كيف يحافظ مبرد العمليات شبه الموصلية على التحكم الدقيق في درجة الحرارة؟

يُعد التحكم في درجة الحرارة أمرًا جوهريًّا لتحسين الإنتاج، وضمان استمرارية الإنتاجية، والحفاظ على ربحية مصانع التصنيع في السوق التنافسية.

المفاهيم الهندسية الأساسية لمبرد عمليات شبه الموصلية

إدارة درجة الحرارة في الدائرة المغلقة مع ضبط حمولة فوري

تحافظ مبردات العمليات في صناعة أشباه الموصلات على استقرار درجة الحرارة عند حوالي ±٠٫١°م باستخدام نظام مغلق لإدارة الحرارة يُعدِّل تدفق سائل التبريد في الوقت الفعلي باستعمال مستشعرات الضغط ودرجة الحرارة. وتستخدم هذه المبردات وحدات تحكم متقدمة من نوع التناسبي-التكاملي-التفاضلي (PID) التي تستجيب بتغير ديناميكي لأحمال الحرارة. فعلى سبيل المثال، أثناء عمليات النقش (Etching)، تقوم بعض وحدات التحكم بتعديل سرعات الضواغط ومعدلات تدفق المضخات لمنع أي تقلبات في درجة الحرارة قد تتسبب في تلف الرقائق (Wafers) قيد المعالجة. وأظهرت دراسة نُشرت في مقالة لـ «Semiconductor Engineering» عام ٢٠٢٣ أن ارتفاع معدل العيوب يزداد بنسبة ١٨٪ إذا سُمح للتغيرات الحرارية بالانفلات دون رقابة. وفي المستقبل القريب، ستكتسب الخوارزميات التنبؤية أهميةً بالغة في التنبؤ بتغيرات الأحمال في العمليات ذات درجات الحرارة المرتفعة مع الحفاظ على حالة مستقرة خاضعة للتحكم لضمان أداءٍ ثابت.

ضواغط ذات محامل مغناطيسية وأنظمة تبريد متسلسلة

إن تحقيق دقة وتحكم استثنائيين في نطاقات درجات الحرارة الأقل من ٠٫١°م لا يمكن أن يتحقق إلا من خلال هندسة تبريد متقدمة تعتمد على نظام التبريد التسلسلي ذي المرحلتين. ويمكن تحقيق التحكم الدقيق حتى درجة ٠٫١°م، بل وحتى بدقة أقل من ٠٫١°م، من خلال تطوير حلقات مبرِّدة أولية تتسلسل من مرحلة التبريد أو التبريد الأولي إلى الحلقات الثانية. علاوةً على ذلك، تُستخدم ضواغط مغناطيسية خالية من الزيت في أنظمة التبريد التسلسلي. وبما أن النظام لا يحتوي على زيت، فإن ذلك يؤدي إلى انخفاض الاحتكاك والتآكل والتلوث الناتج عن النظام. كما أن الضواغط القائمة على المكابس المغناطيسية قادرة على إجراء تعديلات دقيقة جدًّا في سرعة التشغيل بنسبة تصل إلى ٠٫١٪ في كل خطوة. وتنجم عن هذه الاستقرار التشغيلي درجات عالية جدًّا من الاستقرار التشغيلي. وهذا يعني أن نظام التبريد قادر على العمل ضمن حدود ١٠٪ من السعة الإجمالية للنظام مع الحفاظ على ثبات درجة الحرارة عند ±٠٫٠٥°م. ويُشترط هذا النوع من الاستقرار التشغيلي والدقة في أنظمة التحكم بدرجة الحرارة والاستقرار في عمليات التصنيع بالضوء فوق البنفسجي المتطرِّف (EUV)، حيث إن أصغر التغيرات الحرارية قد تُخلّ بالتخطيطات الليثوغرافية أو تدمّرها تمامًا. علاوةً على ذلك، تتفوق أنظمة المكابس المغناطيسية من حيث الكفاءة الطاقية بنسبة تزيد على ٣٥٪ مقارنةً بالضواغط المستخدمة في التقنيات السابقة (ASHRAE، ٢٠٢٣).

التكامل الذكي: كيفية تكامل مبرد العمليات شبه الموصلية مع المعدات الأساسية

الاتصال بأنظمة التصوير بالضوء فوق البنفسجي المنعكسة (EUV)، والتنعيم الكيميائي الميكانيكي (CMP)، والترسيب الذري بالطور الغازي (ALD)

تحافظ مبردات العمليات الخاصة بشركات تصنيع أشباه الموصلات على درجة حرارة ثابتة تبلغ ±٠٫٠٥°م، وهي درجة حرارة بالغة الأهمية عند الربط المباشر مع أنظمة التحكم في أدوات العمليات أثناء عمليات التصنيع الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية الممتدة (EUV) لمنع أخطاء المحاذاة الناجمة عن الانحراف الحراري للمكونات البصرية. أما في عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)، فإن هذه المبردات تقوم دائمًا بتعديل قدرتها التبريدية استجابةً لأحمال الحرارة التآزرية والاحتكاكية التي قد تتجاوز ١٠ كيلوواط لكل متر مربع. وفي عمليات الترسيب الطبقي الذري (ALD)، تقوم المبردات بضبط التحكم في درجة الحرارة لضمان ظروف تفاعل المواد الأولية بدقة. وأفادت مجلة «Semiconductor Engineering» العام الماضي بأن هذا النوع من التعاون أدى إلى خفض عيوب الرقائق بنسبة ١٨٪ عند عقدة الـ ٣ نانومتر. وتتواصل أنظمة التحكم في أدوات العمليات مع المبردات في الزمن الحقيقي، مما يضمن تشغيل جميع الأنظمة الثلاثة بشكل متزامن وباستخدام نفس بروتوكولات الاتصال، وهي SECS/GEM وModbus TCP.

