בקרה אלקטרוסטטית בתהליכי ייצור בחדרים נקיים

מאת נורית הורטיק–נגבי*

מטענים סטטיים: מדוע הם מהווים בעיה?

בקרת מטענים אלקטרוסטטיים בתהליכי ייצור של חדרים נקיים היא קריטית, היות שהיא עשויה להיות משמעותית ובעלת השפעה על תפוקת הייצור והמכשור.

בעיות חמורות נובעות כתוצאה מהגורמים הבאים:

* נזק למוצר, לרכיבים או למכשיר המעורבים בתהליך בגלל פריקה אלקטרוסטטית (ESD)

* זיהום משטחים בגלל משיכה אלקטרוסטטית ESA של חלקיקים.

* טראומות לציוד שנגרמו מפריקה אלקטרוסטטית וגורמות להפרעה אלקטרומגנטית (EMI).

רבים מהתהליכים לייצור מוצרים בתעשיות המוליכים למחצה, צגים שטוחים, כונני דיסקים ותעשיות למכשור רפואי מחייבים שימוש בחומרים שאינם מוליכים ומבודדים. חומרים אלו מחוללים ושומרים על פוטנציאל גדול של מטענים. בנוסף, חומרים וציוד תהליך תורמים אף הם להימצאותו של מטען סטטי על פרוסות סיליקון, מצעי זכוכית, מדיה מגנטית וראשים מגנטיים המיוצרים בתעשיות הללו.

פרוסות סיליקון וציוד בדיקה לצגים שטוחים (FPD) אשר הפכו לטעונים כתוצאה מטיפול בהם ושינועם, פועלים כמגנט למזהמים הנעים באוויר ואשר יכולים בקלות להשפיע על תפוקה של תהליכים קריטיים, כגון: פוטו-ליטוגרפיה, ציפוי וצריבה. נדרשת מערכת ינון מהימנה כדי לשמור את המטען הסטטי ברמה נמוכה, כך שמזהמים לא יימשכו למשטחים רגישים בזמן תהליכי הרכבה וייצור קריטיים כאלה.

הארקה, באמצעות פריטים דוגמת רצועות יד ורגל, מהווה את קו ההגנה הראשון בבקרת מטען סטטי ופיזורו במהירות. אולם, במקרים רבים הארקה אינה מעשית או שאינה אפשרית.

אוויר מיונן יכול לגשר על הפער שבין חפצים טעונים לפוטנציאל אדמה. "אוויר מוליך" מאפשר לאלקטרון לנוע מאובייקט טעון או אליו ויוצר חוסר איזון בכמות החשמל. מבודד טעון יכול להישאר טעון למשך שעות רבות. מטענים בעלי קוטביות הפוכה יכולים להתקיים בו בזמן על המטען אף הם. המטענים לא ינדדו על המבודדים. מבודדי הארקה לא יפרקו וגם לא ימנעו את מטעני המשטח.

יינון אוויר

יינון אוויר משלים כל תכנית אשר בכוונתה לחסל כל מקור של מטען אלקטרוסטטי. באזורים רבים, דוגמת חדרים נקיים או חופות ותאים למינאריים, יינון אוויר הוא השיטה המעשית ביותר בבקרה סטטית. מערכת יינון חדר טיפוסית מסוגלת לפרוק 1000 וולטים בפחות מדקה. מחקרים הוכיחו כי יינון חדר מפחית את ספירת החלקיקים ב- 50% עד 90%. יינון אוויר יכול להעלות את אורך חייו של הציוד ולצמצם בעלויות תיקון מכשירים עד ל- 50%.

המייננים מאפשרים למולקולות שבאוויר לשאת מטען. ביכולתן של מולקולות אוויר טעונות אלו לנטרל מטען אלקטרוסטטי הן במבודדים והן במוליכים. ביכולתו של מיינן האוויר לנטרל את המטען היות שהוא מייצר נשאי מטען ניידים חיוביים ושליליים. שני מנגנונים מאפשרים ליונים הללו לנטרל מטען, הולכה והמרה. נטרול מטען באמצעות יוני אוויר תלוי במספר האינטראקציות המורכבות. יונים נעים על-ידי כוח אלקטרוסטטי ונעזרים לרוב בזרימת האוויר לכיוון אובייקט המטרה או המשטח.

