كيف يقلل مولد البخار عالي النقاء من مخاطر التلوث

الدور الحاسم لمولد البخار عالي النقاء في مصانع أشباه الموصلات المتقدمة

زيادة الحساسية للتلوث في عقد 2 نانومتر و3 نانومتر لأشباه الموصلات

عندما نصل إلى تلك العقد العملية الصغيرة بحجم 2 نانومتر و3 نانومتر، تواجه مصانع تصنيع أشباه الموصلات مشاكل تلوث جدية للغاية. فوجود جزيء واحد من الهيدروكربون بين كل 10^12 جزيء من جزيئات البخار يكفي لإتلاف الجهاز. في الماضي، مع العقد الأكبر حجمًا التي تبلغ 7 نانومتر فأكثر، كان يمكن للمصنعين تحمل وجود شوائب بمستوى أجزاء من المليار. ولكن الآن مع تصنيع الدوائر بدقة 3 نانومتر، أصبحوا بحاجة إلى نقاء يبلغ جزءًا من تريليون بدلًا من ذلك. وهذا يعني أن درجة النقاء أصبحت ألف مرة أعلى مما كانت عليه من قبل. لماذا هذه المتطلبات الصارمة؟ حسنًا، انظر إلى بوابات الترانزستور هذه الأيام التي تُقاس بحوالي 12 إلى 15 ذرة سيليكون فقط. حتى أصغر الشوائب على مقياس الأنغستروم تؤثر على تأثيرات النفق الكمي وتقوض سلامة أكاسيد البوابة، مما يعني ببساطة أن الأجهزة تتوقف عن العمل بشكل صحيح.

كيف يضمن جهاز توليد البخار عالي النقاء نظافة على مستوى الجزيئات

تُعدّ مولدات البخار عالية النقاء في الوقت الحالي تصل إلى مستويات مذهلة من النظافة على المستوى الجزيئي بفضل عمليات التقطير الثلاثية ومرشحات الجسيمات المنخفضة للغاية التي تُفلتر حتى 0.001 ميكرون. تعمل هذه الأنظمة عمليًا على إزالة ما يقرب من جميع المواد الضارة - نحن نتحدث هنا عن إزالة تزيد عن 99.9999% من الأيونات والمركبات العضوية والمعادن وغيرها. هذا الأمر مهم جدًا عندما يلامس البخار موادًا حساسة مثل طلاءات المقاوم الضوئي أو رقائق السليكون أثناء عملية التصنيع. تحتوي بعض الأنظمة المتطورة الأحدث على أنظمة مراقبة في الوقت الفعلي مدمجة تستخدم تقنية قياس الكتلة لفحص مستويات الشوائب والتأكد من بقائها دون 5 أجزاء في التريليون. هذا منطقي تمامًا بالنظر إلى ضرورة توافق هذه الآلات مع معايير الصناعة 4.0 للتصنيع الذكي التي يُقال عنها الكثير في الآونة الأخيرة.

دراسة حالة: نشر في منشأة تصنيع بتقنية 3 نانومتر

شهد أحد مصنعي الرقائق الإلكترونية انخفاضًا ملحوظًا في عيوب الوافير عندما قاموا بتركيب هذه المولدات البخارية عالية النقاء في عمليات الأكسدة والتحميص الخاصة بهم. وكان ما صنع الفرق حقًا هو آلية التحكم ذات الحلقة المغلقة في النظام، والتي حافظت على توصيلية البخار عند حوالي 0.055 ميكروسيemens لكل سنتيمتر، أي نصف القيمة التي كانت تحققها الأنظمة السابقة. ونتيجة لذلك، تم تسجيل زيادة ملحوظة بلغت 12% في العائدات، وخاصةً خلال تصنيع بوابات FinFET بحجم 3 نانومتر. وبعد بدء التشغيل الكامل، بلغ متوسط عدد الجسيمات 0.2 جسيم لكل ملليلتر أو أكثر عند مقاس 0.1 ميكرون، وهو ما تفوق به النظام المقاييس المطلوبة من قبل SEMI F57 الخاصة بهذه العقد التصنيعية المتقدمة، مما يدل على التحسن الكبير في جودة التحكم.

التكامل مع مراقبة النقاء في الوقت الفعلي عند نقطة الاستخدام (POU)

تتميز المولدات البخارية الحديثة الآن بوجود أجهزة استشعار مدمجة مباشرة في كل محطة استخدام، وتقوم هذه الأجهزة بإرسال تدفقات مستمرة من البيانات إلى أنظمة الصيانة المركزية. تقلل هذه الإعدادات من وقت التوقف الناتج عن مشاكل التلوث بنسبة تتراوح بين 25 و30% خلال المراحل التجريبية المبكرة، وذلك لأنها تكتشف بدء تآكل الفلاتر قبل حدوث العطل الفعلي بيومين أو أكثر. وبالارتباط مع مراقبة ذكية تعتمد على الذكاء الاصطناعي لاكتشاف الأنماط غير الاعتيادية، يبقى النظام بأكمله يعمل تقريباً دون توقف بمعدل توفر مثير للإعجاب يبلغ 99.9996%. وهذا يهم كثيراً المصانع تصنيع أشباه الموصلات التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات سنوياً، إذ تشير الدراسات الحديثة من معهد بونيمون لعام 2023 إلى أن خسارة ساعة واحدة فقط تكلفها أكثر من 740 ألف دولار.

