ทำไมเครื่องทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (fab) จึงจำเป็นในโรงงานผลิต?

รายละเอียดปลีกย่อยเกี่ยวกับความเสถียรของอุณหภูมิสำหรับกระบวนการโฟโตลิเทอโรกราฟีระดับต่ำกว่า 7 นาโนเมตรและอุปกรณ์ EUV

เพื่อสร้างโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า 7 นาโนเมตร จะต้องสามารถควบคุมและจัดการระดับความแปรผันของอุณหภูมิได้ในระดับที่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ระบบการถ่ายภาพแบบเอ็กซ์ตรีมอัลตราไวโอเลต (EUV) จำเป็นต้องทำงานภายใต้สภาวะที่อุณหภูมิคงที่ภายในช่วง ±0.01°C ซึ่งเทียบเท่ากับการรักษาอุณหภูมิของสระว่ายน้ำทั้งหมดให้คงที่ภายในช่วง ±0.0005°C ที่ขนาดเล็กสุดขีด ความแปรผันของอุณหภูมิจะทำให้วัสดุเลนส์และเวเฟอร์สเตจเกิดการขยายตัวหรือหดตัวจากความร้อน ส่งผลให้เกิด (ก) ความคลาดเคลื่อนจากเค้าโครงที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (เส้นทางแสงที่แม่นยำสูงมาก ซึ่งจำเป็นสำหรับการฉายแสงลงบนฟีเจอร์ขนาดเล็ก) และ (ข) การล้มเหลวของเส้นทางแสง ความท้าทายเช่นนี้ยังพบได้ในการถ่ายภาพแบบจุ่ม (immersion lithography) ด้วยเช่นกัน โดยความแปรผันของอุณหภูมิเพียง 0.1°C ก็เพียงพอที่จะทำให้ดัชนีการหักเหของของไหลเปลี่ยนแปลง และยังส่งผลให้รูปแบบที่สร้างขึ้นมีสภาพไม่อยู่ในโฟกัสอีกด้วย นี่คือข้อเท็จจริงที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และแท้จริงแล้วเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดที่ต้องพิจารณาเกี่ยวกับโมดูลพลังงาน EUV รุ่นใหม่ ซึ่งมีความหนาแน่นของกำลังไฟสูงกว่า 500 กิโลวัตต์/ตารางเมตร หากความร้อนไม่สามารถควบคุมให้คงที่ได้ในระดับความแม่นยำสูง วัตถุประสงค์หลักของการผลิตในระดับนาโนเมตรก็อาจบรรลุได้ แต่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ได้จะมีข้อบกพร่อง

ผลกระทบทางเทคโนโลยีจากความแปรผันของอุณหภูมิที่เกิดจากเครื่องทำความเย็นต่อความแม่นยำของการจัดแนวชั้น (Overlay Accuracy) ในการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์

ระบบเครื่องทำความเย็นในกระบวนการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์มีผลเฉพาะตัวต่อความแม่นยำของการจัดแนวชั้น (overlay accuracy) ซึ่งหมายถึงความแม่นยำในการจัดตำแหน่งชั้นซิลิคอนหลายชั้นให้ตรงกันอย่างพอดี อุณหภูมิของเครื่องทำความเย็นเหล่านี้ส่งผลต่อแผ่นเวเฟอร์ (wafer) กล่าวคือ ทุกการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียส จะทำให้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขยายตัวด้วยอัตราสูงสุดถึง 2.6 ไมโครเมตรต่อเมตร สำหรับเวเฟอร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มิลลิเมตร การขยายตัวนี้อาจก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการจัดแนวได้สูงสุดถึง 3 นาโนเมตร ขณะที่กระบวนการผลิตชิปขั้นสูงระดับ 5 นาโนเมตรสามารถยอมรับความคลาดเคลื่อนในการจัดแนวได้เพียง 1.7 นาโนเมตรเท่านั้น นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องเน้นย้ำถึงผลกระทบของความแปรผันของอุณหภูมิ (thermal drifts) ต่อขั้นตอนการถ่ายโอนลวดลาย (lithography stage) ของอุปกรณ์ โดยวิศวกรระบุว่า ความแปรผันดังกล่าวก่อให้เกิดปรากฏการณ์ ‘การคลานเชิงกล’ (mechanical creep) ขึ้นกับอุปกรณ์ถ่ายโอนลวดลาย ซึ่งส่งผลให้ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยอยู่แล้วในการกำหนดตำแหน่งของอุปกรณ์นั้นเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามระยะเวลาการใช้งาน ระบบทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor fab cooling chillers), การควบคุมอุณหภูมิในห้องสะอาด (cleanroom process temperature control), การจัดการความร้อนในกระบวนการผลิตเวเฟอร์ (wafer fabrication thermal management)

