刻設(shè)備要求超精密溫度控制(0.01)、薄膜氣相沉積設(shè)備要求的大功率溫度控制。本文分析上述溫控特點(diǎn)后 ,分別選擇蒸汽式壓縮制冷、熱電制冷、水水熱交換制冷技術(shù),并介紹基于半導(dǎo)體制冷片的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,提出旁通式壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)、基于流量調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)及相關(guān)控制技術(shù)。關(guān)鍵詞 制冷技術(shù);集成電路制造;寬溫區(qū);大功率;高精度中圖分類號 :TN305

2、.94文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1671-7597(2013)12-0105-02Application of the refrigeration technology On the equipment of 終帶出設(shè)備。integrated circuit manufacturingYu BinShanghai Micro Electronics Equipment Co., Ltd. SMEE,Shanghai 201203Abstract:Etching, lithography and film vapor deposition process equipments require

3、the wide-range temperature control-20 80 , ultra-precision temperature0.01 , and high-power cooling system. After analyzing these characteristics, the paper selects the vapor compressor, thermoelectric, and water-water heat exchanger refrigeration technology, and introduces the design of refrigerati

4、on system based on semiconductor refrigeration sheet, and brings forward the bypass-compressor refrigeration system, the temperature control system based on flow regulationKey words: refrigeration technology; integrated circuit manufacturing; 圖 1 水冷系統(tǒng)原理圖the wide-range temperature; high-power; high-p

5、recision. 制冷技術(shù)主要有三種方法 ,利用物質(zhì)相變的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷 ;利用氣體膨脹產(chǎn)生的冷效應(yīng)進(jìn)行制冷 ;利用半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。其中以物質(zhì)相變原理的蒸汽壓縮式制冷最為集成電路制造工藝復(fù)雜性與裝備精密性對溫度控制技術(shù)提 常見 ,具有制冷效率高、冷卻溫度低的特點(diǎn)。壓縮式制冷適合溫度達(dá)到 -20的低溫冷卻場合 ,并且對冷量控制技術(shù)的研究出寬溫區(qū)、大功率、超精密等嚴(yán)格要求。如刻蝕工藝設(shè)備中 ,目前也有很大進(jìn)展 ,如數(shù)碼蝸旋式變頻壓縮機(jī)控制技術(shù)、PWM由于不同刻蝕方法要求反應(yīng)腔內(nèi)的溫度不同 ,需要冷卻系統(tǒng)輸電子膨脹閥等 , 能夠?qū)崿F(xiàn)較高的溫控精度。出溫度范圍在 -20 80、精度優(yōu)于

6、0.5的循環(huán)冷卻介熱電制冷技術(shù)是利用直流電經(jīng)過不同導(dǎo)體時(shí)發(fā)生熱量轉(zhuǎn)移質(zhì)。硅片基底進(jìn)行薄膜化學(xué)氣相沉積工藝時(shí) ,反應(yīng)腔內(nèi)溫度達(dá)的原理 ,利用熱電制冷原理制造出的制冷元器件稱為半導(dǎo)體制到 300 1000,對冷卻系統(tǒng)的溫控精度要求不高 ,主要目的冷片 ,可以通過調(diào)節(jié)它電流的大小實(shí)現(xiàn)冷量的調(diào)節(jié) ,具有調(diào)節(jié)是帶走內(nèi)部大量熱量 ,制冷功率達(dá)到 100 kW、甚至更高。納米精度高、制冷功率小的特點(diǎn)。此外 ,制冷片的冷卻效率與它冷、級(100 nm)光刻機(jī)要求內(nèi)部投影鏡頭和關(guān)鍵區(qū)域的溫度穩(wěn)定熱面的溫差有很大關(guān)系 ,為保證一定的冷卻效率 ,冷熱面的溫在 0.01,隨著光刻工藝特征線寬(CD)的不斷減小該指標(biāo)差

7、需要控制在一定范圍內(nèi) ,這限制了熱電制冷的制冷溫度。雖還需不斷提高 ,為此要求冷卻系統(tǒng)輸出的冷卻介質(zhì)的溫度控制然光刻機(jī)內(nèi)部投影鏡頭和關(guān)鍵區(qū)域的溫度控制精度要求高 ,但精度在 0.01。主要用來平衡環(huán)境空氣的溫度波動(dòng)及傳感器、板卡的熱量 ,冷冷卻系統(tǒng)中制冷技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù) ,制冷技術(shù)的選擇卻功率小 ,并且溫度點(diǎn)在 20左右。因此 ,熱電制冷技術(shù)十分恰當(dāng)直接決定水冷系統(tǒng)的指標(biāo)實(shí)現(xiàn)、方案復(fù)雜性與經(jīng)濟(jì)性等。適合于光刻工藝設(shè)備的超精密溫度控制。1 冷卻系統(tǒng)介紹與制冷技術(shù)分析此外轉(zhuǎn)移熱量也可以通過冷卻水與循環(huán)冷卻介質(zhì)直接進(jìn)行上述冷卻系統(tǒng)是專用提供溫度、壓力、流量受控的循環(huán)冷熱交換器實(shí)現(xiàn) ,即通過水、水

