دور خراطيش الترشيح المطوية في أنظمة المياه فائقة النقاء لتصنيع أشباه الموصلات

الخلاصة

تلعب المياه فائقة النقاء (UPW) دورًا محوريًا في صناعة أشباه الموصلات، حيث يمكن أن تؤدي مستويات التلوث حتى دون الميكرون إلى فقدان المحصول أو تدهور الأداء أو فشل الجهاز بالكامل. ومع تقلص عقد تصنيع أشباه الموصلات إلى أقل من 5 نانومتر، ازداد الطلب على أنظمة معالجة المياه عالية النقاء وأكثر موثوقية. ومن بين حلول الترشيح الأكثر اعتمادًا على نطاق واسع خراطيش الترشيح المطوية التي تجمع بين المساحة السطحية العالية والاحتفاظ بالجسيمات الدقيقة وعمر الخدمة الطويل. تستكشف هذه الورقة البحثية دور خراطيش الترشيح المطوية في أنظمة المياه فائقة النقاء (UPW) لتصنيع أشباه الموصلات، وتحليل مبادئ تصميمها، ومعايير الأداء، والتكامل في قطارات تنقية المياه، والمساهمات في الحد من العيوب. كما تتم مناقشة التحديات والتوجهات المستقبلية، مع التركيز على ابتكارات المواد، وقدرات الترشيح النانوية، ومخاوف الاستدامة.

1. مقدمة

صناعة أشباه الموصلات هي واحدة من أكثر قطاعات التصنيع حساسية للتلوث في العالم. ويتطلب تصنيع الدوائر المتكاملة (ICs) والرقائق الدقيقة المتقدمة مياه فائقة النقاء (UPW) لتنظيف الرقائق، وعمليات الشطف، والتخفيف الكيميائي، والمعالجة السطحية النهائية. وفقًا لخارطة الطريق الدولية لتكنولوجيا أشباه الموصلات (ITRS)، فإن أكثر من قد يتم استهلاك 2,000 لتر من UPW لكل رقاقة 300 مم أثناء عمليات التصنيع المتقدمة. تؤثر جودة UPW تأثيراً مباشراً على كثافة العيوب على الرقائق، والتي بدورها تحدد الإنتاجية وكفاءة التكلفة.

ولضمان إنتاج موثوق للماء المستعمل، يتم استخدام نهج متعدد الحواجز، بما في ذلك التناضح العكسي (RO)، وراتنجات التبادل الأيوني، والأكسدة بالأشعة فوق البنفسجية (UV)، وإزالة الغازات، ومراحل الترشيح النهائية. ضمن مجموعة التنقية متعددة الخطوات هذه, خراطيش الفلتر المطوية يتم نشرها بشكل استراتيجي لإزالة الملوثات الجسيمية، والغرويات، والشظايا الميكروبية التي قد تتجاوز العمليات الأولية. إن كفاءتها العالية في الترشيح وعمرها الافتراضي الطويل وتوافقها مع الأنظمة عالية النقاء تجعلها لا غنى عنها.

تركز هذه الورقة البحثية على وجه التحديد على دور خراطيش المرشحات المطوية في أنظمة UPW لتصنيع أشباه الموصلات، وتقدم مراجعة شاملة لتصميمها ومبادئها التشغيلية وأدائها وتطوراتها المستقبلية.

2. الخلفية: المياه فائقة النقاء في تصنيع أشباه الموصلات

2.1 أهمية UPW

تختلف مياه UPW عن المياه المنقاة التقليدية من خلال طلبها فعليًا عدم وجود ملوثات يمكن اكتشافهابما في ذلك:

إجمالي الكربون العضوي (TOC) < 1 جزء في البليون
مقاومة قريبة من 18.2 ميكرومتر مكعب عند درجة حرارة 25 درجة مئوية
تركيز الجسيمات أقل من 1 جسيم/ملل عند حجم 0.05 ميكرومتر
بكتيريا < 1 CFU/100 مل من البكتيريا

يمكن أن يؤدي أي انحراف عن هذه المعايير إلى إدخال جسيمات أو مخلفات كيميائية غير مرغوب فيها على الرقائق، مما يتسبب في انخفاض الإنتاجية أو حدوث قصور في الدوائر الكهربائية أو تدهور الأداء في الأجهزة عالية الكثافة.