تحقيق الكفاءة مع معالجة مشكلة التدفق العالي وانخفاض فرق درجة الحرارة

مع فرق درجة حرارة تشغيلية (ΔT) تبلغ ٢°فهرنهايت أو أقل، تتطلب منشآت تصنيع أشباه الموصلات تدفقًا للسائل المبرد يتجاوز ١٥٠ جالونًا في الدقيقة (GPM). ويمثِّل هذا التوليف من المتطلبات تحديًّا كبيرًا أمام الأنظمة التقليدية. وتتغلَّب مبرِّدات عمليات أشباه الموصلات على هذا التحدي باستخدام ما يلي:

- مضخات ذات سرعة متغيرة تحقِّق وتُحافظ على التدفق الطبقي (اللاّمي) بمعدلات تدفق للسائل المبرد تصل إلى ٢٠٠ جالونًا في الدقيقة (GPM).

- مبادلات حرارية ذات قنوات دقيقة تحقِّق وتُحافظ على كفاءة انتقال حراري تفوق كفاءة المبادلات الحرارية التقليدية بمرتين.

- خوارزميات تنبؤية تحدِّد وتنبّه مسبقًا بالتغيرات في الحمل الحراري الناجمة عن العمليات التي تتغيَّر بسرعة.

توفر هذه الطريقة فرقًا تشغيليًّا في درجة الحرارة لا يتجاوز ±٠٫١°م، وتخفض استهلاك الطاقة بنسبة ٣٥٪ مقارنةً بأنظمة السرعة الثابتة. وتُحسِّن مبرِّدات عمليات أشباه الموصلات توازن فرق درجة الحرارة/كتلة التدفُّق، ما يسمح للنظام بمنع إهدار الطاقة الناتج عن التبريد المفرط أثناء أوقات الخمول بكفاءةٍ عالية، وهي ميزةٌ بالغة الأهمية لتشغيل المصانع الإلكترونية (Fab) بشكل مستدام (ASME 2023).

الحفاظ على الدقة على المدى الطويل: المعايرة، والتشخيص، والتحكم التكيُّفي، والرصد الوقائي لتراكم الرواسب في مبادلات الحرارة ذات القنوات الدقيقة وانحدار التدفُّق.

تتطلب مبادلات الحرارة ذات القنوات الدقيقة تشخيصًا مستمرًا. فحتى تراكم الجسيمات الأصغر من ٥ ميكرون، رغم أنه يبدو غير ذي أهمية، يؤدي إلى انخفاض في كفاءة انتقال الحرارة بنسبة ١٢–١٨٪ سنويًّا، مما يؤثر مباشرةً على نسبة نجاح تصنيع الرقائق (Wafer Yield). أما الأنظمة الأكثر تقدمًا فهي تتضمن ثلاث ميزات إضافية: ١. أجهزة استشعار تدفق تعمل في الزمن الحقيقي (أجهزة استشعار لتراكم الملوثات) لكشف أي انخفاض في التدفق يتجاوز ٢٪ من الهبوط المتوقع في الضغط. ٢. أنظمة تحكُّم تكيفية تقوم تلقائيًّا بتعديل المعاملات لمواجهة المقاومة الحرارية الإضافية الناتجة عن الترسبات والملوثات. ٣. أنظمة حقن كيميائي آلي ( لأنظمة إزالة الملوثات) تكون نشطة كيميائيًّا نتيجةً للتوصيلية الكهربائية. وتساعد هذه الميزات في الحفاظ على التحكم التشغيلي ضمن نطاق ± ٠٫٠٥ °م، وتزيد من فترات الخدمة بنسبة ٤٠٪ مقارنةً بالجدول الزمني المتوقع للصيانة. ويتم معايرة أجهزة الاستشعار كل ثلاثة أشهر لإثبات الامتثال للمعيار الوطني الأمريكي للمقاييس (NIST) القابل للتتبع (المعيار التبريدّي)، كما استُخدم التعلُّم الآلي لنمذجة التنبؤ بالأعطال خلال نافذة زمنية مدتها ٧٢ ساعة.

الأسئلة الشائعة: لماذا يُعَدُّ التحكم في درجة الحرارة عاملًا بالغ الأهمية في تصنيع أشباه الموصلات؟

يُعَدُّ التحكم في درجة الحرارة عاملًا بالغ الأهمية في تصنيع أشباه الموصلات، لأن عملية التصنيع تتم على مقياس النانو، ما يؤدي إلى حدوث عيوب، وبالتالي خسارة في الربحية.

كيف تحقِّق مبرِّدات أشباه الموصلات هذا التحكم الدقيق في درجة الحرارة؟

لتحقيق هذا التحكم الدقيق في درجة الحرارة، تستخدم مبرِّدات عمليات أشباه الموصلات نظامًا مغلقًا للتحكم، وتسلسلًا من وحدات التبريد، وضواغط ذات محامل مغناطيسية.

لماذا تُستخدَم الضواغط ذات المحامل المغناطيسية في هذه الأنظمة؟

تقلِّل الضواغط ذات المحامل المغناطيسية من الاحتكاك، وتبقى نظيفة، وتسمح بتعديلات دقيقة في السرعة، وهي أمورٌ بالغة الأهمية لتوفير استقرار درجة الحرارة في الأنظمة وتعزيز كفاءة استهلاك الطاقة.