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制冷技术在集成电路制造工艺设备中的应用
制冷技术在集成电路制造工艺设备中的应用
2013年第12期总第132期
Siliconvalley
制冷技术在集成电路制造工艺设备中的应用
余斌
(上海微电子装备有限公司,上海201203)
摘要集成电路制造的刻蚀设备要求宽温区温度控制(-20℃~80℃)、光刻设备要求超精密温度控制(±0.01℃)、
薄膜气相沉积设备要求的大功率温度控制。
本文分析上述温控特点后,分别选择蒸汽式压缩制冷、热电制冷、水水热
交换制冷技术,并介绍基于半导体制冷片的制冷系统设计,提出旁通式压缩机制冷系统、基于流量调节的温度控制系
统及相关控制技术。
关键词制冷技术;集成电路制造;宽温区;大功率;高精度
中图分类号:
TN305.94文献标识码:
A文章编号:
1671-7597(2013)12-0105-02
ApplicationoftherefrigerationtechnologyOntheequipmentof终带出设备。
integratedcircuitmanufacturing
YuBin
ShanghaiMicroElectronicsEquipmentCo.,Ltd.SMEE,Shanghai201203
Abstract:
Etching,lithographyandfilmvapordeposition
processequipmentsrequirethewide-rangetemperature
control-20℃~80℃,ultra-precisiontemperature±0.01℃,and
high-powercoolingsystem.Afteranalyzingthesecharacteristics,the
paperselectsthevaporcompressor,thermoelectric,andwater-water
heatexchangerrefrigerationtechnology,andintroducesthedesign
ofrefrigerationsystembasedonsemiconductorrefrigerationsheet,
andbringsforwardthebypass-compressorrefrigerationsystem,the
temperaturecontrolsystembasedonflowregulationKeywords:
refrigerationtechnology;integratedcircuitmanufacturing;图1水冷系统原理图
thewide-rangetemperature;high-power;high-precision.制冷技术主要有三种方法,利用物质相变的吸热效应实现
制冷;利用气体膨胀产生的冷效应进行制冷;利用半导体的热
电效应实现制冷。
其中以物质相变原理的蒸汽压缩式制冷最为
集成电路制造工艺复杂性与装备精密性对温度控制技术提常见,具有制冷效率高、冷却温度低的特点。
压缩式制冷适合
温度达到-20℃的低温冷却场合,并且对冷量控制技术的研究
出宽温区、大功率、超精密等严格要求。
如刻蚀工艺设备中,
目前也有很大进展,如数码蜗旋式变频压缩机控制技术、PWM
由于不同刻蚀方法要求反应腔内的温度不同,需要冷却系统输
电子膨胀阀等,能够实现较高的温控精度。
出温度范围在-20℃~80℃、精度优于±0.5℃的循环冷却介
热电制冷技术是利用直流电经过不同导体时发生热量转移
质。
硅片基底进行薄膜化学气相沉积工艺时,反应腔内温度达
的原理,利用热电制冷原理制造出的制冷元器件称为半导体制
到300℃~1000℃,对冷却系统的温控精度要求不高,主要目的
冷片,可以通过调节它电流的大小实现冷量的调节,具有调节
是带走内部大量热量,制冷功率达到100kW、甚至更高。
纳米
精度高、制冷功率小的特点。
此外,制冷片的冷却效率与它冷、
级(100nm)光刻机要求内部投影镜头和关键区域的温度稳定
热面的温差有很大关系,为保证一定的冷却效率,冷热面的温
在±0.01℃,随着光刻工艺特征线宽(CD)的不断减小该指标
差需要控制在一定范围内,这限制了热电制冷的制冷温度。
虽
还需不断提高,为此要求冷却系统输出的冷却介质的温度控制
然光刻机内部投影镜头和关键区域的温度控制精度要求高,但
精度在±0.01℃。
主要用来平衡环境空气的温度波动及传感器、板卡的热量,冷
冷却系统中制冷技术是最为关键的技术,制冷技术的选择
却功率小,并且温度点在20℃左右。
因此,热电制冷技术十分
恰当直接决定水冷系统的指标实现、方案复杂性与经济性等。
适合于光刻工艺设备的超精密温度控制。
1冷却系统介绍与制冷技术分析
此外转移热量也可以通过冷却水与循环冷却介质直接进行
上述冷却系统是专用提供温度、压力、流量受控的循环冷
热交换器实现,即通过水、水强制对流的方式。
该方式的传热
22
却介质的设备。
它对内部加热、制冷执行器进行控制,实现内
系数达到2000W/(m?
k)~15000W/(m?