2.2 استخدام المياه في عمليات أشباه الموصلات

يتم استهلاك UPW في خطوات متعددة، بما في ذلك:

تنظيف الرقاقات: إزالة الجسيمات والمخلفات من الطباعة الحجرية والحفر.
الشطف: بعد المعالجات الكيميائية مثل تنظيف HF (حمض الهيدروفلوريك).
التخفيف الكيميائي: الخلط مع الأحماض أو القواعد أو الملاط لتركيزات مضبوطة.
الشطف النهائي: ضمان حيادية السطح قبل التعبئة والتغليف.

في كل مرحلة, الماء الخالي من الجسيمات ضروري. يمكن أن يؤدي جسيم واحد بحجم 50 نانومترًا إلى إتلاف بنية ترانزستور في جهاز ذي عقدة 7 نانومتر.

3. خراطيش الترشيح المطوية: التصميم والمبادئ

3.1 الهيكل والتكوين

خراطيش الفلتر المطوية هي أجهزة ترشيح عميقة مصممة مع غشاء مطوي أو وسط غير منسوجمما يزيد من مساحة السطح المتاحة دون زيادة الحجم الكلي للخرطوشة. هذا التصميم المطوي يعزز القدرة على الاحتفاظ بالأوساخ ويقلل من انخفاض الضغط مقارنة بمرشحات العمق الأسطوانية.

تشمل المكونات الرئيسية ما يلي:

وسائط الترشيح: عادةً ما تكون مصنوعة من البولي بروبلين (PP)، أو البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، أو فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) من أجل التوافق الكيميائي ومتطلبات التوافق الكيميائي والكارهة للماء/الماء.
طبقات الدعم: دعامات غير منسوجة لمنع الانهيار تحت الضغط.
الأغطية الطرفية والقلب: مصنوعة من البولي بروبلين أو الفولاذ المقاوم للصدأ، ومثبتة باللحام الحراري لضمان عدم تسرب أي مواد لاصقة إلى الماء.
آلية الختم: حلقات O-حلقات أو حشيات مصنوعة من EPDM أو السيليكون أو البيرفلوروإيلاستومر (FFKM) لضمان تكامل مانع للتسرب.

3.2 آليات الترشيح

تعمل الخراطيش المطوية من خلال الترشيح السطحيحيث يتم انسداد الجسيمات الأكبر من حجم المسام على السطح، و الترشيح العميقحيث يتم التقاط الجسيمات الأصغر داخل المسار المتعرج لوسائط الترشيح. في أنظمة UPW, فلاتر مطوية ذات تصنيف مطلق (عادةً ما يكون 0.1 ميكرومتر إلى 0.03 ميكرومتر) مفضلة على المرشحات ذات التصنيف الاسمي من أجل التكرار والموثوقية.

3.3 مزايا الخراطيش المطوية في أنظمة UPW

كفاءة استبقاء عالية للجسيمات دون الميكرونية والغروية.
عمر خدمة ممتد بسبب مساحة السطح الأكبر.
انخفاض المواد القابلة للاستخراج والتوافق الكيميائي مع UPW.
انخفاض الضغط المنخفضتقليل تكاليف الطاقة.
قدرات اختبار النزاهة (نقطة الفقاعة، اختبارات الانتشار).

4. الاندماج في أنظمة المياه فائقة النقاء

4.1 التنسيب في قطار UPW

تُستخدم خراطيش الفلتر المطوية بشكل عام في المراحل التالية:

ترشيح ما بعد الصيانة الدورية: لالتقاط الغرويات والجسيمات التي لا تتم إزالتها بواسطة أغشية التناضح العكسي.
مرحلة التلميع: المصب من راتنجات التبادل الأيوني لإزالة الراتنجات الدقيقة أو الشظايا الميكروبية.
الترشيح في نقطة الاستخدام (POU): في محطات تنظيف الرقاقة لضمان الإزالة التامة لأي جسيمات متبقية قبل ملامسة الرقاقة.

4.2 الترشيح عند نقطة الاستخدام في أدوات أشباه الموصلات

على مستوى تصنيع الرقاقات، غالبًا ما يتم تركيب الخراطيش المطوية داخل حلقات توزيع UPW وعند مداخل الأدوات. على سبيل المثال:

تتطلب أدوات الطباعة الحجرية مرشحات 0.05 ميكرومتر لحماية جودة مقاوم الضوء.
تعتمد المقاعد المبللة على مرشحات 0.1 ميكرومتر لخطوط التخفيف الكيميائي.
قد تستخدم محطات الشطف النهائي فلاتر مطوية دون 0.05 ميكرومتر لأعلى تحكم في الجسيمات.