8、強(qiáng)制對流的方式。該方式的傳熱2 2卻介質(zhì)的設(shè)備。它對內(nèi)部加熱、制冷執(zhí)行器進(jìn)行控制 ,實(shí)現(xiàn)內(nèi)系數(shù)達(dá)到 2000 W/(m ?k)15000W/(m ?k) ,在熱交換兩側(cè)部循環(huán)冷卻介質(zhì)的溫度控制 ,并與被控設(shè)備進(jìn)行管路連接后 ,溫差較大時(shí)可以實(shí)現(xiàn)很大的熱交換功率。硅片基底進(jìn)行薄膜化輸送循環(huán)冷卻介質(zhì)至被控設(shè)備進(jìn)行熱交換 ,最終實(shí)現(xiàn)對被控設(shè)學(xué)氣相沉積工藝中 ,對溫度點(diǎn)沒有嚴(yán)格精度要求 ,主要作用是備的溫度控制、熱量轉(zhuǎn)移的功能。如圖 1 所示水冷系統(tǒng)主要由帶出大量熱量、冷卻反應(yīng)腔體的溫度 ,水、水熱交換的制冷方加熱器、制冷系統(tǒng)、水泵、水箱、傳感器、冷卻水進(jìn)出口組成 ,式比較適合。包含循環(huán)冷卻介質(zhì)回路、

9、冷卻水回路。制冷系統(tǒng)的主要作用是2 蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)將循環(huán)冷卻介質(zhì)帶出的熱量通過熱交換轉(zhuǎn)移至工廠冷卻水 ,最蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)如圖 2 所示 :制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝硅谷 105技術(shù)應(yīng)用t echnology application器、氣液分離器、干燥過濾器、示液鏡、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。 降低半導(dǎo)體制冷片冷、熱端的溫差可以提高制冷效率。熱端散冷卻水回路包括水力調(diào)節(jié)閥 ,循環(huán)冷卻介質(zhì)回路包括流量調(diào)節(jié) 熱器的換熱系數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)大于冷端散熱器 ,因?yàn)樗宿D(zhuǎn)移循環(huán)閥。壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)溫度是較為恒定溫度點(diǎn) ,循環(huán)冷 冷卻介質(zhì)帶出的熱量外還要帶出半導(dǎo)體制冷片自身發(fā)熱的熱量。卻介質(zhì)溫度為 -20時(shí)蒸發(fā)溫度

10、一般設(shè)置略低 -20,如果循環(huán) 通過控制半導(dǎo)體制冷片的供電電流大小來實(shí)現(xiàn)制冷量的調(diào)節(jié) ,冷卻介質(zhì)的溫度變?yōu)?80將造成蒸發(fā)溫度過高引起高低報(bào)警。 供電電路包括功率控制器、整流橋、保護(hù)元件等 ,功率控制器為此 ,在高溫工況下通過循環(huán)冷卻介質(zhì)回路的流量調(diào)節(jié)閥在換 根據(jù)輸入的控制信號調(diào)節(jié)輸出三相電壓的大小 ,整流橋?qū)⒔涣鳠崆斑M(jìn)行分流 ,避免了壓縮機(jī)高低壓報(bào)警?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)采用 電壓轉(zhuǎn)換為直流電 ,供給制冷片。溫度控制器根據(jù)實(shí)際溫度與邏輯 PID 控制 ,運(yùn)用 PID 算法分別對電子膨脹閥、流量調(diào)節(jié)閥 目標(biāo)溫度的差值 ,經(jīng)處理器的算法運(yùn)算 ,最終向功率控制器輸和加熱器的輸出量進(jìn)行調(diào)節(jié) ,其中電子膨脹閥

11、 PID 控制旨在監(jiān) 出模擬量的控制信號?？貕嚎s機(jī)吸氣溫度 ,避免吸氣溫度過高引起高、低壓報(bào)警 ;流4 水、水熱交換制冷量調(diào)節(jié)閥 PID 控制旨在控制混流完成后循環(huán)冷卻介質(zhì)的溫度 ,循環(huán)冷卻介質(zhì)通過換熱器與廠務(wù)供應(yīng)的冷卻水進(jìn)行熱交換使它略低于設(shè)定工況 ;最終通過加熱 PID 控制實(shí)現(xiàn)出水口優(yōu)于來實(shí)現(xiàn)制冷。如圖 4 所示 ,循環(huán)水回路包括溫度傳感器、流量0.5的溫度控制。調(diào)節(jié)閥 ; 冷卻水回路包括溫度傳感器、 流量傳感器、 流量調(diào)節(jié)閥。循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)與冷卻水發(fā)生熱交換的支路流量實(shí)現(xiàn) ,溫度傳感器、流量調(diào)節(jié)閥形成溫度反饋控制系統(tǒng)。冷卻水的溫度與流量會(huì)影響制冷功率 ,因此在冷卻水回