למיינני האוויר יתרונות רבים לרבות בקרת זיהום חלקיקים, הגנה על מכשור רגיש לפריקה אלקטרוסטטית וצמצום עיכובים בציוד התהליך.

טכנולוגיית קורונה המבוססת על חשמל היא שיטה רווחת ליצירת יונים לבקרת מטען סטטי. בשיטה זו מייננים חשמליים יוצרים יונים על ידי ריכוז שדה חשמלי על נקודה באימטר.

מיינני AC מייצרים יונים חיוביים ושליליים באמצעות הפצת גל של זרם חילופין בעל מתח גבוה בתדר הקו. אימטר אחד יכול לשמש לייצור יונים;  כל אימטר מפיק יונים חיוביים ושליליים. זוהי תכונה ייחודית לטכנולוגיית ה- AC ומאפיין המגדיר אותה. יתרונו של הזרם הישיר הוא בחלקו התוצאה של היכולת להפיק יונים דו-קוטביים מפולט אחד. ביכולתן של מערכות AC להתמקם קרוב יותר לאובייקטים מאשר מערכות DC, היות שכל אימטר הוא דו-קוטבי והזמן והמרחק בין קוטביות היון הם קצרים. היציבות  משתפרת, משום שכל אימטר כפוף באופן אחיד למאפיינים של דפוסי השחיקה השונים של אלקטרודות אימטר חיוביות ושליליות. המחזוריות המהירה של תדר זרם החילופין מפחיתה את ההצטברות של מזהמים באימטר, אשר תוקפים משטחי אלקטרודות. טכנולוגיית ה- AC מאפשרת ביצוע מאוזן ויציב.

הזמנים המהירים של מחזור ה-AC יוצרים זרם קבוע כמעט של יונים דו-קוטביים. מרווח הזמן הקצר עוזר להבטיח נטרול מהיר ומושלם של מטענים. במערכות AC אובדן של אימטר יחיד משפיע מעט מאוד על הביצוע הכולל של המערכת, ולא יביא למצב של חוסר איזון יונים במערכת.

מיינני DC בזרם קבוע (SSDC) מייצרים יונים דו-קוטביים באמצעות ספקי כוח עצמאיים בלתי תלויים חיוביים ושליליים המחוברים לפולטים ייעודיים. מערכות SSDC דורשות שני אימטרים לפחות ליצירת יונים דו-קוטביים. ספקי הכוח החיוביים וכן השליליים פועלים ברציפות ומייצרים יונים בכל אימטר. ינון בשיטת SSDC יוצר זרם יונים גבוה מאוד, היות שהוא מפיק יונים משני הקטבים ללא הפוגה. מערכות מתוכננות היטב ורווח אימטרים יובילו לטעינת מרחב מזערית ולמתח היסט נמוך. איחוד היונים הדו-קוטביים יופחת באמצעות בקרת המרחק בין האימטרים החיוביים לשליליים. מיתוג ON/OFF של ספקי כוח של זרם ישיר עלולים באופן מקרי להוביל ל"רעש" (הפרעות תדר-רדיו והפרעות אלקטרומגנטיות (RFI-IEMI), אשר עלול להשפיע על המעגלים האלקטרוניים ולגרום לעיכובים בתהליך. מערכות DC בערך קבוע מונעות אפשרות כזו. מערכות SSDC הן חלופה מועדפת ביישומים של מערכות חדר הדורשות מתח היסט נמוך.

ה- DC PLUSE הוא הפיתוח החדש באופני ההפעלה של יינון קורונה. הוא מורכב יותר ובעל דרישות רבות יותר באשר להפעלתו. כמו ב-SSDC, ספקי כוח חיוביים ושליליים התלויים זה בזה מחוברים לאימטרים ייעודיים כדי ליצור יונים דו-קוטביים. במקרה זה, תנודת גל ריבועי של ספקי הכוח העצמאיים נמצאת בשימוש, קצב הזרם הוא איטי יותר מאשר בזרם חילופין והביצוע זהה לזה שב-SSDC כאשר התדר מגיע ל- z H 10.

