制冷技術在集成電路制造工藝設備中的應用

1、制冷技術在集成電路制造工藝設備中的應用 2013年第12期總第132期Silicon valley制冷技術在集成電路制造工藝設備中的應用余 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備要求寬溫區(qū)溫度控制(-20 80)、光刻設備要求超精密溫度控制(0.01)、薄膜氣相沉積設備要求的大功率溫度控制。本文分析上述溫控特點后 ,分別選擇蒸汽式壓縮制冷、熱電制冷、水水熱交換制冷技術,并介紹基于半導體制冷片的制冷系統(tǒng)設計 ,提出旁通式壓縮機制冷系統(tǒng)、基于流量調節(jié)的溫度控制系統(tǒng)及相關控制技術。關鍵詞 制冷技術;集成電路制造;寬溫區(qū);大功率;高精度中圖分類號 :TN305

2、.94文獻標識碼 :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. 制冷技術主要有三種方法 ,利用物質相變的吸熱效應實現(xiàn)制冷 ;利用氣體膨脹產生的冷效應進行制冷 ;利用半導體的熱電效應實現(xiàn)制冷。其中以物質相變原理的蒸汽壓縮式制冷最為集成電路制造工藝復雜性與裝備精密性對溫度控制技術提 常見 ,具有制冷效率高、冷卻溫度低的特點。壓縮式制冷適合溫度達到 -20的低溫冷卻場合 ,并且對冷量控制技術的研究出寬溫區(qū)、大功率、超精密等嚴格要求。如刻蝕工藝設備中 ,目前也有很大進展 ,如數碼蝸旋式變頻壓縮機控制技術、PWM由于不同刻蝕方法要求反應腔內的溫度不同 ,需要冷卻系統(tǒng)輸電子膨脹閥等 , 能夠實現(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是利用直流電經過不同導體時發(fā)生熱量轉移質。硅片基底進行薄膜化學氣相沉積工藝時 ,反應腔內溫度達的原理 ,利用熱電制冷原理制造出的制冷元器件稱為半導體制到 300 1000,對冷卻系統(tǒng)的溫控精度要求不高 ,主要目的冷片 ,可以通過調節(jié)它電流的大小實現(xiàn)冷量的調節(jié) ,具有調節(jié)是帶走內部大量熱量 ,制冷功率達到 100 kW、甚至更高。納米精度高、制冷功率小的特點。此外 ,制冷片的冷卻效率與它冷、級(100 nm)光刻機要求內部投影鏡頭和關鍵區(qū)域的溫度穩(wěn)定熱面的溫差有很大關系 ,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)的不斷減小該指標差

7、需要控制在一定范圍內 ,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)輸出的冷卻介質的溫度控制然光刻機內部投影鏡頭和關鍵區(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)境空氣的溫度波動及傳感器、板卡的熱量 ,冷冷卻系統(tǒng)中制冷技術是最為關鍵的技術 ,制冷技術的選擇卻功率小 ,并且溫度點在 20左右。因此 ,熱電制冷技術十分恰當直接決定水冷系統(tǒng)的指標實現(xiàn)、方案復雜性與經濟性等。適合于光刻工藝設備的超精密溫度控制。1 冷卻系統(tǒng)介紹與制冷技術分析此外轉移熱量也可以通過冷卻水與循環(huán)冷卻介質直接進行上述冷卻系統(tǒng)是專用提供溫度、壓力、流量受控的循環(huán)冷熱交換器實現(xiàn) ,即通過水、水

8、強制對流的方式。該方式的傳熱2 2卻介質的設備。它對內部加熱、制冷執(zhí)行器進行控制 ,實現(xiàn)內系數達到 2000 W/(m ?k)15000W/(m ?k) ,在熱交換兩側部循環(huán)冷卻介質的溫度控制 ,并與被控設備進行管路連接后 ,溫差較大時可以實現(xiàn)很大的熱交換功率。硅片基底進行薄膜化輸送循環(huán)冷卻介質至被控設備進行熱交換 ,最終實現(xiàn)對被控設學氣相沉積工藝中 ,對溫度點沒有嚴格精度要求 ,主要作用是備的溫度控制、熱量轉移的功能。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、冷卻水進出口組成 ,式比較適合。包含循環(huán)冷卻介質回路、