12、路中增加溫度、流量傳感器進(jìn)行監(jiān)測。熱交換器的設(shè)計(jì)與對流量調(diào)節(jié)閥控制是該方案的關(guān)鍵。圖 2 蒸汽壓縮制冷方案3 熱電制冷技術(shù)半導(dǎo)體制冷片經(jīng)過直流電經(jīng)過后會(huì)形成冷、熱端 ,利用它的冷端可以進(jìn)行制冷。如圖 3 所示 ,將制冷片的冷、熱端分別貼在冷端散熱器與熱端散熱器 ,循環(huán)冷卻介質(zhì)經(jīng)過冷端散熱器被冷卻 ,半導(dǎo)體制冷片將熱量轉(zhuǎn)移至熱端散熱器 ,最終冷卻水經(jīng)過熱端散熱器將熱量帶走。半導(dǎo)體制冷片與金屬壁間為熱傳圖 4 水、水熱交換制冷方案導(dǎo) , 冷卻水、循環(huán)冷卻介質(zhì)在散熱器內(nèi)為對流換熱。根據(jù)廠務(wù)冷卻水的技術(shù)參數(shù)及使用工況確定熱交換器的設(shè)計(jì)輸入的參數(shù) :循環(huán)冷卻介質(zhì)側(cè)的最低進(jìn)水溫度 48、出水溫度 33、制

13、冷功率 100 kW、流量 100 L/min ;冷卻水進(jìn)水最高溫度 18、出水溫度 43、流量 60 L/min ;經(jīng)分析換熱系數(shù)為2 24350 W/(m *K) 、換熱面積 2.3 m 。選用西門子兩通閥對流量進(jìn)行調(diào)節(jié) ,選型時(shí)應(yīng)考慮最小調(diào)節(jié)量、響應(yīng)時(shí)間。選用歐姆龍PLC 作為控制器 ,根據(jù)循環(huán)冷卻介質(zhì)的當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度對兩通閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié) ,實(shí)現(xiàn)溫度控制 ,選用科寶公司流量傳感器、溫度傳感器對冷卻水流量、溫度進(jìn)行監(jiān)測。該方案主要換熱器與流量調(diào)節(jié)閥 , 簡單、經(jīng)濟(jì)性高。5 結(jié)論集成電路制造工藝設(shè)備的溫度控制涉及寬溫區(qū)、大功率、超精密的復(fù)雜要求 ,制冷技術(shù)是溫控技術(shù)的關(guān)鍵。本文分析上述

14、溫控特點(diǎn)與制冷技術(shù) ,對寬溫區(qū)(-20 80)場合提出蒸汽壓縮式制冷方式 ,對大功率換熱(100 kW)場合提出水、水熱交換的制冷方式 ,對超精密(0.01)場合提出熱電制冷圖 3 熱電制冷方案方式并對各方案的原理實(shí)現(xiàn)、控制技術(shù)進(jìn)行探討 ,提出旁通式設(shè)計(jì)冷、熱端散熱器時(shí)需進(jìn)行對流換熱分析、熱傳導(dǎo)分蒸汽壓縮機(jī)制冷技術(shù)、基于流量調(diào)節(jié)的溫度反饋控制系統(tǒng)、基析 ,還應(yīng)考慮制冷片的溫差與制冷量的關(guān)系、循環(huán)水的溫控范于半導(dǎo)體制冷片的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。圍、冷卻水的溫度波動(dòng)范圍 ,以及目標(biāo)制冷功率與最大電流等。(下轉(zhuǎn)第104頁)106 硅谷技術(shù)應(yīng)用t echnology application表1 應(yīng)用系統(tǒng)性能

15、對比人均花費(fèi)時(shí)間使用 頻率業(yè)務(wù)模塊 性能提升百分比 節(jié)約工時(shí)人數(shù) (次/月)優(yōu)化前 優(yōu)化后 平均節(jié)約時(shí)間考勤分析服務(wù) 50 30 13小時(shí) 20分鐘 2小時(shí) 300%900% 50*30*2小時(shí)3000小時(shí)薪資計(jì)算 40 10 1520分鐘 7分鐘 10分鐘 200%300% 40*10分鐘/607小時(shí)簡單查詢 190 50 5分鐘1.5小時(shí) 2分鐘 0.5小時(shí) 200%4500% 190*50*0.5小時(shí)4750小時(shí)報(bào)表管理 190 500 38分鐘 至多4秒 5分鐘 4500%12000% 190500*5分鐘/607916小時(shí)分鐘。然后我們將源庫主機(jī)導(dǎo)出文件通過 SCP 傳輸?shù)侥繕?biāo)庫主

