نقش گازهای خنثی در تستهای صنعتی و تولید نیمههادیها
در بسیاری از فرایندهای صنعتی مدرن، انتخاب گاز مناسب برای آزمایش یا تولید به اندازه دقت دستگاهها اهمیت دارد. یکی از کاربردهای حیاتی گازها در صنعت، تست نشتی (Leak Detection) و تولید نیمههادیها (Semiconductors) است. در این دو حوزه، گاز ترکیبی هلیوم و نیتروژن (He + N₂) به عنوان یکی از بهترین گزینهها شناخته میشود. علت استفاده از این ترکیب را باید در ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی این دو گاز، ایمنی بالا، و عملکرد دقیق در شرایط خلأ و فشار جستوجو کرد.
گاز هلیوم با چگالی کم، تحرک زیاد و بیاثری شیمیایی، توانایی نفوذ در کوچکترین منافذ را دارد. نیتروژن نیز یک گاز بیاثر و ارزانتر است که بهعنوان گاز حامل یا بالانس در ترکیبهای گازی استفاده میشود. این دو گاز در کنار هم ترکیبی میسازند که هم کارایی تست نشتی را به حداکثر میرساند و هم در فرایندهای حساس تولید نیمههادیها، از آلودگی، واکنشهای ناخواسته و آسیب به تجهیزات جلوگیری میکند.
چرا هلیوم برای تست نشتی ایدهآل است؟
هلیوم (He) یکی از سبکترین گازهای موجود در طبیعت است که فقط هیدروژن از آن سبکتر است. اما بر خلاف هیدروژن، غیرقابل اشتعال و کاملاً ایمن است. همین ویژگی باعث شده که در تست نشتی که معمولاً با فشار بالا و در مجاورت مواد قابل احتراق انجام میشود، هلیوم به عنوان گاز استاندارد انتخاب شود.
در تستهای نشتی، هدف یافتن حفرهها و درزهای بسیار ریز در سیستمهای بسته است — از لولههای خلأ گرفته تا سیستمهای خنککننده یا تانکهای تحت فشار. برای این کار، گاز باید بتواند از کوچکترین منافذ عبور کند تا آشکارساز بتواند نشتی را شناسایی کند. از آنجا که اتمهای هلیوم بسیار کوچک و سبک هستند، نفوذ آنها سریع و گسترده است.
در کنار این مزیت، هلیوم هیچگونه واکنش شیمیایی با فلزات، پلیمرها یا پوششها ندارد و در نتیجه در حین آزمایش هیچ آسیبی به سیستم نمیزند. همچنین حضور طبیعی آن در هوا بسیار ناچیز (حدود ۵ ppm) است، بنابراین تشخیص آن توسط آشکارسازها با حساسیت بالا و بدون نویز پسزمینه امکانپذیر میشود.
چرا به جای هلیوم خالص از ترکیب He + N₂ استفاده میشود؟
اگرچه استفاده از هلیوم خالص در تست نشتی بیشترین حساسیت را فراهم میکند، اما به دلایل اقتصادی و فنی، در بسیاری از کاربردها از مخلوط گاز هلیوم و نیتروژن (He + N₂) استفاده میشود.
هلیوم گازی گران و کمیاب است و استخراج آن از منابع طبیعی هزینهبر است. در مقابل، نیتروژن ارزان، در دسترس و بیاثر است. بنابراین، با ترکیب درصدی از هلیوم (معمولاً بین 5 تا 10 درصد) در نیتروژن، میتوان هزینهها را به طور چشمگیری کاهش داد در حالیکه دقت تست هنوز در سطح قابل قبول باقی میماند.
این مخلوط برای بسیاری از کاربردهای صنعتی که نیاز به تشخیص نشتهای کوچک اما نه فوقالعاده ریز دارند، گزینهای ایدهآل محسوب میشود.