k),在热交换两侧
部循环冷却介质的温度控制,并与被控设备进行管路连接后,
温差较大时可以实现很大的热交换功率。
硅片基底进行薄膜化
输送循环冷却介质至被控设备进行热交换,最终实现对被控设
学气相沉积工艺中,对温度点没有严格精度要求,主要作用是
备的温度控制、热量转移的功能。
如图1所示水冷系统主要由
带出大量热量、冷却反应腔体的温度,水、水热交换的制冷方
加热器、制冷系统、水泵、水箱、传感器、冷却水进出口组成,
式比较适合。
包含循环冷却介质回路、冷却水回路。
制冷系统的主要作用是
2蒸汽压缩制冷系统
将循环冷却介质带出的热量通过热交换转移至工厂冷却水,最
蒸汽压缩制冷系统如图2所示:
制冷系统由压缩机、冷凝
硅谷105技术应用
technologyapplication
器、气液分离器、干燥过滤器、示液镜、膨胀阀和蒸发器组成。
降低半导体制冷片冷、热端的温差可以提高制冷效率。
热端散
冷却水回路包括水力调节阀,循环冷却介质回路包括流量调节热器的换热系数应设计大于冷端散热器,因为它除了转移循环
阀。
压缩机制冷系统中的蒸发温度是较为恒定温度点,循环冷冷却介质带出的热量外还要带出半导体制冷片自身发热的热量。
却介质温度为-20℃时蒸发温度一般设置略低-20℃,如果循环通过控制半导体制冷片的供电电流大小来实现制冷量的调节,
冷却介质的温度变为80℃将造成蒸发温度过高引起高低报警。
供电电路包括功率控制器、整流桥、保护元件等,功率控制器
为此,在高温工况下通过循环冷却介质回路的流量调节阀在换根据输入的控制信号调节输出三相电压的大小,整流桥将交流
热前进行分流,避免了压缩机高低压报警。
控制系统设计采用电压转换为直流电,供给制冷片。
温度控制器根据实际温度与
逻辑PID控制,运用PID算法分别对电子膨胀阀、流量调节阀目标温度的差值,经处理器的算法运算,最终向功率控制器输
和加热器的输出量进行调节,其中电子膨胀阀PID控制旨在监出模拟量的控制信号。
控压缩机吸气温度,避免吸气温度过高引起高、低压报警;流
4水、水热交换制冷
量调节阀PID控制旨在控制混流完成后循环冷却介质的温度,
循环冷却介质通过换热器与厂务供应的冷却水进行热交换
使它略低于设定工况;最终通过加热PID控制实现出水口优于
来实现制冷。
如图4所示,循环水回路包括温度传感器、流量
±0.5℃的温度控制。
调节阀;冷却水回路包括温度传感器、流量传感器、流量调节阀。
循环冷却介质温度的调节是通过调节与冷却水发生热交换的支
路流量实现,温度传感器、流量调节阀形成温度反馈控制系统。
冷却水的温度与流量会影响制冷功率,因此在冷却水回路中增
加温度、流量传感器进行监测。
热交换器的设计与对流量调节
阀控制是该方案的关键。
图2蒸汽压缩制冷方案
3热电制冷技术
半导体制冷片经过直流电经过后会形成冷、热端,利用它
的冷端可以进行制冷。
如图3所示,将制冷片的冷、热端分别
贴在冷端散热器与热端散热器,循环冷却介质经过冷端散热器
被冷却,半导体制冷片将热量转移至热端散热器,最终冷却水
经过热端散热器将热量带走。
半导体制冷片与金属壁间为热传
图4水、水热交换制冷方案
导,冷却水、循环冷却介质在散热器内为对流换热。
根据厂务冷却水的技术参数及使用工况确定热交换器的设
计输入的参数:
循环冷却介质侧的最低进水温度48℃、出水温
度33℃、制冷功率100kW、流量100L/min;冷却水进水最高
温度18℃、出水温度43℃、流量60L/min;经分析换热系数为
22
4350W/(m*K)、换热面积2.3m。
选用西门子两通阀对流量
进行调节,选型时应考虑最小调节量、响应时间。
选用欧姆龙
PLC作为控制器,根据循环冷却介质的当前温度与设定温度对
两通阀的开度进行调节,实现温度控制,选用科宝公司流量传
感器、温度传感器对冷却水流量、温度进行监测。
该方案主要
换热器与流量调节阀,简单、经济性高。
5结论
集成电路制造工艺设备的温度控制涉及宽温区、大功率、
超精密的复杂要求,制冷技术是温控技术的关键。
本文分析上
述温控特点与制冷技术,对宽温区(-20℃~80℃)场合提出蒸
汽压缩式制冷方式,对大功率换热(100kW)场合提出水、水
热交换的制冷方式,对超精密(±0.01℃)场合提出热电制冷
图3热电制冷方案
方式并对各方案的原理实现、控制技术进行探讨,提出旁通式
设计冷、热端散热器时需进行对流换热分析、热传导分
蒸汽压缩机制冷技术、基于流量调节的温度反馈控制系统、基
析,还应考虑制冷片的温差与制冷量的关系、循环水的温控范
于半导体制冷片的制冷系统设计等。
围、冷却水的温度波动范围,以及目标制冷功率与最大电流等。
(下转第104页)
106硅谷技术应用
technologyapplication
表1应用系统性能对比
人均花费时间
使用频率
业务模块性能提升百分比节约工时
人数(次/月)
优化前优化后平均节约时间
考勤分析服务50301~3小时20分钟2小时300%~900%50*30*2小时3000小时
