EN
Việc duy trì độ ẩm được kiểm soát chặt chẽ ở mức ±1% RH là yếu tố then chốt trong các nhà máy sản xuất bán dẫn, vì ngay cả những dao động nhỏ cũng có thể gây ra hiện tượng cong vênh silicon hoặc tạo ra các vấn đề trong quá trình quang khắc tinh vi. Lấy ví dụ cơ sở Fab 18 của TSMC, nơi họ sản xuất những con chip 3nm tiên tiến. Các hệ thống kiểm soát ngưng tụ ở đây phải hoạt động liên tục, loại bỏ tới 4.200 lít hơi ẩm mỗi giờ chỉ để duy trì độ ẩm tương đối ổn định ở mức 45%. Để xử lý các điện tích tĩnh có thể làm hư hại thiết bị, các màn chắn khí ion hóa được sử dụng khắp toàn bộ cơ sở. Những hệ thống này giảm mức tĩnh điện xuống dưới 10 volt, điều này tạo nên sự khác biệt lớn khi thao tác với những oách bán dẫn 300mm cực kỳ nhạy cảm. Và cũng không thể quên các hệ thống rửa hóa chất nhiều giai đoạn nhằm xử lý khí thoát ra từ vật liệu quang khắc. Bằng cách giảm lượng phát thải xuống dưới 1 phần tỉ, những thiết bị rửa này góp phần ngăn ngừa tổn thất tỷ lệ sản phẩm giá cao trong các quy trình quang khắc cực tím (EUV).
Cơ sở D1X mới của Intel được trang bị khoảng 1.200 bộ lọc ULPA có khả năng bắt giữ các hạt nhỏ tới 0,12 micron với hiệu suất 99,9995% ấn tượng trong toàn bộ các khu vực phòng sạch ISO 3. Họ đã triển khai một hệ thống luồng không khí theo cấp đặc biệt, tuần hoàn từ 500 đến 750 lần mỗi giờ. Tốc độ này thực tế nhanh gấp năm lần so với mức thường thấy trong các phòng sạch dược phẩm, giúp loại bỏ hiệu quả các chất gây nhiễm amin phát sinh từ thiết bị EUV. Theo các nghiên cứu gần đây từ các chuyên gia sản xuất bán dẫn, phương pháp lọc tiên tiến này giảm khoảng 83% các lỗi liên quan đến hạt so với các hệ thống cũ hơn vẫn đang được sử dụng trong ngành công nghiệp hiện nay.
Các nhà máy tiên tiến triển khai hơn 2.000 cảm biến không dây để theo dõi liên tục các thông số quan trọng:
| Thông số kỹ thuật | Mức ngưỡng | Tần số đo |
|---|---|---|
| Hạt ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Cứ sau 6 giây |
| Rung động | <2 μm/s² | Liên tục |
| Chênh lệch áp suất | +15 Pa tối thiểu | Cứ sau 30 giây |
Dữ liệu đo từ xa thời gian thực này cho phép điều chỉnh hệ thống HVAC trong vòng 0,8 giây khi phát hiện sai lệch, hỗ trợ tỷ lệ sản xuất trên 98,5% trong quy trình sản xuất node 5nm. Các hệ thống tự động phản ứng nhanh hơn can thiệp thủ công, duy trì sự ổn định trong các hoạt động sản xuất với khối lượng lớn.
Các phòng sạch dùng trong sản xuất bán dẫn tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn ISO 14644-1 từ cấp 4 đến 8, nghĩa là chúng kiểm soát các hạt lơ lửng trong không khí ở mức khoảng 352 đến 35.200 hạt có kích thước 0,5 micron hoặc lớn hơn trên mỗi mét khối. Những yêu cầu này phụ thuộc rất nhiều vào độ nhạy của quy trình sản xuất. So với các cơ sở dược phẩm hoạt động ở cấp ISO từ 5 đến 8, các thông số kỹ thuật này khắt khe hơn khoảng 100 lần. Mặc dù không còn được sử dụng chính thức, tiêu chuẩn cũ FS 209E vẫn ảnh hưởng đến cách thiết kế thiết bị, đặc biệt là mức độ nổi tiếng Class 100 cho phép không quá 100 hạt như vậy trên mỗi foot khối không khí, tương ứng với tiêu chuẩn ISO Class 5. Các nhà sản xuất hàng đầu dành những khu vực chất lượng cao nhất ở cấp ISO 4 đến 5 riêng cho các quy trình then chốt như công đoạn quang khắc và lắng đọng. Chỉ một hạt nhỏ bé 0,3 micron bay lơ lửng cũng có thể làm hỏng một tấm wafer silicon trị giá gần 740.000 USD theo báo cáo ngành công nghiệp mới nhất từ SEMI năm 2023.
