EN
ژنراتور بخار با خلوص بالا چگونه خطرات آلودگی را کاهش می‌دهد
نقش حیاتی ژنراتور بخار با خلوص بالا در کارخانه‌های پیشرفته ساخت نیمه‌هادی‌ها
افزایش حساسیت به ناخالصی‌ها در گره‌های ساخت نیمه‌هادی 2 نانومتری و 3 نانومتری
وقتی به آن نقاط بسیار کوچک ۲ نانومتری و ۳ نانومتری می‌رسیم، کارخانه‌های ساخت نیمه‌رسانا با مشکلات جدی آلودگی مواجه می‌شوند. وجود تنها یک مولکول هیدروکربنی در میان هر ۱۰^۱۲ ذره بخار، کافی است تا دستگاهی از کار بیفتد. در گذشته، در مورد گره‌های قدیمی‌تر ۷ نانومتری و بالاتر، سازندگان می‌توانستند ناخالصی‌هایی در سطح چند قسمت در میلیارد را تحمل کنند. اما اکنون در فرآیند ساخت ۳ نانومتری، خلوصی در سطح چند قسمت در تریلیون مورد نیاز است. این میزان تقریباً هزار برابر خلوص بیشتری نسبت به گذشته نیاز دارد. چرا چنین الزامات سختگیرانه‌ای وجود دارد؟ خوب، به دریچه‌های ترانزیستورهای امروزی نگاه کنید که قطری در حدود ۱۲ تا ۱۵ اتم سیلیسیم دارند. حتی کوچکترین ناخالصی‌ها در مقیاس آنگستروم می‌توانند اثرات نفوذ کوانتومی را مختل کنند و یکپارچگی اکسیدهای دریچه را به خطر بیندازند، که در مجموع به معنای این است که دستگاه‌ها دیگر به خوبی کار نمی‌کنند.
چگونه ژنراتور بخار با خلوص بالا پاکیزگی در سطح مولکولی را تضمین می‌کند
امروزه ژنراتورهای بخار با خلوص بالا بسیار سطح پیشرفته‌ای از تمیزی را در سطح مولکولی فراهم می‌کنند، این امر بیشتر به دلیل فرآیندهای تقطیر سه‌گانه و فیلترهای فوق‌العاده ذره‌ای بسیار کم (ULPA) است که تا 0.001 میکرون عمل می‌کنند. این سیستم‌ها تقریباً تمام مواد مضر را از بین می‌برند - صحبت از حذف بیش از 99.9999 درصد یون‌ها، ترکیبات آلی، فلزات و سایر مواد ناخالص است. این موضوع زمانی اهمیت زیادی پیدا می‌کند که بخار با مواد حساسی مانند پوشش‌های فوتو رزیست یا ویفرهای سیلیکونی در حین تولید در تماس است. برخی از سیستم‌های پیشرفته‌ی جدید دارای نظارت آنی و داخلی با استفاده از دستگاه‌های طیف‌سنجی جرمی هستند تا سطح ناخالصی‌ها را در حد کمتر از 5 قسمت در تریلیون حفظ کنند. این موضوع کاملاً منطقی است چرا که این دستگاه‌ها باید استانداردهای هوشمند سازنده صنعت 4.0 را که امروزه زیاد در موردشان صحبت می‌شود، رعایت کنند.
مطالعه موردی: استقرار در یک واحد تولیدی با گره‌ی 3 نانومتری
یکی از تولیدکنندگان بزرگ تراشه، کاهش قابل توجهی در عیوب ویفر مشاهده کرد، زمانی که این ژنراتورهای بخار با خلوص بالا را در فرآیندهای اکسیداسیون و آنیل کردن خود به کار گرفت. آنچه واقعاً تفاوت ایجاد کرد، مکانیسم کنترل حلقه بسته سیستم بود که هدایت الکتریکی بخار را در حدود 0.055 میکروزیمنس بر سانتی‌متر نگه می‌داشت. این مقدار در واقع نصف مقداری است که سیستم‌های قبلی می‌توانستند دست یابند. در نتیجه، 12 درصد افزایش قابل توجهی در بازدهی مشاهده شد، به‌ویژه در زمان ساخت دروازه‌های 3nm FinFET. پس از راه‌اندازی کامل سیستم، شمارش ذرات تنها به 0.2 ذره در میلی‌لیتر در اندازه 0.1 میکرون و بالاتر رسید. این عملکرد، استانداردهای SEMI F57 مورد نیاز برای این گره‌های تولید پیشرفته را به‌خوبی پشت سر گذاشت و کیفیت کنترل به میزان قابل توجهی بهتر شد.