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)冷卻介質帶出的熱量通過熱交換轉移至工廠冷卻水 ,最蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)如圖 2 所示 :制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝硅谷 105技術應用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節(jié)閥 ,循環(huán)冷卻介質回路包括流量調節(jié) 熱器的換熱系數應設計大于冷端散熱器 ,因為它除了轉移循環(huán)閥。壓縮機制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)溫度是較為恒定溫度點 ,循環(huán)冷 冷卻介質帶出的熱量外還要帶出半導體制冷片自身發(fā)熱的熱量。卻介質溫度為 -20時蒸發(fā)溫度

10、一般設置略低 -20,如果循環(huán) 通過控制半導體制冷片的供電電流大小來實現(xiàn)制冷量的調節(jié) ,冷卻介質的溫度變?yōu)?80將造成蒸發(fā)溫度過高引起高低報警。 供電電路包括功率控制器、整流橋、保護元件等 ,功率控制器為此 ,在高溫工況下通過循環(huán)冷卻介質回路的流量調節(jié)閥在換 根據輸入的控制信號調節(jié)輸出三相電壓的大小 ,整流橋將交流熱前進行分流 ,避免了壓縮機高低壓報警?？刂葡到y(tǒng)設計采用 電壓轉換為直流電 ,供給制冷片。溫度控制器根據實際溫度與邏輯 PID 控制 ,運用 PID 算法分別對電子膨脹閥、流量調節(jié)閥 目標溫度的差值 ,經處理器的算法運算 ,最終向功率控制器輸和加熱器的輸出量進行調節(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機吸氣溫度 ,避免吸氣溫度過高引起高、低壓報警 ;流4 水、水熱交換制冷量調節(jié)閥 PID 控制旨在控制混流完成后循環(huán)冷卻介質的溫度 ,循環(huán)冷卻介質通過換熱器與廠務供應的冷卻水進行熱交換使它略低于設定工況 ;最終通過加熱 PID 控制實現(xiàn)出水口優(yōu)于來實現(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。調節(jié)閥 ; 冷卻水回路包括溫度傳感器、 流量傳感器、 流量調節(jié)閥。循環(huán)冷卻介質溫度的調節(jié)是通過調節(jié)與冷卻水發(fā)生熱交換的支路流量實現(xiàn) ,溫度傳感器、流量調節(jié)閥形成溫度反饋控制系統(tǒng)。冷卻水的溫度與流量會影響制冷功率 ,因此在冷卻水回

12、路中增加溫度、流量傳感器進行監(jiān)測。熱交換器的設計與對流量調節(jié)閥控制是該方案的關鍵。圖 2 蒸汽壓縮制冷方案3 熱電制冷技術半導體制冷片經過直流電經過后會形成冷、熱端 ,利用它的冷端可以進行制冷。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)冷卻介質經過冷端散熱器被冷卻 ,半導體制冷片將熱量轉移至熱端散熱器 ,最終冷卻水經過熱端散熱器將熱量帶走。半導體制冷片與金屬壁間為熱傳圖 4 水、水熱交換制冷方案導 , 冷卻水、循環(huán)冷卻介質在散熱器內為對流換熱。根據廠務冷卻水的技術參數及使用工況確定熱交換器的設計輸入的參數 :循環(huán)冷卻介質側的最低進水溫度 48、出水溫度 33、制

13、冷功率 100 kW、流量 100 L/min ;冷卻水進水最高溫度 18、出水溫度 43、流量 60 L/min ;經分析換熱系數為2 24350 W/(m *K) 、換熱面積 2.3 m 。選用西門子兩通閥對流量進行調節(jié) ,選型時應考慮最小調節(jié)量、響應時間。選用歐姆龍PLC 作為控制器 ,根據循環(huán)冷卻介質的當前溫度與設定溫度對兩通閥的開度進行調節(jié) ,實現(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、溫度進行監(jiān)測。該方案主要換熱器與流量調節(jié)閥 , 簡單、經濟性高。5 結論集成電路制造工藝設備的溫度控制涉及寬溫區(qū)、大功率、超精密的復雜要求 ,制冷技術是溫控技術的關鍵。本文分析上述

