لماذا يعتبر مبرد أشباه الموصلات عالي الدقة ضروريًا للتصنيع المتقدم؟

تؤدي عدم الاستقرار الحراري مباشرةً إلى انخفاض العائد عند العُقد الأصغر من ٥ نانومتر

انخفاض العائد وفقًا للبيانات التجريبية: انحراف حراري بمقدار ±٠٫٣ °م يؤدي إلى زيادة في العيوب بنسبة ١٢–١٨٪ أثناء تصوير الليثوغرافيا بالأشعة فوق البنفسجية الممتدة (EUV)

عند العُقد أصغر من ٥ نانومتر في عمليات التصوير الليثوغرافي بالأشعة فوق البنفسجية الممتدة (EUV)، تزداد العيوب بنسبة ١٢–١٨٪ (حسب مجلة هندسة أشباه الموصلات لعام ٢٠٢٣) نتيجة التقلبات الحرارية بمقدار ±٠٫٣ °م. وتؤدي هذه التقلبات إلى تغيّر معامل الانكسار للعدسات وانحراف موضع القناع، ما يُغيّر الخصائص النانومترية. وعند المستويات الحرجة، يكفي انحراف بحجم نانومتر واحد لتدمير رقائق كاملة.

يؤدي الخطأ الحراري في التراكب (Overlay) إلى عدم استقرار يتجاوز ±٠٫١°م، مما يُضعف دقة المحاذاة بمقدار ٣٫٧ نانومتر لكل رقاقة

يمكن أن يتدهور محاذاة الرقائق بنسبة 3.7 نانومتر لكل طبقة نتيجة تقلبات درجة الحرارة بمقدار ±٠٫١°م. ويتخطى هذا التحمل المسموح به البالغ ٢٫١ نانومتر لعقدة التصنيع ذات الـ٣ نانومتر. ويؤدي فقدان الدقة إلى ظهور عدة مشكلات تتعلق بالوصلات الكهربائية، وتسرب التيار عبر بوابات الترانزستورات، والدوائر القصيرة في الرقائق المعقدة متعددة الأنماط. وتتكبَّد المصانع (Fab) التي تفتقر إلى التحكم الحراري الكافي خسائر يومية تبلغ ٧٤٠٬٠٠٠ دولار أمريكي بسبب المنتجات المرفوضة، وفقًا لبحث أجرته شركة بونيمون العام الماضي. ويمكن لمبرِّدات أشباه الموصلات عالية الدقة منع هذه الخسائر. فهذه المبرِّدات تُحكِم التحكم في التغيرات الحرارية في المناطق التصنيعية التي تتضمَّن عمليات حساسة.

كيف تحقِّق مبرِّدات أشباه الموصلات عالية الدقة استقرارًا دون ٠٫١°م

تحكم ميكروسيالي مغلق الحلقة مع تحكُّم تناسبي-تكاملي-اشتقاقي ثنائي المرحلة والتحكم التنبُّئي القائم على النموذج

تُحافظ مبردات أشباه الموصلات عالية الدقة الحديثة على درجة حرارة ثابتة باستخدام نظام ميكروسيالي مغلق للتحكم النشط في درجة الحرارة. وتستخدم هذه المبردات وحدات تحكم من نوع PID ذات مرحلتين، التي تُكيّف التبريد وفقًا للقياسات التي تأخذها أجهزة الاستشعار الموزَّعة على طول دائرة التبريد بالكامل. ويشرف أحد وحدتي التحكم على فروق درجات الحرارة الكبيرة، بينما تقوم الأخرى بضبط دقيق ضمن نطاق ± ٠٫٠١ درجة مئوية. ويضمن هذا المستوى من التحكم استقرار النظام ضمن مدى ± ٠٫١ درجة مئوية بغض النظر عن التغيرات المفاجئة في عبء العمل، كما يحمي النظام من التآكل المبكر.