یکپارچه‌سازی با نظارت بر خلوص در زمان واقعی در نقطه مصرف (POU)
در دستگاه‌های ژنراتور بخار مدرن امروزه، حسگرهایی در هر ایستگاه مصرف‌کننده به‌صورت ادغامی نصب شده‌اند که جریان مداومی از داده‌ها را به سیستم‌های مرکزی نگهداری ارسال می‌کنند. این سیستم‌ها در مراحل اولیه آزمایش‌ها، زمان‌های توقف ناشی از مشکلات آلودگی را تا حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد کاهش دادند، زیرا خرابی فیلترها را بیش از دو روز قبل از وقوع خرابی واقعی تشخیص می‌دهند. وقتی این سیستم‌ها با نظارت هوشمند با هوش مصنوعی برای شناسایی الگوهای غیرطبیعی ترکیب شوند، کل سیستم توانسته است تقریباً بدون وقفه و با نرخ قابلیت اطمینان بسیار بالایی معادل ۹۹/۹۹۹۶ درصد به کار خود ادامه دهد. این موضوع برای کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی که ارزش سالانه آنها به چندین میلیارد دلار می‌رسد بسیار مهم است، زیرا از دست دادن تنها یک ساعت تولید، بیش از ۷۴۰ هزار دلار هزینه برای آنها به همراه دارد، همان‌طور که در مطالعات اخیر انجام‌شده توسط مؤسسهٔ پونمن در سال ۲۰۲۳ گزارش شده است.
تأثیر آلودگی بر بازده و اقتصاد تولید نیمه‌هادی
چگونه ذرات و آلاینده‌های مولکولی باعث کاهش بازده در گره‌های نانومتری می‌شوند
وقتی به آن نقاط فرآیندی 2 نانومتری و 3 نانومتری می‌رسیم، ویژگی‌ها به حدی کوچک می‌شوند که فقط 15 تا 20 اتم عرض دارند و این امر آنها را بسیار حساس به هر نوع آلودگی می‌کند. ذرات بسیار کوچک به اندازه حدود 2 نانومتر می‌توانند در الگوهای لیتوگرافی EUV در حین تولید اختلال ایجاد کنند. همچنین مشکل دیگر آلاینده‌های مولکولی مانند مولکول‌های اکسیژن یا بقایای هیدروکربنی هستند که در نهایت لایه‌های اکسید گیت را از بین می‌برند. بررسی آنچه که محققان در مورد استانداردهای خلوص گاز پیدا کرده‌اند نیز چیزی نگران‌کننده نیز نشان می‌دهد. اگر سطح بازهای مولکولی هوا (AMBs) بیش از 0.1 قسمت در میلیارد (ppb) شود، کارخانه‌هایی که تراشه‌های منطقی پیشرفته تولید می‌کنند، شاهد کاهش حدود 12 درصدی بازده خود هستند. به دلیل این حساسیت شدید، اتاق‌های تمیز باید در برخی مناطق شرایطی بهتر از استاندارد ISO Class 1 را حفظ کنند. باورکردنی نیست، حتی وقتی کارگران فقط به طور عادی در این فضاها نفس می‌زنند، آلاینده‌های موجود در بازدم آنها به اندازه‌ای است که می‌تواند فرآیندهای ظریف ساخت در حال انجام را دچار آسیب کند.
هزینه اقتصادی نقص‌ها در تولید نیمه‌هادی با حجم بالا
ضرر مالی ناشی از آلودگی در مقیاس‌های بزرگ تولید واقعاً شدید می‌شود. به عنوان مثال، یک کارخانه که ماهانه حدود 100 هزار ویفر را پردازش می‌کند را در نظر بگیرید. اگر بازدهی آنها تنها 1 درصد کاهش یابد، ممکن است سالانه تقریباً 58 میلیون دلار از دست بدهند. و این حتی هزینه هر ویفر پیشرفه که امروزه بیش از 30 هزار دلار برآورد می‌شود را هم در نظر نمی‌گیرد. صنعت نیمه‌هادی قصد دارد تا سال 2025، 18 کارخانه تولید جدید بنا کند، بنابراین کنترل آلودگی تنها مسئله صرفه‌جویی در هزینه‌های فعلی نیست، بلکه تأثیری مستقیم بر کل بازار 740 میلیارد دلاری هر سال دارد. نصب به موقع ژنراتورهای بخار با خلوص بالا در محل‌های مناسب، میزان تعمیرات مجدد محصولات معیوب را تقریباً به میزان یک سوم کاهش می‌دهد. این موضوع به تولیدکنندگان نشان می‌دهد که چرا سرمایه‌گذاری هوشمندانه در راه‌حل‌های خلوص، امری منطقی برای حفاظت از سود در چنین عملیات‌های تولیدی گران‌قیمتی است.