در ضمن، ترکیب He + N₂ فشار و دبی جریان را بهتر کنترل میکند، زیرا نیتروژن باعث افزایش پایداری جریان گاز در سیستمهای فشار بالا میشود. این ویژگی از آسیب به تجهیزات و سنسورها جلوگیری میکند و عملکرد دستگاه را در طول زمان یکنواخت نگه میدارد.
مکانیزم عملکرد گاز He + N₂ در دستگاه تست نشتی
در سیستمهای تست نشتی صنعتی، از دستگاههایی موسوم به Leak Detector استفاده میشود که بر پایه طیفسنجی جرمی یا آشکارسازهای هلیومی کار میکنند. در روش رایج، ابتدا محیط مورد آزمایش با گاز He + N₂ تحت فشار قرار میگیرد. اگر در سامانه نشتی وجود داشته باشد، مولکولهای هلیوم به سرعت از آن عبور کرده و توسط آشکارساز شناسایی میشوند.
در این ترکیب، نیتروژن تنها نقش حامل یا رقیقکننده را دارد. در نتیجه آشکارساز فقط به حضور هلیوم واکنش نشان میدهد. با کاهش غلظت هلیوم به حدود ۵٪ در نیتروژن، هنوز میزان گاز خروجی از منافذ برای آشکارسازی کافی است، اما خطرات ایمنی، هزینه گاز و مصرف منابع کاهش مییابد.
بهعلاوه، نیتروژن باعث میشود گاز ترکیبی رفتار پایدارتر و کنترلپذیرتری در فشارهای مختلف داشته باشد. این موضوع برای آزمایش سیستمهایی با فشار بالا یا حجم زیاد (مانند مخازن گاز، سیستمهای تبرید و خطوط انتقال) اهمیت حیاتی دارد.
کاربرد گاز He + N₂ در صنایع نیمههادی
در صنعت نیمههادی، کوچکترین ذره یا ناخالصی میتواند عملکرد تراشهها و مدارهای مجتمع را مختل کند. بنابراین، گازهایی که در این صنعت به کار میروند باید فوقالعاده تمیز، بیاثر و کنترلشده باشند. در این میان، ترکیب He + N₂ نقشی کلیدی در چند مرحله از فرایند تولید ایفا میکند.
در مرحله پاکسازی و تخلیه خطوط خلأ (Purge)، از این گاز برای حذف بخارات، رطوبت و باقیماندههای شیمیایی از سیستم استفاده میشود. هلیوم به دلیل سرعت نفوذ بالا، مولکولهای آلودگی را به سرعت جابهجا میکند و نیتروژن به عنوان گاز بالانس، جریان را پایدار نگه میدارد.
در فرایند تستهای Integrity یا Hermeticity در تراشهها، از گاز He + N₂ برای بررسی نشت در بستهبندی چیپها استفاده میشود. در اینجا مقدار اندکی از هلیوم در نیتروژن تزریق میشود، سپس بسته درون محفظه خلأ قرار میگیرد و با آشکارساز هلیوم میزان نفوذ بررسی میشود. این روش قادر است نشتیهای در حد 10⁻⁹ atm·cc/sec را شناسایی کند، که برای صنایع نیمههادی فوقالعاده حیاتی است.
مزایای فنی استفاده از He + N₂ نسبت به سایر گازها
در بسیاری از تستها، ممکن است از گازهای دیگری مانند هیدروژن، آرگون یا هوا استفاده شود. با این حال، هیچکدام از آنها ویژگیهای منحصربهفرد ترکیب هلیوم و نیتروژن را ندارند.
ایمنی بالا: هلیوم و نیتروژن هر دو بیاثر، غیرقابل اشتعال و غیرسمی هستند. در حالیکه هیدروژن خطر انفجار دارد و آرگون در فضاهای بسته میتواند باعث خفگی شود.
حساسیت بالا در آشکارسازی: دستگاههای طیفسنج جرمی قادر به شناسایی مقادیر بسیار ناچیز هلیوم هستند. چون در هوای محیط تقریباً وجود ندارد، خطای پسزمینه بسیار پایین است.
