EN
การควบคุมความชื้นให้อยู่ในระดับ ±1% RH อย่างแม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เพราะแม้แต่การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้ซิลิคอนบิดงอหรือก่อปัญหาในกระบวนการลิโธกราฟีที่ละเอียดอ่อนได้ ตัวอย่างเช่น โรงงาน Fab 18 ของ TSMC ซึ่งใช้ผลิตชิปขั้นสูงขนาด 3 นาโนเมตร ระบบควบคุมการควบแน่นของพวกเขาทำงานหนัก โดยดูดความชื้นออกถึง 4,200 ลิตรทุกชั่วโมง เพื่อรักษาระดับความชื้นสัมพัทธ์ให้คงที่ที่ 45% เพื่อจัดการกับประจุไฟฟ้าสถิตที่อาจทำลายอุปกรณ์ จึงมีการใช้ผนังอากาศไอออนิซึ่งติดตั้งทั่วทั้งโรงงาน ระบบนี้ช่วยลดระดับไฟฟ้าสถิตให้ต่ำกว่า 10 โวลต์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากเมื่อจัดการเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ที่ไวต่อความเสียหาย และยังมีเครื่องกรองสารเคมีหลายขั้นตอนที่ใช้จัดการก๊าซที่ปล่อยออกมาจากโฟโตเรซิสต์ โดยการลดการปล่อยมลพิษให้ต่ำกว่า 1 ส่วนในพันล้านส่วน เครื่องกรองเหล่านี้ช่วยป้องกันการสูญเสียผลผลิตที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการทำงานของลิโธกราฟีรังสีอัลตราไวโอเลตขั้นสูง (EUV)
โรงงาน D1X แห่งใหม่ของ Intel มีติดตั้งตัวกรอง ULPA ประมาณ 1,200 ตัว ซึ่งสามารถจับอนุภาคขนาดเล็กได้ถึง 0.12 ไมครอน โดยมีประสิทธิภาพสูงถึง 99.9995% ทั่วทั้งพื้นที่ห้องสะอาดตามมาตรฐาน ISO 3 นอกจากนี้ยังใช้ระบบการไหลเวียนของอากาศแบบพิเศษที่หมุนเวียนอากาศระหว่าง 500 ถึง 750 รอบต่อชั่วโมง ซึ่งเร็วกว่าห้องสะอาดในอุตสาหกรรมยาทั่วไปถึงห้าเท่า ช่วยขจัดสารปนเปื้อนแอมีนที่เกิดจากอุปกรณ์ EUV ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตามรายงานล่าสุดจากผู้เชี่ยวชาญด้านการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การใช้ระบบกรองขั้นสูงนี้ช่วยลดข้อบกพร่องที่เกิดจากอนุภาคลงได้ประมาณ 83% เมื่อเทียบกับระบบเก่าที่ยังคงใช้งานอยู่ในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน
โรงงานผลิตขั้นสูงติดตั้งเซ็นเซอร์ไร้สายมากกว่า 2,000 ตัว เพื่อติดตามพารามิเตอร์สำคัญอย่างต่อเนื่อง:
| พารามิเตอร์ | เกณฑ์ | ความถี่ในการวัด |
|---|---|---|
| อนุภาค ≥0.1μm | <0.5/ซม.³ (ISO 3) | ทุก 6 วินาที |
| การสั่นสะเทือน | <2 ไมโครเมตร/วินาที² | ต่อเนื่อง |
| ความแตกต่างของแรงดัน | +15 เป่า อย่างน้อย | ทุก 30 วินาที |
ข้อมูลการตรวจสอบจากระยะไกลแบบเรียลไทม์นี้ช่วยให้สามารถปรับระบบควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น และการไหลเวียนของอากาศได้ภายใน 0.8 วินาทีหลังจากเกิดความเบี่ยงเบน ซึ่งช่วยสนับสนุนอัตราผลผลิตที่สูงกว่า 98.5% ในการผลิตชิปที่ขนาด 5 นาโนเมตร โดยระบบอัตโนมัติสามารถตอบสนองได้เร็วกว่าการแทรกแซงด้วยมือ และรักษาความเสถียรภาพในการดำเนินงานที่มีปริมาณสูง