وباستخدام معلومات العملية السابقة، تعمل خوارزميات التنبؤ بالنموذج بالتعاون مع الأنظمة الأخرى لتقدير كيفية تقلُّب الأحمال الحرارية. وقبل ظهور أية مشكلات، تقوم هذه الأنظمة الذكية بتغيير سرعات الضواغط ومعدلات التدفق. أما بالنسبة لطرق التحكم المدمجة، فعندما تتغير إمدادات الطاقة بشكل متقطع وغير منتظم، فإنها تقلل من شدة طرق التحكم الحراري بنسبة تصل إلى ٦٧٪ مقارنةً بأساليب التحكم التقليدية. ويقوم النظام باستمرارٍ بتحسين مئات التعديلات الدقيقة كل ثانية عبر ضواغط التيار المستمر المتغيرة السرعة والمضخات ذات السرعة المتغيرة. وفي طليعة التصنيع الحديث، يمكن للتحكم شبه الكامل أن يلغي أكثر من ٩٥٪ من المشكلات الحرارية التي تؤدي إلى عدم انتظام مواقع العقدة البالغة ٣ نانومتر، كما أُثبت ذلك في التطبيقات الواقعية. أما لمطوري أشباه الموصلات، فإن انخفاض الهامش المسموح به يؤدي إلى زيادة الفرق الملحوظ.

الأثر في العالم الواقعي: إن دمج مبردات أشباه الموصلات عالية الدقة يزيد من معدل الإنتاج ووقت التشغيل الفعلي.

خط سامسونج لتقنية الترانزستورات ذات البنية المحيطية (GAA) بحجم 3 نانومتر: تم تقليل زمن استعادة درجة الحرارة إلى ٣٫١ ثانية، ما أدى إلى زيادة في الإنتاجية بنسبة ٢٢٪.

يواصل مصنع رئيسي لأشباه الموصلات التأثيرَ الكبيرَ على مرافق التصنيع (المصانع) القادمة المُعتمدة على تقنية البوابة المحيطة بالترانزستور (GAA) بحجم 3 نانومتر، وذلك من خلال إدخال وحدات تبريد متطوّرة جدًّا مُصمَّمة لتبريد الرقائق السيليكونية. وأبرز ما تم تحقيقه في هذا الصدد هو خفض زمن استعادة التوازن الحراري من ٤٢ ثانية إلى ما يزيد قليلًا عن ٣ ثوانٍ. ومن الناحية العملية، يعني ذلك أن المرفق قادرٌ الآن على معالجة ٥٠٠ رقاقة سيليكونية إضافية يوميًّا. وقد أدى ذلك أيضًا إلى زيادةٍ تبلغ نحو ٢٢٪ في طاقة الإنتاج للخط الإنتاجي الفائق الحداثة، وهو ما تم التحقق منه عبر العديد من دورات الإنتاج. كما استفاد خط التصوير الضوئي (الليثوغرافيا) من هذه المنظومة المتقدمة للتبريد، حيث ساعدت في الحفاظ على درجة حرارة التصوير الضوئي ضمن الحدود المطلوبة، مما منع تكوّن الطوابير في عمليات التصوير أثناء التبديل السريع للقوالب (Reticles)، وكفل عدم حدوث ارتفاعات مفاجئة في درجات الحرارة بين مختلف مراحل عملية التصنيع.

منصة Applied Materials Endura: استقرار ±٠٫٠٥°م يوقف إعادة مؤهلة الغرفة المُحفَّزة حراريًّا