Tiêu chuẩn SEMI F51 đi xa hơn so với những gì ISO thường đề cập khi kiểm soát ô nhiễm phân tử trong không khí (AMC). Tiêu chuẩn này thực tế giới hạn các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ở mức dưới một phần tỷ, điều này khá khắt khe. Trên phương diện khác, SEMI E89 yêu cầu giám sát liên tục các hạt trong thời gian thực. Nếu có sự chệch khỏi mức bình thường trên 5%, hệ thống báo động sẽ tự động kích hoạt. Điều làm cho các tiêu chuẩn này đặc biệt quan trọng đối với ngành bán dẫn là chúng giải quyết các vấn đề cụ thể như hiện tượng phân hủy vật liệu quang khắc và ăn mòn kim loại – những vấn đề mà các quy định trong lĩnh vực công nghệ sinh học hoặc dược phẩm không đề cập tới. Các nhà sản xuất bán dẫn cần chú ý kỹ các yêu cầu này vì việc không tuân thủ có thể dẫn đến những trở ngại nghiêm trọng trong sản xuất về sau.
Các phòng sạch bán dẫn được phân loại ở mức ISO Class 4 thường cần từ 400 đến 600 lần trao đổi không khí mỗi giờ. Con số này cao gấp khoảng 12 lần so với môi trường dược phẩm tiêu chuẩn. Để duy trì điều kiện phù hợp cho sản xuất tiên tiến dưới 5nm, các cơ sở dựa vào bộ lọc ULPA có khả năng giữ lại 99,9995% các hạt nhỏ tới 0,12 micron. Khi làm việc với lớp oxit cổng chỉ dày khoảng 10 nguyên tử, thậm chí những tạp chất rất nhỏ cũng gây ảnh hưởng lớn. Hãy tưởng tượng: một sợi tóc người có thể giải phóng hơn 600 nghìn hạt vi mô vào khu vực ISO Class 5. Điều này minh họa vì sao việc duy trì các tiêu chuẩn kiểm soát nghiêm ngặt như vậy là cực kỳ quan trọng trong quá trình sản xuất bán dẫn.
Các khảo sát ngành công nghiệp gần đây cho thấy 93% các nhà máy sản xuất tiên tiến hiện nay hoạt động ở mức ISO Class 5 hoặc sạch hơn, do yêu cầu của công nghệ quang khắc EUV và tích hợp 3D NAND. Đây là mức tăng 40% về việc áp dụng phòng sạch siêu tinh khiết kể từ năm 2018 (FabTech 2023).
Các cơ sở sản xuất tốt nhất duy trì mức độ ẩm trong phạm vi chỉ nửa phần trăm RH và có thể kiểm soát nhiệt độ xuống tới 0,02 độ C bằng hệ thống điều khiển môi trường tinh vi của họ. Một nhà máy sản xuất lớn ở châu Á đã triển khai hệ thống mành không khí ion hóa để giữ điện tĩnh dưới mức 50 volt, giúp tránh các lỗi nhỏ li ti khi chế tạo chip 3nm. Khi kết hợp với nhiều giai đoạn làm sạch hóa học, các phương pháp này đảm bảo rằng mọi hợp chất dễ bay hơi phát sinh từ vật liệu cảm quang đều được duy trì ở mức thấp hơn một phần tỷ. Điều này thực sự quan trọng để đảm bảo năng suất cao trong các quy trình quang khắc cực tím (EUV).
Các hệ thống lọc đáp ứng tiêu chuẩn ISO 14644 có thể xử lý khoảng 600 lần thay đổi không khí mỗi giờ khi được trang bị bộ lọc ULPA. Những bộ lọc này giữ lại tới 99,999% các hạt lớn hơn 0,12 micron, mức độ này thực tế khắt khe hơn khoảng 50 lần so với yêu cầu trong các cơ sở dược phẩm. Hãy xem xét một cơ sở nghiên cứu do một nhà sản xuất lớn ở Bắc Mỹ vận hành. Họ đã triển khai kết hợp các lưới trần HEPA cùng với sàn đục lỗ để tạo ra các mẫu dòng khí laminar. Cấu hình này duy trì số lượng hạt dưới 10 hạt trên mỗi foot khối trong quá trình sản xuất các linh kiện 5 nanomet. Để đạt độ tinh khiết cao hơn nữa, các lớp hấp phụ phân tử được sử dụng nhằm loại bỏ lượng vết axit và chất pha tạp trong không khí xuống nồng độ phần tỉ (parts per billion).
Các mạng cảm biến được tích hợp vào những hệ thống này theo dõi hơn 15 yếu tố khác nhau, bao gồm các hạt nhỏ cỡ 0,1 micromet và nhiều tần số rung động khác nhau, với cập nhật diễn ra mỗi nửa giây. Nếu các thông số vượt quá tiêu chuẩn ISO Class 5, hệ thống điều khiển tự động sẽ kích hoạt để điều chỉnh tốc độ dòng khí một cách khá chính xác xung quanh 0,1 mét mỗi giây, điều này vượt trội hoàn toàn so với thao tác thủ công của con người. Toàn bộ vòng phản hồi hoạt động hiệu quả đến mức mức độ nhiễm bẩn chỉ gây ra khoảng 0,01 phần trăm tổn thất năng suất sản xuất, mặc dù họ xử lý khoảng 150 nghìn tấm wafer mỗi tháng thông qua hệ thống này.