เมื่อเกิดการจัดเรียงชั้นของวัสดุไม่ตรงกัน จะส่งผลให้เกิดปัญหาร้ายแรง เช่น การลัดวงจรหรือช่องว่างในวงจรไฟฟ้า ข้อบกพร่องดังกล่าวทำให้ผู้ผลิตสูญเสียรายได้ประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อชั่วโมง (Ponemon Institute, 2023) ระบบระบายความร้อนสมัยใหม่ขั้นสูงมีระบบจัดการภาระงานอย่างชาญฉลาด และสามารถรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิไว้ภายในช่วง ±0.005 องศาเซลเซียส ส่งผลให้สามารถผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ด้วยความแม่นยำที่จำเป็นอย่างยิ่งคือ ±0.15 นาโนเมตร เพื่อให้ได้อัตราผลผลิตที่ดี

มาตรฐานสำหรับห้องสะอาดและความบริสุทธิ์ของของไหลในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ความสมบูรณ์ของเส้นทางการไหลของของไหลและการควบคุมอนุภาค

ชิลเลอร์ที่ใช้ในระบบทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องรักษาให้สอดคล้องกับมาตรฐานไอเอสโอระดับ 1–4 เพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบต่อขั้นตอนการผลิตที่ละเอียดอ่อน เช่น การถ่ายโอนลายแบบด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตขั้นสูง (อียูวี) และขั้นตอนอื่นๆ ใดๆ ก็ตามที่มีสิ่งปนเปื้อนในอากาศขนาดใหญ่กว่า 0.1 ไมครอน จะก่อให้เกิดปัญหาต่อการจัดวางลายแบบบนเวเฟอร์ที่มีขนาดเล็กมาก คือต่ำกว่า 5 นาโนเมตร ระบบชิลเลอร์สมัยใหม่มีเส้นทางไหลของสารทำความเย็นที่ปิดสนิททั้งหมด และใช้วัสดุสแตนเลสเกรดสูงในการผลิต ซึ่งมีความคล้ายคลึงกับวัสดุที่ใช้ผลิตเครื่องมือผ่าตัด เพื่อลดการปนเปื้อนให้น้อยที่สุด ชิลเลอร์เหล่านี้ใช้ตัวกรองการปนเปื้อนระดับโมเลกุลขั้นสูง รวมทั้งตัวกรองเฮพา (เฮพา) เพื่อให้มั่นใจว่าความดันเชิงบวกสัมพัทธ์และปริมาณสิ่งปนเปื้อนในอากาศจะอยู่ต่ำกว่า 1 หน่วยต่อลูกบาศก์เมตร ที่ขนาด 0.1 ไมครอน มาตรการเข้มงวดเหล่านี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเครื่องถ่ายโอนลายแบบของแอสเอ็มแอลจะไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งปนเปื้อนที่อาจทำลายคุณภาพของระบบออปติกภายในเครื่อง อัตราการเกิดข้อบกพร่องบนเวเฟอร์ควบคุมให้อยู่ต่ำกว่า 0.01 หน่วยต่อตารางเซนติเมตร เครื่องจักรเหล่านี้มีราคาสูงกว่าสองล้านดอลลาร์สหรัฐ และมีความไวสูงต่อการสะสมของสิ่งสกปรกบนพื้นผิวออปติก ชิลเลอร์ทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การควบคุมอุณหภูมิในกระบวนการห้องสะอาด การจัดการความร้อนในการผลิตเวเฟอร์

