EN
إن الحفاظ على الرطوبة تحت سيطرة مشددة تبلغ حوالي ±1٪ رطوبة نسبية (RH) أمر بالغ الأهمية في مصانع تصنيع أشباه الموصلات، لأن أي تقلبات بسيطة قد تؤدي إلى تشوه السيليكون أو التسبب في مشكلات أثناء عملية الليثوغرافيا الدقيقة. فعلى سبيل المثال، في منشأة TSMC Fab 18 حيث يتم تصنيع رقائق 3 نانومتر المتطورة، تعمل أنظمة التحكم في التكاثف بجهد كبير لاستخراج ما يقارب 4,200 لتر من الرطوبة كل ساعة للحفاظ على استقرار الرطوبة عند 45٪ رطوبة نسبية. وللتعامل مع الشحنات الكهروستاتيكية التي قد تتلف المعدات، يتم استخدام حواجز هوائية مؤينة في جميع أنحاء المنشأة. وتُخفض هذه الأنظمة مستويات الكهرباء الساكنة إلى أقل من 10 فولت، وهو ما يحدث فرقًا كبيرًا عند التعامل مع رقائق السيليكون الحساسة جدًا مقاس 300 مم. ودعونا لا ننسى مرشحات كيميائية متعددة المراحل تعالج انبعاثات مادة الطلاء الضوئي. وبتقليل الانبعاثات إلى أقل من جزء واحد من البليون، تساعد هذه المرشحات في منع خسائر مكلفة في العائد خلال عمليات الليثوغرافيا باستخدام الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV).
تتميز المنشأة الجديدة D1X من Intel بوجود حوالي 1,200 فلتر ULPA تلتقط الجسيمات الصغيرة بحجم 0.12 ميكرون بكفاءة مثيرة للإعجاب تبلغ 99.9995٪ عبر جميع مناطق غرف النظافة ISO 3. وقد تم تنفيذ نظام تدفق هواء متسلسل خاص يتم تدويره بين 500 إلى 750 مرة في الساعة. وهذا يفوق سرعة ما نراه عادة في غرف النظافة الخاصة بالصناعات الدوائية بخمس مرات، مما يساعد على التخلص من ملوثات الأمين المتطايرة الناتجة عن معدات EUV. ووفقاً لأحدث الدراسات التي أجراها خبراء تصنيع أشباه الموصلات، فإن هذا الأسلوب المتقدم في التصفية يقلل من العيوب المرتبطة بالجسيمات بنسبة تقارب 83٪ مقارنةً بالنظم القديمة التي لا تزال مستخدمة اليوم في أنحاء القطاع.
تُستخدم المصانع المتقدمة أكثر من 2,000 حساس لاسلكي لتتبع مستمر للمعايير الحرجة:
| المعلمات | عتبة | تردد القياس |
|---|---|---|
| جسيمات ≥0.1μm | <0.5/سم³ (ISO 3) | كل 6 ثوانٍ |
| اهتزاز | <2 ميكرومتر/ثانية² | مستمر |
| الفرق في الضغط | +15 باسكال كحد أدنى | كل 30 ثانية |
تتيح هذه القياسات عن بُعد في الوقت الفعلي إجراء تعديلات على أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء خلال 0.8 ثانية من حدوث أي انحراف، مما يدعم معدلات الإنتاج التي تزيد عن 98.5% في إنتاج العقدة ذات 5 نانومتر. تستجيب الأنظمة الآلية بشكل أسرع من التدخل اليدوي، وتحافظ على الاستقرار خلال العمليات عالية الحجم.