ห้องสะอาดที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 14644-1 อย่างเข้มงวด ซึ่งมีระดับตั้งแต่ Class 4 ถึง 8 หมายความว่าควบคุมอนุภาคในอากาศได้ระหว่างประมาณ 352 ถึง 35,200 อนุภาค ที่มีขนาด 0.5 ไมครอนหรือใหญ่กว่านั้นต่อลูกบาศก์เมตร ข้อกำหนดเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความไวของกระบวนการผลิตเป็นอย่างมาก เมื่อเทียบกับสิ่งที่พบในโรงงานยาที่ทำงานภายใต้มาตรฐาน ISO Class 5 ถึง 8 ข้อกำหนดเหล่านี้เข้มงวดกว่าประมาณ 100 เท่า แม้ว่าจะไม่มีการใช้งานอย่างเป็นทางการอีกต่อไป แต่มาตรฐานเก่า FS 209E ยังคงมีอิทธิพลต่อการออกแบบอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งระดับ Class 100 อันโด่งดัง ซึ่งอนุญาตให้มีอนุภาคขนาดดังกล่าวได้ไม่เกิน 100 อนุภาคต่อลูกบาศก์ฟุตของพื้นที่อากาศ ซึ่งเทียบเท่ากับข้อกำหนด ISO Class 5 ผู้ผลิตชั้นนำจะจัดเก็บพื้นที่คุณภาพสูงสุดระดับ ISO Class 4 ถึง 5 ไว้โดยเฉพาะสำหรับกระบวนการสำคัญ เช่น การลิโธกราฟีและการเคลือบบาง อนุภาคเล็กเพียงอนุภาคเดียวที่มีขนาดเพียง 0.3 ไมครอน อาจทำให้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีมูลค่าเกือบ 740,000 ดอลลาร์เสียหายได้ ตามรายงานอุตสาหกรรมล่าสุดจาก SEMI ในปี 2023
มาตรฐาน SEMI F51 มีขอบเขตกว้างกว่าสิ่งที่ ISO ครอบคลุมโดยทั่วไปในเรื่องการควบคุมมลพิษโมเลกุลทางอากาศ (AMC) โดยจำกัดสารอินทรีย์ระเหยได้ให้อยู่ต่ำกว่าหนึ่งส่วนในพันล้าน ซึ่งถือว่าเข้มงวดมาก อีกประเด็นหนึ่งคือ SEMI E89 ที่กำหนดให้มีการตรวจสอบอนุภาคอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ หากเกิดความเบี่ยงเบนจากระดับปกติเกินกว่า 5% ระบบแจ้งเตือนจะทำงานโดยอัตโนมัติ สิ่งที่ทำให้มาตรฐานเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์คือ การที่พวกมันจัดการกับปัญหาเฉพาะ เช่น การเสื่อมสภาพของโฟโตเรซิสต์ และปัญหาการกัดกร่อนของโลหะ ซึ่งไม่พบในข้อบังคับด้านเทคโนโลยีชีวภาพหรือเภสัชกรรม ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับข้อกำหนดเหล่านี้ เพราะการไม่ปฏิบัติตามอาจนำไปสู่ปัญหาร้ายแรงในการผลิตในระยะยาว
ห้องสะอาดสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่จัดอยู่ในระดับ ISO Class 4 โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนถ่ายอากาศระหว่าง 400 ถึง 600 ครั้งต่อชั่วโมง ซึ่งมากกว่าสิ่งที่พบในสภาพแวดล้อมทางเภสัชกรรมทั่วไปประมาณ 12 เท่า เพื่อรักษามาตรฐานของพื้นที่ให้เหมาะสมกับการผลิตขั้นสูงที่ระดับต่ำกว่า 5 นาโนเมตร สถานประกอบการจะพึ่งพาตัวกรอง ULPA ที่สามารถดักจับอนุภาคได้ถึง 99.9995% ในขนาดไม่เกิน 0.12 ไมครอน เมื่อทำงานกับชั้นออกไซด์ประตู (gate oxides) ที่มีความหนาเพียงประมาณ 10 อะตอม การปนเปื้อนเล็กน้อยก็มีความสำคัญอย่างมาก ลองคิดดูว่าเส้นผมมนุษย์เพียงเส้นเดียวสามารถปล่อยอนุภาคจุลภาคเข้าสู่พื้นที่ ISO Class 5 ได้มากกว่า 600,000 อนุภาค ซึ่งแสดงให้เห็นว่าทำไมการรักษามาตรฐานควบคุมที่เข้มงวดเช่นนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
การสำรวจอุตสาหกรรมล่าสุดระบุว่า 93% ของโรงงานผลิตชิปขั้นสูงในปัจจุบันดำเนินการที่ระดับ ISO Class 5 หรือสะอาดกว่า ซึ่งเกิดจากความต้องการของเทคโนโลยีลิเทอร์กราฟี EUV และการซ้อนชั้น 3D NAND สัดส่วนนี้เพิ่มขึ้น 40% เมื่อเทียบกับปี 2018 (FabTech 2023)