تأثير التلوث على العائد من أشباه الموصلات والاقتصاد الإنتاجي

كيف تقلل الشوائب الجسيمية والجزيئية من العائد في العقد النانوية

عندما نصل إلى تلك العقد 2 نانومتر و3 نانومتر، تصبح الميزات صغيرة للغاية لدرجة أنها لا تتعدى 15 إلى 20 ذرة في العرض، مما يجعلها حساسة للغاية لأي نوع من التلوث. يمكن أن تؤثر الجسيمات الصغيرة التي تبلغ حوالي 2 نانومتر بشكل حقيقي على أنماط الطباعة الضوئية ذات الأشعة فوق البنفسجية (EUV) أثناء عملية التصنيع. وهناك أيضًا مشكلة التلوث الجزيئي مثل جزيئات الأكسجين أو بقايا الهيدروكربونات التي تنتهي ب ruining طبقات أكاسيد البوابة. تشير الأبحاث المتعلقة بمعايير نقاء الغاز إلى أمر مثير للقلق أيضًا. إذا تجاوزت مستويات القواعد الجزيئية المحمولة جوًا (AMBs) 0.1 جزء في المليار، فإن مصانع إنتاج رقائق المنطق المتقدمة تشهد انخفاضًا في العوائد بنسبة 12%. بسبب هذه الحساسية الشديدة، تحتاج غرف التنظيف (Cleanrooms) إلى الحفاظ على ظروف أفضل من معايير ISO Class 1 في بعض المناطق. وصدق أو لا تصدق، حتى عندما يتنفس العمال بشكل طبيعي داخل هذه المساحات، فإن الزفير يحتوي على ما يكفي من الملوثات لاحتمال إلحاق الضرر بالعمليات الدقيقة للتصنيع التي تجري هناك.

التكاليف الاقتصادية للعيوب في تصنيع أشباه الموصلات بكميات كبيرة

تصبح الأضرار المالية الناتجة عن التلوث سيئة للغاية عند زيادة الإنتاج. خذ على سبيل المثال مصنعاً يعالج حوالي 100 ألف رقاقة شهرياً. إذا انخفض إنتاجه بنسبة 1% فقط، فقد يواجه خسائر تصل إلى 58 مليون دولار سنوياً تقريباً. وبالإضافة إلى ذلك، فإن كل رقاقة متطورة تكلف الآن أكثر من 30 ألف دولار. ومن المخطط أن تبني صناعة أشباه الموصلات 18 مصنعاً جديداً بحلول عام 2025، لذا فإن السيطرة على التلوث لم تعد فقط مسألة توفير المال، بل تؤثر على السوق البالغ حجمه 740 مليار دولار سنوياً. وتركيب مولدات البخار عالية النقاء في الأماكن المناسبة يقلل من إعادة معالجة المنتجات المعيبة بنسبة تصل إلى الثلث. وهذا يوضح بدقة لماذا يعد الاستثمار الحكيم في حلول النقاء منطقياً لحماية الأرباح في عمليات التصنيع المكلفة هذه.

التحديات المتعلقة بتحقيق النظافة في تصنيع الرقاقات الأقل من 3 نانومتر

زيادة مفرطة في حساسية العيوب بسبب تقليص النود

في النودات الأقل من 3 نانومتر، تزداد حساسية العيوب بشكل كبير - فعلى سبيل المثال، يمكن لجسيم واحد بحجم 0.5 نانومتر تعطيل 4٪ من وظائف الشريحة، وفقًا لتقرير نقاء أشباه الموصلات لعام 2024. أصبحت خطوط التصنيع الآن تواجه:

• زيادة بنسبة 400٪ في معدلات عيوب الجسيمات مقارنة بعمليات 5 نانومتر
• خسارة 18٪ من الويفر مرتبطة بالشوائب الجزيئية في الغازات المستخدمة في العمليات
• ارتباط بين تقلبات الملوثات بمقدار ±0.1 جزء في المليار وتباين العائد بنسبة 0.8٪

يتطلب هذا البيئة نقاء بخار أقل من 0.1 جزء في التريليون في الخطوات الحرجة للأكسدة - وهو ما يمكن تحقيقه فقط باستخدام مولدات بخار عالية النقاء متقدمة.

قيود الفلاتر التقليدية: هل يمكنها تلبية متطلبات النقاء المستقبلية؟

تفشل الفلاتر التقليدية الخاصة بالغازات في ثلاث مناطق حرجة لتصنيع النودات الأقل من 3 نانومتر:

كشفت تحليلات صناعية حديثة أن 72% من مصانع تصنيع الرقائق بدقة 3 نانومتر تبلغ عن وجود ملوثات ناتجة عن البخار تتجاوز حدود ASML الموصى بها أثناء عملية التلدين الحراري السريع. تتطلب هذه الفجوات إعادة هندسة توصيل الغاز على المستوى الجزيئي، وهو بالضبط ما تحققه مولدات البخار عالية النقاء من خلال تنقية البخار في نقطة الاستخدام ومراقبة مستويات الملوثات بدقة تصل إلى مستوى جزء من تريليون (ppt) في الوقت الفعلي.