Khi làm việc với các node bán dẫn dưới 3nm, bộ lọc ULPA cần bắt giữ ít nhất 99,9995% các hạt có kích thước 0,12 micron hoặc lớn hơn. Nhiều nhà máy sản xuất hàng đầu hiện nay đã bắt đầu triển khai các hệ thống quản lý luồng không khí thông minh. Các hệ thống này tự động điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên cách bố trí thiết bị trong phòng sạch. Cách tiếp cận này giúp giảm khoảng 40% các vùng không khí chết so với các hệ thống dòng chảy tầng cố định cũ. Lợi ích trở nên rõ rệt nhất trong các quá trình quang khắc EUV. Ngay cả những hạt nhỏ chỉ vài nanomet cũng có thể làm hỏng các mẫu mạch tinh vi đang được tạo ra, do đó việc sử dụng các hệ thống lọc thích ứng này đóng vai trò then chốt trong việc duy trì chất lượng sản phẩm.
Các phòng sạch hiện đại được trang bị hệ thống áp suất thông minh giúp tách biệt các khu vực khác nhau mà vẫn tiết kiệm chi phí điện năng. Một báo cáo gần đây từ Semiconductor Engineering vào năm 2023 đã chỉ ra một điều thú vị về các nâng cấp hệ thống HVAC hiện đại. Chúng đã giảm mức tiêu thụ năng lượng khoảng 28 phần trăm mà không làm ảnh hưởng đến các tiêu chuẩn ISO Class 5 yêu cầu. Họ đã làm điều đó như thế nào? Bằng cách lắp đặt các quạt điều chỉnh tốc độ và bổ sung cơ chế thu hồi nhiệt khắp toàn bộ cơ sở. Đối với các ngành công nghiệp xử lý các hoạt động nhạy cảm với nhiệt độ như lắng đọng lớp nguyên tử (ALD), những cải tiến hiệu suất này đóng vai trò then chốt trong việc duy trì chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất.
Các phòng sạch truyền thống thường tiêu thụ khoảng 30 đến 50 phần trăm tổng năng lượng sử dụng trong các nhà máy sản xuất, điều này khiến các nhà sản xuất rơi vào tình thế khó khăn khi phải cân bằng giữa môi trường siêu sạch và các sáng kiến xanh. Những công ty thông minh hiện đang giải quyết vấn đề này theo nhiều cách khác nhau. Một số lắp đặt vật liệu biến đổi pha giúp duy trì nhiệt độ ổn định mà không cần vận hành hệ thống điều hòa không khí liên tục. Những nơi khác đã bắt đầu sử dụng thiết bị lọc tĩnh điện được cung cấp năng lượng từ các nguồn tái tạo để đáp ứng nhu cầu lọc không khí thứ cấp. Và ngày nay, nhiều đơn vị dựa vào trí tuệ nhân tạo để thực hiện các nhiệm vụ bảo trì dự đoán, giảm lượng bộ lọc bị lãng phí khoảng hai mươi hai phần trăm theo báo cáo của ngành công nghiệp. Việc kết hợp các phương pháp này lại với nhau giúp giảm khoảng năm phần trăm lượng khí thải carbon mỗi năm, đồng thời vẫn kiểm soát được số lượng hạt bụi dưới mức nửa hạt trên một foot khối tại những khu vực cực kỳ nhạy cảm, nơi mà sự nhiễm bẩn là điều hoàn toàn không thể chấp nhận được.
Các tấm phòng sạch dạng mô-đun giờ đây được trang bị cảm biến IoT tích hợp, cho phép nhanh chóng điều chỉnh các khu vực kiểm soát nhiễm bẩn bất cứ khi nào cần thiết — điều này trở nên thiết yếu khi các thiết bị được cập nhật mỗi quý. Các nhà máy sản xuất bán dẫn đang bắt đầu triển khai thứ được gọi là "bản sao kỹ thuật số phòng sạch" để thử nghiệm cách thức lắp đặt thiết bị mới vào không gian hiện có. Cách tiếp cận này giúp rút ngắn đáng kể thời gian xác thực — nhiều cơ sở báo cáo giảm từ khoảng 12 tuần xuống chỉ còn khoảng 18 ngày. Những thiết lập cơ sở hạ tầng linh hoạt như vậy giúp các nhà sản xuất đi trước các quy định đổi mới như tiêu chuẩn ISO 14644-1 sắp tới vào năm 2025, yêu cầu giám sát nghiêm ngặt các hạt nano trong môi trường kiểm soát. Việc chuẩn bị cho những thay đổi này không chỉ đơn thuần là thủ tục giấy tờ — mà thực sự ảnh hưởng đến hoạt động hàng ngày trên toàn ngành.