โรงงานผลิตชิปชั้นนำจะรักษาระดับความชื้นให้อยู่ในช่วงแคบเพียงครึ่งเปอร์เซ็นต์ของ RH และสามารถควบคุมอุณหภูมิได้แม่นยำถึง 0.02 องศาเซลเซียส โดยใช้ระบบควบคุมสภาพแวดล้อมขั้นสูง โรงงานผลิตชิปขนาดใหญ่แห่งหนึ่งในเอเชียได้นำระบบม่านอากาศไอออนมาใช้ เพื่อควบคุมไฟฟ้าสถิตให้อยู่ต่ำกว่า 50 โวลต์ ซึ่งช่วยป้องกันข้อบกพร่องเล็กๆ ที่อาจเกิดขึ้นขณะผลิตชิปขนาด 3 นาโนเมตร นอกจากนี้ เมื่อรวมกับกระบวนการกำจัดสารเคมีหลายขั้นตอน วิธีเหล่านี้ทำให้มั่นใจได้ว่าสารประกอบระเหยง่ายที่ปล่อยออกมาจากโฟโต้เรซิสต์จะต่ำกว่าหนึ่งส่วนในพันล้านอย่างมาก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาระดับผลผลิตที่ดีในกระบวนการลิเทอร์กราฟีด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตขั้นสูง
ระบบที่กรองอากาศซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐาน ISO 14644 สามารถจัดการการเปลี่ยนถ่ายอากาศได้ประมาณ 600 ครั้งต่อชั่วโมงเมื่อติดตั้งตัวกรอง ULPA ตัวกรองเหล่านี้สามารถดักจับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า 0.12 ไมครอนได้สูงถึง 99.999% ซึ่งเข้มงวดกว่าข้อกำหนดในสถานที่ผลิตยาถึงประมาณ 50 เท่า พิจารณาศูนย์วิจัยแห่งหนึ่งที่ดำเนินการโดยผู้ผลิตรายใหญ่จากอเมริกาเหนือ พวกเขาได้นำระบบกรอง HEPA แบบแผงฝ้าเพดานร่วมกับพื้นแบบเจาะรูมาใช้ เพื่อสร้างรูปแบบการไหลของอากาศแบบลำดับชั้น (laminar airflow) ซึ่งช่วยควบคุมจำนวนอนุภาคลงต่ำกว่า 10 ชิ้นต่อลูกบาศก์ฟุต ระหว่างการผลิตชิปขนาด 5 นาโนเมตร สำหรับความบริสุทธิ์ที่สูงยิ่งขึ้น ยังมีการใช้เตียงดูดซับโมเลกุล (molecular adsorption beds) เพื่อกำจัดกรดและสารโดปัน (dopants) ในอากาศที่มีอยู่ในปริมาณเล็กน้อย จนระดับความเข้มข้นลดลงถึงระดับพาร์ทส์ต่อบิลเลียน (parts per billion)
เครือข่ายเซ็นเซอร์ที่ผสานรวมเข้ากับระบบเหล่านี้ติดตามปัจจัยต่าง ๆ กว่า 15 ประเภท รวมถึงอนุภาคขนาดเล็กเพียง 0.1 ไมโครเมตร และความถี่การสั่นสะเทือนหลายระดับ โดยมีการอัปเดตทุกครึ่งวินาที หากค่าที่ตรวจวัดเกินมาตรฐาน ISO Class 5 ระบบควบคุมอัตโนมัติจะทำงานทันที เพื่อปรับความเร็วการไหลของอากาศอย่างแม่นยำในระดับประมาณ 0.1 เมตรต่อวินาที ซึ่งเหนือกว่าการควบคุมด้วยมือของมนุษย์อย่างชัดเจน วงจรตอบสนองทั้งหมดทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากจนทำให้การปนเปื้อนส่งผลให้ผลผลิตลดลงเพียงประมาณ 0.01 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น แม้ว่าระบบจะต้องจัดการเวเฟอร์จำนวนประมาณ 150,000 ชิ้นต่อเดือนผ่านระบบนี้
เมื่อทำงานกับเซมิคอนดักเตอร์ที่ขนาดต่ำกว่า 3 นาโนเมตร ตัวกรอง ULPA จะต้องสามารถจับอนุภาคที่มีขนาด 0.12 ไมครอนหรือใหญ่กว่านั้นได้อย่างน้อย 99.9995% ปัจจุบันโรงงานผลิตชั้นนำหลายแห่งเริ่มนำระบบการจัดการการไหลของอากาศอัจฉริยะมาใช้งาน ซึ่งระบบเหล่านี้จะปรับเปลี่ยนโดยอัตโนมัติตามการจัดวางอุปกรณ์ภายในห้องสะอาด แนวทางนี้ช่วยลดพื้นที่ที่อากาศไม่หมุนเวียน (dead air pockets) ลงได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้การไหลแบบลามินาร์แบบเดิม ประโยชน์ของระบบนี้เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในกระบวนการลิโธกราฟี EUV เนื่องจากแม้แต่อนุภาคขนาดเล็กเพียงไม่กี่นาโนเมตรก็สามารถรบกวนรูปแบบวงจรที่ละเอียดอ่อนได้ ดังนั้นระบบกรองแบบปรับตัวได้นี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษามาตรฐานคุณภาพของผลิตภัณฑ์