การเลือกวัสดุที่ต้านทานการกัดกร่อนและการใช้น้ำที่ผ่านกระบวนการกำจัดไอออนแล้วตามมาตรฐาน (≥18.2 เมกะโอห์ม·ซม.)

เครื่องทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor fab) ต้องจัดหาโซลูชันระบบแหล่งน้ำบริสุทธิ์สูงพิเศษ (UPW) ที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าที่จุดถ่ายเทความร้อนทั้งหมดสูงกว่า 18.2 เมกะโอห์ม·ซม. (กล่าวคือ มีสารปนเปื้อนไอออนน้อยกว่า 99.999999%) เครื่องทำความเย็นอุตสาหกรรมทั่วไปไม่สามารถใช้งานได้ในกรณีนี้ เนื่องจากเกิดการกัดกร่อนแบบกาล์วานิก (galvanic corrosion) ในโลหะผสมทองแดง-นิกเกิล ซึ่งทำให้มีโลหะหลุดร่วงเข้าสู่วงจรของสารหล่อเย็น ดังนั้น โซลูชันรุ่นใหม่จึงออกแบบมาโดยมีคุณสมบัติดังนี้:

- วงจรไหลเวียนของของเหลวที่ทำจากสแตนเลสเกรด 316L/904L ที่ผ่านกระบวนการอิเล็กโตรโพลิช (electropolishing)
- ชั้นพาสซิเวชัน (passivation layers) ที่ไม่หลุดร่อนออกเป็นออกไซด์ของเหล็ก
- ซีลที่ไม่ใช่โลหะ (Kalrez® FFKM) ซึ่งทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (thermal cycling)

การออกแบบนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าลดลงต่ำกว่า 18.0 เมกะโอห์ม·ซม. ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งของการเกิดฝ้าบนแผ่นเวเฟอร์ (wafer hazing) — ข้อบกพร่องที่ก่อให้เกิดความเสียหายมูลค่า 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อเหตุการณ์หนึ่งครั้ง (รายงานมาตรฐานอุตสาหกรรม SEMI: ปัจจัยที่ทำให้เกิดการสูญเสียผลผลิตในการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ระดับขั้นสูง ปี 2023) เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ใช้ในอุตสาหกรรมยา เครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ยังต้องสามารถทนต่อการซึมผ่านของสารเคมีที่ใช้ในการกัด (etch chemicals) เช่น กรดไฮโดรฟลูออริก (HF) ผ่านทางจุดเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ได้อีกด้วย

การยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์และปรับปรุงผลผลิตด้วยเครื่องทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (Fab) ที่เชื่อถือได้

การประเมินการสูญเสียผลผลิต: ข้อบกพร่องจากความคลาดเคลื่อน ± 0.3°C และความสัมพันธ์กับข้อบกพร่อง (SEMI F47)