پایداری جریان: نیتروژن با فشار جزئی بالاتر از هلیوم در ترکیب، جریان گاز را یکنواختتر میکند و در نتیجه دقت اندازهگیری افزایش مییابد.
بهینهسازی اقتصادی: هلیوم گرانقیمت است و استفاده از آن بهصورت خالص مقرون بهصرفه نیست. ترکیب با نیتروژن هزینهها را کاهش میدهد و بهرهوری اقتصادی بالاتری فراهم میکند.
سازگاری با مواد و تجهیزات: برخلاف برخی گازهای دیگر، ترکیب He + N₂ باعث خوردگی، واکنش شیمیایی یا آلودگی سطحی در سیستمهای فلزی یا پلیمری نمیشود.
اهمیت خلوص گاز در ترکیب He + N₂
کیفیت و دقت تست نشتی یا فرایندهای نیمههادی به شدت به درجه خلوص گاز ترکیبی وابسته است. هرگونه آلودگی، رطوبت یا وجود گازهای واکنشپذیر میتواند منجر به نتایج نادرست در تست یا آسیب به تجهیزات شود.
در تستهای دقیق، از مخلوطهایی با خلوص بیش از 99.999% (Grade 5.0) استفاده میشود. در صنایع نیمههادی حتی خلوص بالاتر از 6.0 مورد نیاز است. برای دستیابی به چنین دقتی، تولیدکنندگان از روشهای تزریق دقیق و آنالیز گاز با دستگاههایی مانند کروماتوگرافی گازی (GC) و طیفسنج جرمی استفاده میکنند.
همچنین برای اطمینان از یکنواختی ترکیب، از سیلندرهای مخصوص گازهای میکس و سیستمهای پرچ وکیوم استفاده میشود تا هیچ هوای اضافی در مخلوط باقی نماند. در کارخانههای معتبر تولید گاز، مانند مراکز دارای گواهینامه ISO 17025، آزمونهای تکرارشونده برای کنترل عدم قطعیت ترکیب در محدوده کمتر از ۲ درصد انجام میشود تا دقت نهایی گاز تضمین شود.
نقش دمای پایین و فشار بالا در عملکرد گاز He + N₂
یکی از دلایل کارایی بالای این ترکیب در تستهای صنعتی، پایداری رفتار فیزیکی آن در گستره وسیع دما و فشار است.
در فشارهای بالا، نیتروژن به تثبیت رفتار جریان کمک میکند و مانع از تغییر چگالی ناگهانی هلیوم میشود. از سوی دیگر، در دماهای پایین، هر دو گاز ویژگیهای فیزیکی مشابهی دارند و به راحتی متراکم نمیشوند. این ویژگی سبب میشود عملکرد دستگاههای تست نشتی حتی در شرایط محیطی سخت، مانند صنایع کرایوژنیک یا تجهیزات هوافضا، قابل اعتماد باشد
استفاده از گاز He + N₂ در فرایندهای تمیزکاری و خنککاری نیمههادیها
بهجز تست نشتی، ترکیب هلیوم و نیتروژن در خطوط تولید تراشهها به عنوان گاز خنککننده و تمیزکننده (Cooling & Purging Gas) استفاده میشود. در سیستمهای پلاسما، لایهنشانی و اچینگ (Etching)، دما و واکنشها باید دقیقاً کنترل شوند. هلیوم با رسانایی حرارتی بالا به انتقال حرارت کمک میکند و نیتروژن با خاصیت بیاثری از واکنش ناخواسته با سطح سیلیکون جلوگیری میکند.
در برخی از تجهیزات، از جریان He + N₂ برای پاکسازی محفظههای واکنش استفاده میشود تا ذرات یا بخارات باقیمانده از فرایند قبلی حذف شود. این امر برای حفظ یکنواختی کیفیت ویفرها حیاتی است.
بدون دیدگاه