كشف متقدم عن الشوائب باستخدام مولد البخار عالي النقاء وتحليل الغاز

تحقيق كشف الملوثات بدقة مستوى جزء من تريليون (ppt)

ارتفعت متطلبات الكشف في مرافق التصنيع الحديثة حوالي 1000 مرة مقارنة بالأنظمة القديمة، وذلك لأن حتى الملوثات التي تتكون من جزيء واحد يمكن أن تسبب مشكلات جدية. عندما يتم دمج مطيافية الكتلة ذات التأين عند الضغط الجوي مع مولدات البخار عالية النقاء، فإنها توفر مستويات كشف موثوقة تصل إلى أجزاء من التريليون، وتتفوق بذلك على الأنظمة التقليدية التي تعمل بمستوى أجزاء من المليار بنسبة تصل إلى 60%. بالنسبة لتصنيع أشباه الموصلات عند عقد 2 نانومتر و3 نانومتر، فإن هذا النوع من الحساسية يلعب دوراً كبيراً. تشير البيانات الصناعية من العام الماضي إلى أمر مثير للدهشة: يمكن أن تقل مستويات التلوث التي تصل إلى 5 أجزاء من التريليون من الأكسجين أو الهيدروكربونات من العائدات الإنتاجية بنسبة تتراوح بين 12% و18% بشكل عام.

التكامل بين أنظمة نقاء البخار وأدوات تحليل الغاز متعدد المكونات

يؤدي الجمع بين إنتاج البخار الفائق النقاء مع مراقبة الغاز الفورية إلى تحكم أفضل في الملوثات في بيئات التصنيع. على سبيل المثال، عندما تكتشف أجهزة تحليل الغاز ما يقارب 2.7 جزءاً في التريليون من المركبات العضوية المتطايرة، تقوم أنظمة تنقية البخار بتعديل إعدادات معالجة المياه تقريباً بشكل فوري. ما النتيجة؟ تشير التقارير العملية الأخيرة لعام 2023 إلى أن مصانع تصنيع أشباه الموصلات التي تعالج رقائق بقطر 300 مم تشهد انخفاضاً يقارب 70% في مشاكل الجسيمات. كما تُحافظ هذه المنشآت على درجات حرارة مستقرة ضمن نطاق أقل من 0.1 درجة مئوية، وهو أمر بالغ الأهمية لماكينات الترسيب بطبقة ذرية متطورة تُستخدم في صناعة الرقائق الإلكترونية. علاوة على ذلك، بدأ معظم مصنعي أشباه الموصلات الرئيسيين في الاعتماد على هذا النوع من دمج الأنظمة كجزء من معايير غرف النظافة من الفئة ISO Class 1.

الأسئلة الشائعة

لماذا تعد مولدات البخار عالي النقاء ضرورية في مصانع أشباه الموصلات؟

تُعد مولدات البخار عالية النقاء ضرورية في تصنيع أشباه الموصلات لأنها تضمن نظافة قصوى على المستوى الجزيئي، وهو أمر بالغ الأهمية للوحدات العملية الصغيرة مثل 2 نانومتر و3 نانومتر. وتساعد هذه النظافة في منع العيوب وتحسين العوائد عبر تجنب التلوث الذي يمكن أن يؤثر بشدة على وظائف الجهاز.

كيف تعمل مولدات البخار عالية النقاء؟

تعتمد هذه المولدات على طرق متقدمة للتنقية، مثل التقطير الثلاثي والمرشحات ذات الجسيمات المنخفضة للغاية، لاستبعاد الشوائب بما في ذلك الأيونات والمركبات العضوية والمعادن. كما تستخدم تقنيات مراقبة في الوقت الفعلي لضمان بقاء مستويات الشوائب منخفضة للغاية، لتلبية المعايير الصارمة في التصنيع.

ما هي الفوائد الاقتصادية التي توفرها مولدات البخار عالية النقاء لتصنيع أشباه الموصلات؟

تساعد مولدات البخار عالية النقاء في تقليل العيوب، مما يزيد من العائد. يمكن أن تؤدي هذه التحسينات إلى توفير ملايين الدولارات في مصانع التصنيع من خلال الحفاظ على كفاءة إنتاج عالية وتقليل الحاجة لإعادة تصنيع المنتجات المعيبة.

ما هي تحديات التلوث في تصنيع الدوائر الأقل من 3 نانومتر؟

إن العقد الأقل من 3 نانومتر حساسة للغاية للعيوب بسبب صغر حجمها. حيث يمكن لجزيء واحد فقط من الشوائب أن يسبب ضررًا لوظيفة الدائرة، مما يستدعي استخدام أنظمة متقدمة لكشف الشوائب وتنقيتها لضمان سلامة الأداء والكفاءة الإنتاجية.