4.3 دراسة حالة: تقليل عيوب الرقاقة

أفادت دراسة أجريت عام 2022 في تايوان أن استبدال مرشحات الأعماق التقليدية بـ خراطيش PTFE ذات الطيات 0.03 ميكرومتر في مواقع بوو خفض عدد جزيئات الرقاقة بنسبة 45% وتحسين العائد من خلال 8% في مصنع 5 نانومتر. وهذا يسلط الضوء على التأثير الاقتصادي والتقني لتحسين الترشيح.

5. تحليل أداء خراطيش الترشيح المطوية في أنظمة المياه فائقة النقاء

5.1 كفاءة الترشيح

يمكن للمرشحات المطوية ذات التصنيف المطلق تحقيق ما يلي احتباس 99.999% (قيمة الاختزال اللوغاريتمي، LRV > 5) للجسيمات التي تزيد عن حجم المسام المقدر لها. في أنظمة UPW، التصنيفات الأكثر شيوعًا هي 0.1 ميكرومتر و0.05 ميكرومتر و0.03 ميكرومتر، تم اختيار كل منها بناءً على متطلبات العملية.

5.2 اعتبارات انخفاض الضغط

تقلل الهندسة المطوية من انخفاض الضغط مقارنةً بمرشحات العمق. نموذجية خرطوشة مطوية 10 بوصة التعامل مع تدفقات 10-15 لتر/دقيقة مع انخفاض الضغط إلى ما دون 0.1 بار في الظروف الابتدائية.

5.3 عمر الخدمة ودورات الاستبدال

يعتمد عمر الخدمة على حمل الجسيمات وكفاءة العملية الأولية وتصميم النظام. في مصانع أشباه الموصلات، قد تدوم المرشحات المطوية 3-6 أشهر في مراحل التلميع و 1-3 أشهر في مواقع POU.

5.4 اختبار النزاهة

ولضمان الموثوقية، تخضع خراطيش الفلتر المطوية إلى ما يلي اختبارات نقطة الفقاعة أو اختبارات الانتشارالتأكد من حجم المسام والأداء الخالي من العيوب قبل التركيب.

6. التحديات في تطبيقات خرطوشة الفلتر المطوي

على الرغم من أن خراطيش المرشحات المطوية لا غنى عنها في أنظمة UPW، إلا أنه لا تزال هناك العديد من التحديات التقنية والتشغيلية.

6.1 التحكم في الجسيمات دون 0.05 ميكرومتر

مع تقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات إلى 3 نانومتر وما دونها، تستمر أحجام الجسيمات المثيرة للقلق في التقلص. تقترب خراطيش المرشح المطوية التقليدية، ذات أحجام المسام التي تبلغ حوالي 0.03 ميكرومتر، من الحد الأقصى لأدائها. تحقيق 0.01 ميكرومتر احتباس 0.01 ميكرومتر يمثل تحديًا تقنيًا متسقًا بسبب قيود التصنيع ومخاوف انخفاض الضغط وسعة التدفق المحدودة.

6.2 المواد القابلة للاستخراج والمرتشحة

على الرغم من الاختيار الدقيق للمواد، قد تظل الخراطيش المطوية تطلق مواد عضوية ضئيلة أو أنواع أيونية أو شظايا بوليمر. في أنظمة UPW، حتى مستويات الأجزاء من التريليون (جزء في التريليون) من التلوث يمكن أن يغير كيمياء سطح الرقاقة. يجب على المصنعين تحسين عمليات الإنتاج باستمرار لتقليل المواد القابلة للاستخراج.

6.3 مخاطر الحشف الحيوي

على الرغم من خلو مياه الصرف الصحي من الكائنات الحية الدقيقة بشكل عام، إلا أنه يمكن أن يحدث تكوّن الأغشية الحيوية الرقيقة في حلقات التوزيع. يمكن أن تؤوي المرشحات المطوية، إذا لم يتم استبدالها بانتظام، نمو الميكروبات. وهذا يمثل مخاطر على الأداء وتحديات للتحكم في التلوث.

6.4 التكاليف التشغيلية

على الرغم من أن الفلاتر المطوية تتمتع بعمر تشغيلي أطول من فلاتر العمق، إلا أن الاستبدال المتكرر لا يزال ضروريًا في نقطة الاستخدام (POU) المواقع. في المصانع كبيرة الحجم التي تستهلك آلاف الخراطيش سنويًا، يمكن أن تكون تكاليف الاستبدال والتخلص منها كبيرة.