תדירות הזרם משפיעה על האיזון ועל תפוקת היונים הכוללת. נעשה שימוש בזמני זרם ארוכים יותר, כאשר המרחק בין הפולט לבין אובייקט המטרה גדל. משך זרם ארוך יותר שימושי אף הוא, כאשר מהירות האוויר בסביבה פוחתת. היתרון העיקרי בפעימות יונים שליליים וחיוביים הוא יצירת מספר מרבי של יונים זמינים לסילוק מטען אלקטרוסטטי. הטכנולוגיה מאפשרת הפרדת יונים דו-קוטביים בזמן המתאים. ההפרדה מפחיתה את הסיכוי שיונים חיוביים ושליליים יתאחדו בטרם יגיעו למטרה הרצויה. ה-DC PLUSE מאפשר יינון יעיל של האוויר בחדרים.

מטענים סטטיים נמצאים בשלבים רבים של תהליך ייצור של המוליכים למחצה – ייצור, אריזה ובדיקה של פרוסות סיליקון. בדיקת מטען סטטית חיונית, היות שלפריקה האלקטרוסטטית יש השפעה משמעותית על תפוקות המכשיר. פגמים הנגרמים בשל משיכה אלקטרו סטטית של גופים זרים ובשל חשמל סטטי עלולים להגדיל אבדן ונזק בתפוקת הייצור.

תקני בקרת זיהום מחמירים לייצור צגים שטוחים דורשים שימוש במערכות יינון לסביבות קטנות או לחדרים שלמים, כדי לבודד מוצרים רגישים מזיהום חלקיקים בזמן הייצור.

ראשי MR רגישים ניזוקים או נהרסים בקלות בשל מקרי ESD. המייננים העיליים והשולחניים מנטרלים במהירות מטענים אלקטרוסטטיים מזיקים בזכות ביצוע מאוזן ויציב, ומגינים על מכלולי כוננים קריטיים ועל תהליכי הייצור.

פריקה אלקטרוסטטית עלולה לגרום נזק חמור לרכיבים ומכלולים אלקטרוניים רגישים. מיינני AEROSTAT   מגינים על תהליכי ייצור כגון: ייצור והרכבת לוחות מעגלים מודפסים (PCB), טכנולוגיותSURFACE MOUNT ׁ(SMT), תכנות מכשירים וייצור ובדיקה של מכשור רפואי.

כל מערכות יינון הקורונה גורמות במשך הזמן להיווצרות משקעי חומרים על קצות האימטר (פולט). ניקיון תקופתי של הפולטים תורם רבות לביצוע האפקטיבי של המערכת ולאריכות חייה. תכיפות השירות תלויה בכמה גורמים, לרבות רמת הניקיון והלחות היחסית של סביבת ההפעלה. דרישות ביצוע של המערכות והתהליכים מובאים בחשבון כאשר ממליצים על זמני התחזוקה והכיול.

מומלץ לבצע ניקיון ראשוני והערכה לאחר 90 יום. תכיפות ניקיון האימטר תיקבע לאחר בחינה והתבוננות. הניקוי אינו פוגע באימטרים. ניקוי סדיר של האימטרים מסיר משקעי חומרים אשר עלולים להקטין את אורך חייו של האימטר ולהשפיע על ביצועי המערכת.

בנוגע לכיול המערכת יש לנתח את משתני ההפעלה של מיינן, סביבת ההפעלה שלה וכל התאמה וכיוונן שיידרשו להפעלה נכונה. שירות זה מתבצע לאחר שתחזוקת האימטרים וניקיונם הושלמו.

בדיקות ביצוע סטנדרטיות כוללות זמן פריקה ומתח היסט. המערכות יוערכו בהתאם לשיטת בדיקת התקן ליינון של אגודת ה-ESD (1-2000  ESD STM3 ). 

* סמנכ"ל קבוצת סטטיטק, נציגת SIMCO  בישראל