چالش‌های حفظ نظافت در مقیاس‌های زیر 3 نانومتری
افزایش نمایی حساسیت به عیوب به دلیل کوچک‌تر شدن گره‌ها
در گره‌های زیر 3 نانومتری، حساسیت به عیوب به صورت نمایی افزایش می‌یابد - بر اساس گزارش خلوص نیمه‌هادی 2024، یک ذره 0.5 نانومتری می‌تواند 4٪ از عملکرد یک تراشه را غیرفعال کند. خطوط ساخت اکنون شاهد موارد زیر هستند:
- 400٪ افزایش نرخ عیوب ذراتی نسبت به فرآیندهای 5 نانومتری
- 18٪ اتلاف ویفر مربوط به ناخالصی‌های مولکولی در گازهای فرآیندی
- همبستگی بین نوسانات آلاینده ±0.1 ppb و واریانس 0.8٪ در بازده
این محیط خلوص بخاری را در مراحل اکسیداسیون حیاتی در حد زیر 0.1 ppt می‌طلبد - که تنها با ژنراتورهای بخار با خلوص بالا قابل دستیابی است.
محدودیت‌های فیلتراسیون سنتی: آیا می‌توانند به خواسته‌های آینده پاسخ دهند؟
فیلتراسیون گاز سنتی در سه حوزه حیاتی برای تولید زیر 3 نانومتری ناکافی است:
| پارامتر | سیستم‌های قدیمی | مشخصات مورد نیاز | شکاف کمبود |
|---|---|---|---|
| فیلتراسیون ذرات | µ0.003 µm | <0.0015 µm | 50% |
| حذف هیدروکربن | 98.7% | 99.9999% | 1.29% |
| کنترل رطوبت | ±5 ppb | ±0.3 ppb | 16.6x واریانس |
تحلیل‌های اخیر صنعتی نشان می‌دهد که 72% از کارخانه‌های تولید 3nm وجود آلاینده‌های منتقل‌شونده با بخار را در زمان پردازش حرارتی سریع بیش از آستانه‌های پیشنهادی ASML گزارش می‌کنند. این شکاف‌ها نیازمند بازمهندسی تحویل گاز در سطح مولکولی هستند — دقیقاً همان چیزی که مولدهای بخار با خلوص بالا با ارائه پالایش در محل مصرف و نظارت در سطح ppt به‌صورت زنده، آن را برطرف می‌کنند.
تشخیص پیشرفته ناخالصی‌ها با استفاده از مولد بخار با خلوص بالا و تحلیل گاز
دستیابی به تشخیص آلاینده‌ها در سطح قطعه در تریلیون (ppt)
نیازهای تشخیصی در کارخانه‌های ساخت مدرن نسبت به سیستم‌های قدیمی حدوداً 1000 برابر افزایش یافته است، زیرا حتی آلاینده‌های تک‌مولکولی نیز مشکلات جدی ایجاد می‌کنند. زمانی که طیف‌سنجی جرمی یونی‌سازی فشار جوی با دستگاه‌های تولید بخار با خلوص بالا ترکیب می‌شود، سطوح تشخیص قابل اعتمادی در حد یک تریلیون‌مین (ppt) فراهم می‌کند که نسبت به سیستم‌های سنتی در حد یک میلیاردیوم (ppb) حدود 60 درصد بهتر است. برای تولید نیمه‌هادی‌ها در گره‌های 2 نانومتری و 3 نانومتری، این میزان حساسیت اهمیت بسیار زیادی دارد. داده‌های صنعتی از سال گذشته نشان می‌دهند که چنین سطح پایینی از آلودگی مانند 5 ppt اکسیژن یا هیدروکربن‌ها می‌تواند باعث کاهش 12 تا 18 درصدی در بازده تولید در سراسر خط تولید شود.