ห้องสะอาดในปัจจุบันมาพร้อมกับระบบควบคุมแรงดันอัจฉริยะที่ช่วยแยกพื้นที่ต่างๆ ออกจากกัน แต่ยังคงประหยัดค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน รายงานล่าสุดจาก Semiconductor Engineering ในปี 2023 พบข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับการปรับปรุงระบบ HVAC แบบใหม่ ระบบนี้สามารถลดการใช้พลังงานลงได้ประมาณ 28 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่กระทบต่อมาตรฐาน ISO Class 5 ที่กำหนดไว้ พวกเขาทำสำเร็จได้อย่างไร? โดยการติดตั้งพัดลมความเร็วแปรผัน (variable speed fans) และเพิ่มกลไกการกู้คืนความร้อนภายในสถานที่ผลิต สำหรับอุตสาหกรรมที่ดำเนินการที่ต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ เช่น การสะสมชั้นบางแบบอะตอมิกเลเยอร์ (ALD) การเพิ่มประสิทธิภาพในลักษณะนี้ถือเป็นปัจจัยสำคัญในการรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ระหว่างกระบวนการผลิต
ห้องสะอาดแบบดั้งเดิมใช้พลังงานไปประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในโรงงานผลิต ซึ่งทำให้ผู้ผลิตอยู่ในสถานการณ์ลำบากในการรักษาระดับสิ่งแวดล้อมที่สะอาดพิเศษควบคู่ไปกับความพยายามด้านสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืน บริษัทชั้นนำหลายแห่งกำลังแก้ปัญหานี้ด้วยวิธีการต่างๆ ในปัจจุบัน บางแห่งติดตั้งวัสดุเปลี่ยนเฟส (phase change materials) ที่ช่วยรักษาระดับอุณหภูมิให้คงที่โดยไม่จำเป็นต้องเปิดระบบปรับอากาศตลอดเวลา อีกบางส่วนเริ่มใช้เครื่องกรองไฟฟ้าสถิต (electrostatic precipitators) ที่ขับเคลื่อนด้วยแหล่งพลังงานหมุนเวียนเพื่อการกรองอากาศขั้นที่สอง และหลายแห่งในปัจจุบันพึ่งพาปัญญาประดิษฐ์ (artificial intelligence) สำหรับงานบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียตัวกรองได้ประมาณยี่สิบสองเปอร์เซ็นต์ ตามรายงานของอุตสาหกรรม การรวมแนวทางเหล่านี้เข้าด้วยกันส่งผลให้การปล่อยคาร์บอนลดลงประมาณห้าเปอร์เซ็นต์ต่อปี โดยยังคงควบคุมจำนวนอนุภาคได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่เกินครึ่งหนึ่งของอนุภาคต่อลูกบาศก์ฟุตในพื้นที่ที่ไวต่อการปนเปื้อนเป็นพิเศษ
แผงห้องสะอาดแบบโมดูลาร์มาพร้อมกับเซ็นเซอร์ IoT ในตัว ซึ่งทำให้สามารถปรับพื้นที่ควบคุมการปนเปื้อนได้อย่างรวดเร็วเมื่อใดก็ตามที่จำเป็น สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่ออุปกรณ์มีการอัปเดตทุกไตรมาส โรงงานผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์เริ่มนำสิ่งที่เรียกว่า "คลีนรูมดิจิทัลทวิน" มาใช้ เพื่อทดสอบว่าอุปกรณ์ใหม่จะวางในพื้นที่เดิมได้อย่างไร แนวทางนี้ช่วยลดระยะเวลาการตรวจสอบอย่างมาก โดยหลายสถานประกอบการรายงานว่าลดจากประมาณ 12 สัปดาห์ เหลือเพียงประมาณ 18 วันเท่านั้น การจัดโครงสร้างพื้นฐานแบบยืดหยุ่นเช่นนี้ ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถรับมือกับข้อกำหนดที่เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ เช่น มาตรฐาน ISO 14644-1 ที่กำลังจะมีผลในปี 2025 ซึ่งกำหนดให้มีการตรวจสอบอนุภาคนาโนอย่างเข้มงวดในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ การเตรียมความพร้อมสำหรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไม่ใช่แค่เรื่องเอกสารเท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบต่อการดำเนินงานประจำวันทั่วทั้งอุตสาหกรรม