16、度降低 ,通過 SQL 調(diào)整 ,物理讀高峰期消除。但鑒于本應(yīng)用中機(jī)中 , 通過 SCP 命令完成 , 傳輸時(shí)間 30 分鐘。 還有部分 SQL 優(yōu)化還沒有部署系統(tǒng)中 ,因此物理讀每天還有 1進(jìn)行完上述工作后 ,就需要進(jìn)行目標(biāo)庫 IMPDP 的導(dǎo)入工作 至 2 個(gè)高峰期。 (圖 5、圖 6)了。在數(shù)據(jù)庫遷移過程中 ,目標(biāo)庫 IMPDP 導(dǎo)入是一個(gè)很核心的4.3 應(yīng)用性能比對過程。在完成目標(biāo)庫 IMPDP 的導(dǎo)入工作之后 ,需要對整個(gè)導(dǎo)入表 1 是通過本次優(yōu)化 ,性能提升最為明顯的 4 個(gè)應(yīng)用模塊過程中產(chǎn)生 Warning 的那些無效對象進(jìn)行手工重新編譯。然后運(yùn)行情況優(yōu)化前后對比。通過估算 ,用戶

17、的等待時(shí)間至少每月進(jìn)行備份調(diào)整 ,在本應(yīng)用中 ,Crontab 定時(shí) Job 中包含數(shù)據(jù)庫邏合計(jì)減少 15000 小時(shí) ,相當(dāng)于 750 名員工每天少工作 1 小時(shí) ,輯備份和物理備份 ,數(shù)據(jù)庫遷移完成后 ,新的主機(jī)中部署對應(yīng)客戶體驗(yàn)明顯改善 , 工作效率提高顯著 , 效果超出預(yù)期。Crontab。調(diào)整邏輯備份腳本 ,原來為全庫邏輯備份 ,現(xiàn)修改為5 總結(jié)和展望EHRUSER、EHRADMIN 兩個(gè)用戶邏輯備份。通過本應(yīng)用 ,我們總結(jié)了 ERP 系統(tǒng)跨平臺的遷移方案 ,給4 遷移后的系統(tǒng)測試出了一個(gè)遷移的實(shí)例 ,并依據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn) ,給出了在整個(gè)遷移在完成本次 ERP 系統(tǒng)的跨平臺遷移后 ,我們

18、對整體系統(tǒng)性過程中需要注意的問題及其常見的解決方案。通過遷移后的性能進(jìn)行了比對。能比對 ,對遷移的效果和使用情況也進(jìn)行了一定的分析。將來4.1 主機(jī)系統(tǒng)性能比對在后續(xù)的工作中 ,我們將進(jìn)一步的總結(jié)和歸納在應(yīng)用系統(tǒng)跨平通過硬件升級 ,CPU 由原來的 8 核提升至 40 核 ,并行處 臺遷移中可能遇到的問題和解決方案 , 提升遷移的性能和效率 ,理能力提升了 5 倍。從圖 1、圖 2 可以發(fā)現(xiàn) ,CPU 使用率由原 特別是在不停機(jī)狀況下的系統(tǒng)遷移 ,為后續(xù)工作打下一定的研來 40% 左右降到了 5% 左右 ,高峰時(shí)段由原來的 100% 降到了 究基礎(chǔ)。15% 左右。因此 , 硬件升級解決了 CP

19、U 并行處理能力的壓力。通過硬件升級 ,內(nèi)存由原來的 16GB 提升至 64GB,總體內(nèi)存容量提升了 4 倍。從圖 3、圖 4 可以發(fā)現(xiàn) ,升級后內(nèi)存剩余參考文獻(xiàn)空間維持在 500MB 左右 ,不是說明內(nèi)存空間不足 ,而是由系統(tǒng)1蘆紅.圖書館計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)遷移J.情報(bào)技(升級后為 Linux 系統(tǒng))內(nèi)核參數(shù)決定 , 采用內(nèi)存最大使用機(jī)制 ,術(shù),2003(07).將剩余內(nèi)存空間作 Cache 使用 ,從而加快系統(tǒng) IO 能力 ,可以通2姜倩,武桂香,管鳳旭.異構(gòu)數(shù)據(jù)庫間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遷移J.過調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)核參數(shù)停止內(nèi)存最大使用機(jī)制。應(yīng)用科技,2005(09).4.2 數(shù)據(jù)庫性能比對3黃萍,潘蔭榮,胡幼華.基于Java和XML跨平臺數(shù)據(jù)遷移的設(shè)遷