تتبع غرف التنظيف المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات معايير ISO 14644-1 الصارمة التي تتراوح من الفئة 4 إلى 8، مما يعني التحكم في الجسيمات العالقة في الهواء بين حوالي 352 و35,200 جسيمًا بحجم 0.5 ميكرون أو أكبر لكل متر مكعب. تعتمد هذه المتطلبات اعتمادًا كبيرًا على مدى حساسية عملية الإنتاج. بالمقارنة مع ما نراه في المرافق الصيدلانية التي تعمل ضمن فئات ISO من 5 إلى 8، فإن هذه المواصفات تكون أكثر تطلبًا بنحو 100 مرة. وعلى الرغم من أنها لم تعد مستخدمة رسميًا، فإن المعيار القديم FS 209E لا يزال يؤثر في كيفية تصميم المعدات، خاصة فيما يتعلق بتصنيفه الشهير Class 100 الذي لا يسمح بأكثر من 100 جسيم من هذا النوع لكل قدم مكعبة من المساحة الهوائية، وهو ما يطابق مواصفات ISO Class 5. ويخصص المصنعون من الطراز الأول مناطقهم ذات الجودة الأعلى من الفئة ISO 4 إلى 5 للعمليات الحرجة مثل أعمال التصوير الضوئي والترسيب. فقد يؤدي وجود جسيم صغير واحد فقط بحجم 0.3 ميكرون طافٍ في الهواء إلى إتلاف رقاقة سيليكون تبلغ قيمتها نحو 740,000 دولار أمريكي وفقًا للتقارير الصناعية الحديثة الصادرة عن SEMI في عام 2023.
تتجاوز معايير SEMI F51 ما تغطيه عادةً ISO فيما يتعلق بالتحكم في التلوث الجزيئي المحمول جواً (AMC). فهي تقيد فعلياً المركبات العضوية المتطايرة بأقل من جزء واحد لكل بليون، وهو ما يُعدّ قاسياً جداً. ومن ناحية أخرى، تفرض SEMI E89 الرقابة المستمرة على الجسيمات في الوقت الفعلي. وإذا تجاوز الانحراف عن المستويات الطبيعية 5٪، فإن أنظمة الإنذار تنطلق تلقائياً. ما يجعل هذه المعايير مهمة بشكل خاص لصناعة أشباه الموصلات هو قدرتها على معالجة مشكلات محددة مثل تحلل الطلاء الحساس للضوء وتآكل المعادن، وهي مشكلات لا تظهر في اللوائح الخاصة بالتكنولوجيا الحيوية أو الصيدلانية. ويجب على مصنعي أشباه الموصلات الانتباه الشديد لهذه المتطلبات، إذ قد يؤدي عدم الامتثال لها إلى إخفاقات إنتاجية كبيرة في المستقبل.
تتطلب غرف الأبحاث النظيفة في صناعة أشباه الموصلات التي تُصنف ضمن الفئة ISO Class 4 عادةً ما بين 400 و600 تبادل هواء كل ساعة. وهذا يعادل تقريبًا 12 ضعفًا مما نراه في البيئات الصيدلانية القياسية. ولإبقاء هذه المساحات مناسبة للتصنيع المتقدم بحجم أقل من 5 نانومتر، تعتمد المنشآت على مرشحات ULPA التي تحجز 99.9995% من الجسيمات بحجم يصل إلى 0.12 ميكرون. وعند العمل مع طبقات أكسيد البوابة التي لا تتجاوز سماكتها نحو 10 ذرات، فإن الشوائب الصغيرة جدًا تكون ذات أهمية كبيرة. فقط فكّر في الأمر: يمكن لخصلة واحدة من الشعر البشري أن تطلق أكثر من 600 ألف جسيم مجهري في بيئة من الفئة ISO Class 5. وهذا يوضح لماذا تعد الحفاظ على معايير التحكم الصارمة أمرًا بالغ الأهمية في تصنيع أشباه الموصلات.
تشير استطلاعات الصناعة الحديثة إلى أن 93% من المصانع الرائدة في مجال التصنيع تعمل الآن وفق الفئة ISO 5 أو بيئة أكثر نظافة، وذلك نتيجة لمتطلبات عملية التصوير الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) والتراص ثلاثي الأبعاد للذاكرة NAND. ويمثل هذا ارتفاعًا بنسبة 40% في تبني غرف النظافة الفائقة منذ عام 2018 (FabTech 2023).