| روش تشخیص | حساسیت | کاربرد در گره‌های 3 نانومتری |
|---|---|---|
| GC-MS سنتی | 50 ppb | برای فرآیندهای پیشی منسوخ شده |
| API-MS + بخار | 0.5 ppt | ضروری برای محفظه‌های لیتوگرافی EUV |
همبستگی بین سیستم‌های خلوص بخار و ابزار تجزیه و تحلیل گازهای چند جزئی
ترکیب تولید بخار فوق‌العاده خالص با نظارت لحظه‌ای بر گازها، کنترل بهتری روی آلاینده‌ها در محیط‌های تولیدی ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، زمانی که آنالایزرهای گازی تنها ۲٫۷ قسمت در تریلیون از ترکیبات آلی فرار را تشخیص دهند، سیستم‌های تصفیه بخار تنظیمات تصفیه آب را تقریباً بلافاصله اصلاح می‌کنند. نتیجه چیست؟ کارخانه‌های سیلیکونی که ویفرهای ۳۰۰ میلی‌متری را پردازش می‌کنند، طبق گزارش‌های فرآیندی اخیر از سال ۲۰۲۳، حدود ۷۰٪ کاهش در مشکلات ذرات را شاهد هستند. این واحدها همچنین دمای محیط را با ثباتی کمتر از ۰٫۱ درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کنند، که برای آن دستگاه‌های پیشرفته رسوب‌گذاری لایه اتمی که در ساخت تراشه استفاده می‌شوند، ضروری است. اکثر تولیدکنندگان برتر نیمه‌هادی اکنون این نوع ادغام سیستمی را به عنوان بخشی از استانداردهای اتاق تمیز ISO کلاس ۱ خود الزامی کرده‌اند.
سوالات متداول
ژنراتورهای بخار با خلوص بالا چرا در کارخانه‌های نیمه‌هادی اهمیت دارند؟
ژنراتورهای بخار با خلوص بالا در فرآیند ساخت نیمه‌رساناها ضروری هستند، زیرا آنها ایجاد تمیزی بسیار بالا را در سطح مولکولی تضمین می‌کنند که برای گره‌های فرآیند بسیار کوچک 2 نانومتری و 3 نانومتری حیاتی است. این تمیزی از بروز عیوب جلوگیری می‌کند و باعث افزایش بازده تولید می‌شود، چرا که آلودگی می‌تواند به طور جدی عملکرد دستگاه‌ها را تحت تأثیر قرار دهد.
ژنراتورهای بخار با خلوص بالا چگونه کار می‌کنند؟
این ژنراتورها از روش‌های پیشرفته تصفیه مانند تقطیر سه‌گانه و فیلترهای ذرات بسیار پایین برای حذف ناخالصی‌ها، اعم از یون‌ها، مواد آلی و فلزات استفاده می‌کنند. همچنین از فناوری‌های نظارت در زمان واقعی به منظور اطمینان از اینکه سطح ناخالصی‌ها بسیار پایین باقی بماند و استانداردهای سختگیرانه تولید را برآورده کند، بهره می‌برند.
ژنراتورهای بخار با خلوص بالا چه سودهای اقتصادی را برای صنعت تولید نیمه‌رساناها به همراه می‌آورند؟
ژنراتورهای بخار با خلوص بالا به کاهش نقص‌ها کمک می‌کنند و در نتیجه باعث افزایش بازده تولید می‌شوند. این بهبود می‌تواند صرفه‌جویی میلیونی در هزینه‌های ساخت را به دنبال داشته باشد، زیرا بهره‌وری بالا حفظ می‌شود و نیاز به تعمیل مجدد محصولات معیوب کاهش می‌یابد.
چالش‌های آلودگی در فرآیند تولید تراشه‌های زیر ۳ نانومتری چیست؟
گره‌های زیر ۳ نانومتری به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود بسیار به نقص‌ها حساس هستند. حتی یک مولکول ناخالصی نیز می‌تواند باعث آسیب به عملکرد دستگاه شود، در نتیجه نیازمند سیستم‌های پیشرفته تشخیص و تصفیه ناخالصی‌ها برای حفظ یکپارچگی عملیاتی و بازده تولید می‌باشد.