6.5 قضايا التوحيد القياسي

قد تستخدم المصانع المختلفة تصنيفات ومواد وبروتوكولات اختبار مختلفة للمرشحات. عدم وجود التوحيد القياسي على مستوى الصناعة يعقد عملية المقارنة المعيارية ويجعل من الصعب وضع أفضل الممارسات العالمية.

7. التطورات المستقبلية في تكنولوجيا خرطوشة الفلتر المطوي

ولمواجهة التحديات المذكورة أعلاه، تدفع الجهود البحثية والصناعية الجارية إلى الابتكار في تصميم المرشحات المطوية والمواد المستخدمة في تصميمها.

7.1 الألياف النانوية وتقنيات الأغشية المتقدمة

دمج ألياف نانوية مغزولة كهربائياً في هياكل مطوية تسمح بتحسين احتباس الجسيمات دون 0.02 ميكرومتر دون التضحية بمعدل التدفق. أغشية مركبة متقدمة تجمع بين PTFE مع جسيمات نانوية غير عضوية قيد التطوير أيضًا لتعزيز القوة الميكانيكية وتقليل المواد القابلة للاستخراج.

7.2 نُهج الترشيح الهجين 7.2

قد تعتمد أنظمة الجيل التالي من أنظمة UPW خراطيش مطوية مزدوجة الطبقةالجمع بين الترشيح الدقيق والترشيح النانوي في وحدة واحدة. ويمكن لهذا النهج الهجين أن يلغي الحاجة إلى عدة علب مرشحات، مما يقلل من تعقيد النظام.

7.3 المراقبة الذكية والصيانة التنبؤية 7.3 المراقبة الذكية والصيانة التنبؤية

يتم استكشاف المستشعرات الرقمية المدمجة في علب المرشحات من أجل المراقبة في الوقت الحقيقي للضغط التفاضلي ومعدل التدفق وعدد الجسيمات. وبالاقتران مع النماذج التنبؤية القائمة على الذكاء الاصطناعي، يمكن للمصانع تحسين دورات استبدال المرشحات، مما يطيل عمر الخدمة ويقلل من وقت التوقف عن العمل.

7.4 تصميم المرشح المستدام

ونظراً للتركيز المتزايد على الاستدامة في سلسلة توريد أشباه الموصلات، تركز الأبحاث على مواد الترشيح القابلة لإعادة التدوير, خراطيش بلاستيكية مخفضة البلاستيكو تقنيات تجديد عالية الكفاءة. يستكشف المصنعون أيضًا برامج استرجاع الخراطيش المستهلكة.

7.5 توافق المعالجة القصوى 7.5

قد تتضمن عمليات أشباه الموصلات المستقبلية عمليات كيميائية جديدة، مثل ترسيب الطبقة الذرية (ALD) السوائل أو ملاط CMP المتقدم. ستكون خراطيش الترشيح المطوية ذات المقاومة المعززة للأس الهيدروجيني الشديد والمذيبات ودرجات الحرارة المرتفعة ضرورية.

8. اعتبارات الاستدامة

مع سعي شركات تصنيع أشباه الموصلات نحو أهداف التصنيع الأخضر، تخضع خراطيش الفلتر المطوية للتدقيق بسبب تأثيرها على البيئة.

8.1 توليد النفايات

تساهم كل خرطوشة مستهلكة في النفايات البلاستيكية. قد يتخلص المصنع الواحد من عشرات الآلاف من الخراطيش سنوياًمما يخلق مخاوف تتعلق بالبيئة والتكلفة على حد سواء.

8.2 كفاءة الطاقة

على الرغم من أن التصاميم المطوية تقلل من انخفاض الضغط، إلا أن الضخ المستمر لأحجام كبيرة من المياه المستعملة المستعملة لا يزال يستهلك طاقة كبيرة. يمكن للمرشحات ذات المقاومة المنخفضة أن تساهم في تحقيق أهداف استدامة التصنيع الشاملة.

8.3 إعادة التدوير والتجديد

البحوث جارية لتمكين التجديد الحراري أو الكيميائي للخراطيش ذات الطياتوإطالة العمر الافتراضي القابل للاستخدام. يقوم بعض الموردين بتجربة برامج إعادة التدوير التي تستعيد البولي بروبلين من الخراطيش المستهلكة لإعادة استخدامها في التطبيقات غير الحرجة.