تحافظ أفضل مرافق التصنيع على مستويات الرطوبة ضمن نسبة نصف بالمئة فقط من الرطوبة النسبية، ويمكنها التحكم في درجات الحرارة بدقة تصل إلى 0.02 درجة مئوية باستخدام أنظمتها البيئية المتطورة. وقد نفذ أحد المصانع الرئيسية في آسيا ستائر هوائية مشحونة تحافظ على الكهرباء الساكنة أقل من 50 فولت، مما يساعد على تجنب العيوب الصغيرة جدًا عند العمل على شرائح 3 نانومتر. وعند دمج هذه الأساليب مع مراحل متعددة من التنقية الكيميائية، تُضمن هذه الطرق بقاء أي مركبات متطايرة تنطلق من مواد الطلاء الضوئي أقل بكثير من جزء واحد لكل مليار. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على معدلات إنتاج جيدة في عمليات التصوير الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية الشديدة.
يمكن لأنظمة الترشيح التي تفي بمعايير ISO 14644 التعامل مع حوالي 600 تبديل هواء في الساعة عند استخدام مرشحات ULPA. وهذه المرشحات تحجز نسبة مذهلة تبلغ 99.999٪ من الجسيمات الأكبر من 0.12 ميكرون، وهي صرامة تفوق بحوالي 50 مرة ما هو مطلوب في البيئات الصيدلانية. انظر إلى مرفق بحثي تديره شركة تصنيع كبرى في أمريكا الشمالية. فقد نفذت تركيبة من شبكات سقفية HEPA مع أرضيات مثقبة تُنشئ أنماط تدفق هواء طبقي. ويحافظ هذا الترتيب على عدد الجسيمات بأقل من 10 جسيمات لكل قدم مكعب أثناء إنتاج المكونات ذات الـ5 نانومتر. ولتحقيق نقاء أكبر، يتم استخدام أسرّة امتزاز جزيئي لإزالة الكميات الضئيلة من الأحماض والشوائب الهوائية حتى تركيزات تصل إلى جزء من مليار.
تتابع شبكات المستشعرات المدمجة في هذه الأنظمة أكثر من 15 عاملًا مختلفًا، بما في ذلك الجسيمات الصغيرة بحجم 0.1 ميكرومتر وتباينات التردد الاهتزازي المختلفة، مع تحديثات تحدث كل نصف ثانية. إذا تجاوزت الأمور معايير ISO Class 5، فإن الضوابط الآلية تتولى تعديل سرعة تدفق الهواء بدقة عالية تصل إلى حوالي 0.1 متر في الثانية، وهي دقة تفوق بكثير ما يمكن لأي شخص تحقيقه يدويًا. تعمل دائرة التغذية المرتدة بأكملها بشكل جيد جدًا لدرجة أن التلوث يتسبب فقط في خسارة نحو 0.01 بالمئة من إنتاجية المصانع، على الرغم من معالجتها لما يقارب 150 ألف رقاقة شهريًا من خلال هذا النظام.
عند العمل مع عقد أشباه الموصلات التي تقل عن 3 نانومتر، يجب أن تمتص مرشحات ULPA ما لا يقل عن 99.9995% من الجسيمات التي يبلغ حجمها 0.12 ميكرون أو أكبر. وقد بدأت العديد من المصانع الرائدة في التصنيع تنفيذ أنظمة ذكية لإدارة تدفق الهواء في الآونة الأخيرة. وتُعدِّل هذه الأنظمة تدفق الهواء ديناميكيًا بناءً على توزيع المعدات داخل غرفة النظافة. ويقلل هذا الأسلوب من وجود جيوب هواء راكدة بنسبة تقارب 40% مقارنةً بالأنظمة القديمة ذات التدفق الطبقي الثابت. وتجدر الإشارة إلى أن الفوائد تصبح واضحة بوضوح خاص أثناء عمليات التصوير الضوئي باستخدام الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (EUV)، إذ يمكن للجسيمات الصغيرة جدًا والتي يبلغ قياسها بضعة نانومترات فقط أن تتسبب في إرباك الأنماط الدقيقة للدوائر قيد الإنشاء، وبالتالي فإن امتلاك أنظمة تنقية تكيفية كهذه يُحدث فرقًا كبيرًا في الحفاظ على جودة المنتج.