أظهرت أبحاث شركة SEMATECH التي أُجريت في عام 2023 أن أنظمة الترسيب المقدَّمة من مصنِّع المعدات يمكنها الاعتماد على التحكم الحراري الدقيق لتوفير استقرار سائل بانحراف لا يتجاوز ±٠٫٠٥°م. وهذا يكاد يلغي الانجراف الحراري تمامًا. وما الفوائد المترتبة على ذلك؟ يتعرَّض كل جهاز لساعات صيانة غير متوقَّعة أقل بنحو ١٧ ساعة شهريًّا، ما يُرْجِع إلى إنتاج نحو ٣٨٠ رقاقة إضافية سنويًّا. كما أدَّى الحفاظ على استقرار السائل في أنظمة الترسيب إلى خفض تجمُّع العيوب أثناء معالجة الدورات الحرارية، حيث تُسخَّن المواد وتُبرَّد بمعدلات مختلفة. وقد أثَّرت هذه التحسينات إيجابيًّا أيضًا على عمليات البوابات المعدنية عالية الثابت العزل (high-κ)، فزادت متوسط الفترة الزمنية بين أعطال المعدات بنسبة تقارب ٤١٪.

المتطلب الصناعي: الاستقرار الحراري من درجة نظافة غرف النظافة (Cleanroom) هو شرط أساسي

يتطلَّب تحديث مواصفة SEMI F47-0724 استقرار المبرِّدات ضمن مدى ±٠٫١ درجة مئوية لتصنيع المنطق دون ٢ نانومتر وذاكرة HBM3.

المبردات التي تحافظ على درجة الحرارة ضمن مدى ±٠٫١ درجة مئوية تُستخدم في تصنيع رقائق المنطق دون ٢ نانومتر وهياكل الذاكرة عالية السعة (HBM3)، وهي تتوافق مع أحدث معايير F47-0724. فما الغرض من ذلك؟ لقد عرفت المصانع التصنيعية (Fabs) منذ زمنٍ بعيد أن أي تغير طفيف في درجة الحرارة، حتى لو كان أقل من ٠٫١ درجة مئوية، يؤدي إلى أخطاء في الأبعاد تصل إلى ٠٫٣ نانومتر، ما يُسبِّب مجموعةً متنوعةً من المشكلات داخل هياكل المكدسات الذاكرية المعقدة هذه. ومع تزايد عدد طبقات الذاكرة بشكل شبه غير محدود، أصبحت المبردات عالية الدقة الآن عاملاً حاسماً في التصنيع المتقدم، كما اختفت الغالبية العظمى من مشكلات التراكب (Overlay) التي كانت تتطلب في السابق إعادة مؤهلة كاملة لأجهزة التصنيع (Chambers) بسبب الانزياحات الحرارية. وفي واقع عمليات التصنيع، تشير البيانات إلى أن نسبة العيوب لا تتجاوز ١٨٪ إذا حقَّق العميل هدف الاستقرار الحراري ضمن مدى ±٠٫١ درجة مئوية. وبات التحكم الحراري في غرف النظافة (Cleanrooms) اليوم أمراً جوهرياً بنفس قدر التحكم في الجسيمات العالقة.

الأسئلة الشائعة

ما أهمية الاستقرار الحراري في تصنيع أشباه الموصلات؟ يكمن أهمية الاستقرار الحراري في كون التغيرات الصغيرة جدًّا في درجة الحرارة قادرةً على التسبب في عيوبٍ كبيرة، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة النواتج السليمة وزيادة تكاليف التصنيع.

ما أهمية أجهزة التبريد عالية الدقة في الحفاظ على الاستقرار الحراري؟

تحافظ أجهزة التبريد عالية الدقة على الاستقرار الحراري من خلال إزالة التقلبات المزعجة في درجة الحرارة داخل بيئة التصنيع، وذلك لتمكين تصنيع الرقائق ضمن أضيق الهوامش المسموح بها من حيث التحمل.

ما الفوائد التي تكتسبها مصانع التصنيع من امتلاك أنظمة تحكم حراري متقدمة؟

توفر أنظمة التحكم الحراري المتقدمة لمصانع التصنيع انخفاضًا في زمن استعادة الاستقرار الحراري، وزيادةً في معدل الإنتاج، وتحسينًا في جودة المنتجات من خلال الحفاظ على محاذاة رقائق أشباه الموصلات وتقليل العيوب فيها.