薪资计算401015~20分钟7分钟10分钟200%~300%40*10分钟/607小时
简单查询190505分钟~1.5小时2分钟0.5小时200%~4500%190*50*0.5小时4750小时
报表管理1905003~8分钟至多4秒5分钟4500%~12000%190^500*5分钟/607916小时
分钟。
然后我们将源库主机导出文件通过SCP传输到目标库主度降低,通过SQL调整,物理读高峰期消除。
但鉴于本应用中
机中,通过SCP命令完成,传输时间30分钟。
还有部分SQL优化还没有部署系统中,因此物理读每天还有1
进行完上述工作后,就需要进行目标库IMPDP的导入工作至2个高峰期。
(图5、图6)
了。
在数据库迁移过程中,目标库IMPDP导入是一个很核心的
4.3应用性能比对
过程。
在完成目标库IMPDP的导入工作之后,需要对整个导入
表1是通过本次优化,性能提升最为明显的4个应用模块
过程中产生Warning的那些无效对象进行手工重新编译。
然后
运行情况优化前后对比。
通过估算,用户的等待时间至少每月
进行备份调整,在本应用中,Crontab定时Job中包含数据库逻
合计减少15000小时,相当于750名员工每天少工作1小时,
辑备份和物理备份,数据库迁移完成后,新的主机中部署对应
客户体验明显改善,工作效率提高显著,效果超出预期。
Crontab。
调整逻辑备份脚本,原来为全库逻辑备份,现修改为
5总结和展望
EHRUSER、EHRADMIN两个用户逻辑备份。
通过本应用,我们总结了ERP系统跨平台的迁移方案,给
4迁移后的系统测试
出了一个迁移的实例,并依据我们的经验,给出了在整个迁移
在完成本次ERP系统的跨平台迁移后,我们对整体系统性
过程中需要注意的问题及其常见的解决方案。
通过迁移后的性
能进行了比对。
能比对,对迁移的效果和使用情况也进行了一定的分析。
将来
4.1主机系统性能比对
在后续的工作中,我们将进一步的总结和归纳在应用系统跨平
通过硬件升级,CPU由原来的8核提升至40核,并行处台迁移中可能遇到的问题和解决方案,提升迁移的性能和效率,
理能力提升了5倍。
从图1、图2可以发现,CPU使用率由原特别是在不停机状况下的系统迁移,为后续工作打下一定的研
来40%左右降到了5%左右,高峰时段由原来的100%降到了究基础。
15%左右。
因此,硬件升级解决了CPU并行处理能力的压力。
通过硬件升级,内存由原来的16GB提升至64GB,总体内
存容量提升了4倍。
从图3、图4可以发现,升级后内存剩余
参考文献
空间维持在500MB左右,不是说明内存空间不足,而是由系统
[1]芦红.图书馆计算机集成系统之间的数据迁移[J].情报技
(升级后为Linux系统)内核参数决定,采用内存最大使用机制,
术,2003(07).
将剩余内存空间作Cache使用,从而加快系统IO能力,可以通
[2]姜倩,武桂香,管凤旭.异构数据库间的动态数据迁移[J].
过调整系统内核参数停止内存最大使用机制。
应用科技,2005(09).
4.2数据库性能比对
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迁移之后,通过调整数据库内存参数,数据库物理读大幅
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(上接第100页)(上接第106页)
参考文献
无线数字城市的建设步伐有利于实现“信息兴业”,有利于带动
我国新的经济增长点,增强国家经济发展后劲,提高我国经济
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无线数字化城市的建设也是落实“惠民工程”的一项重大
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举措。
无线数字城市可以实现城市生活多个领域的信息化发展。
“固定互联网”向“移动互联网”发展已是大势所趋。
无线数字
城市建设将围绕贯彻国家信息化战略之国民信息技能教育培训、
缩小数字鸿沟等战略行动计划,突出以人为本,丰富服务内容,
创新服务模式,拓宽服务渠道,完善服务体系,提高服务质量,
着力解决好公共服务延伸到基层,让社会大众用得上、用得起、
用得好的问题,实现信息服务均衡、优质、高效发展。
参考文献
作者简介
[1]孙翼.无线通信技术在无功功率补偿装置中的研究与应用
余斌(1981-),男,汉族,江西鄱阳人,硕士学位,机械
[D].西安电子科技大学,2011.
电子工程,上海微电子装备有限公司中级工程师,研究方向:
[2]王朝林.近场无线通信技术在应用电子产品中的实验研究
集成电路设备中的温度控制、水冷系统、键合设备。
[D].兰州大学,2012.
104硅谷
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