تأتي غرف التنظيف الحديثة مجهزة بأنظمة ضغط ذكية تحافظ على فصل المناطق المختلفة مع تقليل تكاليف الطاقة في الوقت نفسه. وجد تقرير حديث صادر عن Semiconductor Engineering عام 2023 أمرًا مثيرًا حول تحديثات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). فقد نجحت هذه التحديثات في خفض استهلاك الطاقة بنسبة حوالي 28 بالمئة دون التأثير على المعايير المطلوبة للفئة ISO Class 5. كيف تم ذلك؟ من خلال تركيب مراوح متغيرة السرعة وإضافة آليات لاسترداد الحرارة في جميع أنحاء المنشأة. بالنسبة للصناعات التي تتعامل مع عمليات حساسة للحرارة مثل الترسيب الذري الطبقي (ALD)، فإن هذا النوع من المكاسب في الكفاءة يُحدث فرقاً كبيراً في الحفاظ على جودة المنتج أثناء التصنيع.
تستهلك الغرف النظيفة تقليديًا حوالي 30 إلى 50 بالمئة من إجمالي الطاقة المستخدمة في مصانع التصنيع، مما يضع الشركات المصنعة في موقف صعب تحاول فيه التوفيق بين البيئات الفائقة النظافة والمبادرات الخضراء. وتتصدى الشركات الذكية لهذه المشكلة حاليًا بعدة طرق. فبعضها يثبت مواد تغيير الطور التي تساعد على الحفاظ على درجات حرارة مستقرة دون تشغيل أنظمة التدفئة والتبريد والتكييف بشكل متواصل. وبدأت شركات أخرى باستخدام مرشحات كهروستاتيكية تعمل بمصادر متجددة لتلبية احتياجات التصفية الثانوية للهواء. ويُعتمد حاليًا على الذكاء الاصطناعي في العديد من المصانع لمهام الصيانة التنبؤية، ما يقلل من هدر المرشحات بنسبة تقارب اثنين وعشرين بالمئة وفقًا للتقارير الصناعية. وينتج عن دمج هذه الأساليب انخفاضًا سنويًا بنحو خمسة بالمئة في الانبعاثات الكربونية، مع الحفاظ في الوقت نفسه على أعداد الجسيمات تحت السيطرة وبأقل من نصف جسيم لكل قدم مكعبة في تلك المناطق الحساسة للغاية حيث لا يمكن التساهل مع التلوث.
تأتي الآن ألواح الغرف النظيفة المعيارية مزودة بمستشعرات إنترنت الأشياء المدمجة التي تتيح التكيف السريع مع مناطق التحكم في التلوث عند الحاجة، وهو ما أصبح ضروريًا مع تحديث الأدوات كل ربع سنة. بدأت مصانع تصنيع أشباه الموصلات في تنفيذ ما يُعرف بـ"النماذج الرقمية المزدوجة للغرف النظيفة" لاختبار كيفية تركيب المعدات الجديدة ضمن المساحات الحالية. ويقلل هذا الأسلوب بشكل كبير من فترات التحقق، حيث أفادت العديد من المنشآت بأنها انتقلت من حوالي 12 أسبوعًا إلى نحو 18 يومًا فقط. وتساعد هذه التجهيزات المرنة في البنية التحتية الشركات المصنعة على التقدم أمام اللوائح المتغيرة مثل المعيار القادم ISO 14644-1 المقرر عام 2025، والذي يتطلب رصدًا دقيقًا للجسيمات النانوية في البيئات الخاضعة للرقابة. ولا يتعلق الاستعداد لهذه التغييرات بالإجراءات الورقية فحسب، بل يؤثر فعليًا على العمليات اليومية عبر القطاع.