8.4 تقييم دورة الحياة (LCA)

تُظهر تقييمات دورة حياة أنظمة الترشيح أن مراحل الإنتاج والتخلص منها من الخراطيش المطوية عن غالبية بصمتها البيئية. ويمكن لطرق الإنتاج الأكثر استدامة، مثل صب الأغشية الخالية من المذيبات، أن تخفف من هذه الآثار.

9. دراسات حالة وممارسات الصناعة

9.1 مبادرة إنتل للمياه فائقة النقاء

استثمرت شركة Intel بكثافة في تقنيات تنقية المياه، مع التركيز على الحد من عيوب الرقاقات المرتبطة بالجسيمات. من خلال تطبيق خراطيش PTFE ذات الطيات 0.03 ميكرومتر في محطات POU المتعددة، أبلغت شركة إنتل عن انخفاض كبير في عدد جسيمات الرقاقةمما يساهم في تحسين الإنتاجية في عقد المعالجة 7 نانومتر.

9.2 نهج التصنيع الأخضر الذي تتبعه شركة TSMC

تؤكد شركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات (TSMC) على كل من الأداء والاستدامة. وقد قامت الشركة بتجربة برامج إعادة تدوير الخراطيش وتتعاون مع الموردين في فلاتر مطوية منخفضة الاستخراج وقابلة لإعادة التدوير للتوافق مع أهداف الاستدامة المؤسسية.

9.3 سامسونج للإلكترونيات: تحديات التصنيع بكميات كبيرة

تواجه مصانع سامسونج ذات الحجم الكبير تحديًا مزدوجًا يتمثل في زيادة الإنتاجية والتحكم في التكاليف التشغيلية. لقد تم تحسين الخراطيش المطوية من أجل عمر خدمة ممتد، مما يقلل من تكرار الاستبدال بمقدار 20% مع الحفاظ على أهداف كثافة العيوب.

10. خاتمة

تُعد خراطيش الفلتر المطوية مكونًا أساسيًا من مكونات أنظمة المياه فائقة النقاء في تصنيع أشباه الموصلاتتلعب دورًا حيويًا في ضمان إمدادات المياه الخالية من الجسيمات والمستقرة كيميائيًا والموثوقة. ويتيح تصميمها الفريد، الذي يجمع بين المساحة السطحية العالية والاحتفاظ الدقيق، للمصانع تحقيق الحد من العيوب وتحسين الإنتاجية في العقد التكنولوجية الصارمة بشكل متزايد.

ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في معالجة التحكم في الجسيمات التي يقل حجمها عن 0.01 ميكرومتر، والمواد القابلة للاستخراج، والحشف الحيوي، والاستدامة البيئية. من المرجح أن يتضمن مستقبل خراطيش المرشحات المطوية ابتكارات في أغشية الألياف النانوية وأنظمة الترشيح الهجينة والمراقبة الذكية والمواد المستدامة.

ومع استمرار أجهزة أشباه الموصلات في التوسع، ستصبح موثوقية خراطيش المرشحات المطوية - وبالتالي فعالية خراطيش المرشحات المطوية - أكثر أهمية. ستشكل الجهود التعاونية بين مصنعي الفلاتر ومصانع أشباه الموصلات وخبراء الاستدامة الجيل القادم من تقنيات الترشيح بالليزر المطوي لأشباه الموصلات.

المراجع

خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات (ITRS). (2021). متطلبات تصنيع أشباه الموصلات.
هاتوري، ت. (2019). المياه فائقة النقاء لتصنيع أشباه الموصلات. مجلة الإلكترونيات الدقيقة، 45 (3)، 112-126.
شركة إنتل. (2022). استدامة المياه وممارسات الترشيح في تصنيع أشباه الموصلات. تقرير الشركة.
TSMC. (2021). الاستدامة وإدارة المياه في مصانع أشباه الموصلات. التقرير السنوي للمسؤولية الاجتماعية للشركات.
شركة بال كوربوريشن. (2020). خراطيش الترشيح المطوية عالية النقاء لأنظمة المياه فائقة النقاء. ورقة بيضاء تقنية.
شركة إنتجريس (2021). استراتيجيات التحكم في الجسيمات في تصنيع أشباه الموصلات. الدليل الفني.
Park, J., & Lee, S. (2020). التقدم في الترشيح الغشائي بالألياف النانوية للمياه فائقة النقاء. مجلة علوم الأغشية, 597, 117617.