14、溫控特點與制冷技術 ,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現(xiàn)、控制技術進行探討 ,提出旁通式設計冷、熱端散熱器時需進行對流換熱分析、熱傳導分蒸汽壓縮機制冷技術、基于流量調節(jié)的溫度反饋控制系統(tǒng)、基析 ,還應考慮制冷片的溫差與制冷量的關系、循環(huán)水的溫控范于半導體制冷片的制冷系統(tǒng)設計等。圍、冷卻水的溫度波動范圍 ,以及目標制冷功率與最大電流等。(下轉第104頁)106 硅谷技術應用t echnology application表1 應用系統(tǒng)性能

15、對比人均花費時間使用 頻率業(yè)務模塊 性能提升百分比 節(jié)約工時人數 (次/月)優(yōu)化前 優(yōu)化后 平均節(jié)約時間考勤分析服務 50 30 13小時 20分鐘 2小時 300%900% 50*30*2小時3000小時薪資計算 40 10 1520分鐘 7分鐘 10分鐘 200%300% 40*10分鐘/607小時簡單查詢 190 50 5分鐘1.5小時 2分鐘 0.5小時 200%4500% 190*50*0.5小時4750小時報表管理 190 500 38分鐘 至多4秒 5分鐘 4500%12000% 190500*5分鐘/607916小時分鐘。然后我們將源庫主機導出文件通過 SCP 傳輸到目標庫主

16、度降低 ,通過 SQL 調整 ,物理讀高峰期消除。但鑒于本應用中機中 , 通過 SCP 命令完成 , 傳輸時間 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進行完上述工作后 ,就需要進行目標庫 IMPDP 的導入工作 至 2 個高峰期。 (圖 5、圖 6)了。在數據庫遷移過程中 ,目標庫 IMPDP 導入是一個很核心的4.3 應用性能比對過程。在完成目標庫 IMPDP 的導入工作之后 ,需要對整個導入表 1 是通過本次優(yōu)化 ,性能提升最為明顯的 4 個應用模塊過程中產生 Warning 的那些無效對象進行手工重新編譯。然后運行情況優(yōu)化前后對比。通過估算 ,用戶

17、的等待時間至少每月進行備份調整 ,在本應用中 ,Crontab 定時 Job 中包含數據庫邏合計減少 15000 小時 ,相當于 750 名員工每天少工作 1 小時 ,輯備份和物理備份 ,數據庫遷移完成后 ,新的主機中部署對應客戶體驗明顯改善 , 工作效率提高顯著 , 效果超出預期。Crontab。調整邏輯備份腳本 ,原來為全庫邏輯備份 ,現(xiàn)修改為5 總結和展望EHRUSER、EHRADMIN 兩個用戶邏輯備份。通過本應用 ,我們總結了 ERP 系統(tǒng)跨平臺的遷移方案 ,給4 遷移后的系統(tǒng)測試出了一個遷移的實例 ,并依據我們的經驗 ,給出了在整個遷移在完成本次 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行了比對。能比對 ,對遷移的效果和使用情況也進行了一定的分析。將來4.1 主機系統(tǒng)性能比對在后續(xù)的工作中 ,我們將進一步的總結和歸納在應用系統(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 ,高峰時段由原來的 100% 降到了 究基礎。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 ,內存由原來的 16GB 提升至 64GB,總體內存容量提升了 4 倍。從圖 3、圖 4 可以發(fā)現(xiàn) ,升級后內存剩余參考文獻空間維持在 500MB 左右 ,不是說明內存空間不足 ,而是由系統(tǒng)1蘆紅.圖書館計算機集成系統(tǒng)之間的數據遷移J.情報技(升級后為 Linux 系統(tǒng))內核參數決定 , 采用內存最大使用機制 ,術,2003(07).將剩余內存空間作 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.異構數據庫間的動態(tài)數據遷移J.過調整系統(tǒng)內核參數停止內存最大使用機制。應用科技,2005(09).4.2 數據庫性能比對3黃萍,潘蔭榮,胡幼華.基于Java和XML跨平臺數據遷移的設遷