มีหลายเหตุผลที่ทำให้ต้องรักษาอุณหภูมิของโรงงานผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ให้คงที่ เช่น การรวมตัวของข้อบกพร่อง ซึ่งถือเป็นปัจจัยทำลายประสิทธิภาพอย่างรุนแรง และตามกลยุทธ์การจัดการข้อบกพร่องของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เอกสารร่างมาตรฐาน SEMI F47 ระบุว่า การกำจัดข้อบกพร่องคือแรงจูงใจสำคัญ หากโรงงานไม่สามารถปฏิบัติตามมาตรฐาน SEMI F47 ได้ จะส่งผลให้จำนวนชิปที่ผลิตได้ลดลง 1.5–3% ต่อแผ่นเวเฟอร์ 100 แผ่น เนื่องจากข้อบกพร่องที่ทำลายชิปทั้งหมด ซิลิคอนที่สูญเสียไปนั้นก่อให้เกิดความสูญเสียทางการเงินอย่างมาก แต่ต้นทุนที่แท้จริงจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างไม่สม่ำเสมอคือการสึกหรอของอุปกรณ์ และค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่เพิ่มขึ้นตามมา อุปกรณ์บางประเภท เช่น เลเซอร์ EUV (extreme ultraviolet) และห้องกัด (etch chambers) มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมาก และมีแนวโน้มเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า thermal fatigue ซึ่งส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและเวลาหยุดทำงานเพิ่มขึ้น 18% ระบบทำความเย็นสำหรับโรงงานผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ ระบบควบคุมอุณหภูมิในห้องสะอาดสำหรับกระบวนการผลิต ระบบจัดการความร้อนในขั้นตอนการผลิตเวเฟอร์

นี่คือเหตุผลที่โรงงานผลิตสมัยใหม่ใช้จ่ายเงินไปกับระบบระบายความร้อนที่สามารถควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงที่ผันแปรไม่เกิน ±0.05 องศาเซลเซียส ความแม่นยำระดับนี้ช่วยป้องกันความล้มเหลว ปกป้องอุปกรณ์มูลค่าหลายล้านดอลลาร์สหรัฐ และรับประกันระดับการผลิตที่สม่ำเสมอ ซึ่งผู้จัดการโรงงานจำเป็นต้องอาศัยเพื่อสนับสนุนผลกำไรที่แข็งแรง

การเลือกขนาดและปรับแต่งเครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมให้เหมาะสมกับภาระงานกระบวนการที่เปลี่ยนแปลงได้

เมื่อทำระบบระบายความร้อนสำหรับโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ ความต้องการด้านความร้อนจะแตกต่างออกไป ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำเย็น (chill cooling) จำเป็นต้องมีขนาดเหมาะสม ออกแบบเฉพาะ หรือไม่เช่นนั้นจะเกิดปัญหานานาประการขึ้น ชิลเลอร์ขนาดใหญ่จะเปิด-ปิดซ้ำๆ บ่อยเกินไป ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงานในระยะยาว และทำให้ชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่เริ่มและหยุดการทำงานบ่อยครั้งเสื่อมสภาพเร็วขึ้น ขณะที่ชิลเลอร์ขนาดเล็กไม่สามารถรักษาช่วงอุณหภูมิที่สำคัญไว้ได้ภายในขอบเขต ±0.3 องศาเซลเซียส เมื่อความต้องการใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน ส่งผลให้อุณหภูมิของชิปที่กำลังผลิตอยู่แปรผัน ซึ่งเราทราบดีว่าอุณหภูมิเป็นปัจจัยหลักที่มีผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ระบบระบายความร้อนที่ออกแบบและสร้างขึ้นเฉพาะเจาะจง ร่วมกับเทคโนโลยีควบคุมแบบ PID อัจฉริยะ จะปรับระดับการระบายความร้อนให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของสภาวะแวดล้อม นอกจากนี้ การจับคู่ระบบควบคุม PID อัจฉริยะเข้ากับวัสดุเปลี่ยนสถานะพิเศษ (phase change materials) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับแรงกระแทกด้านความร้อน ช่วยให้วิศวกรได้รับชุดโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดในการลดข้อบกพร่องและประหยัดพลังงาน ลูกค้ารายงานว่าสามารถประหยัดพลังงานได้ 25 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับชิลเลอร์แบบความจุคงที่มาตรฐาน

คำถามที่พบบ่อย  

เหตุใดความเสถียรของอุณหภูมิจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ความเสถียรของอุณหภูมิเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอาจทำให้กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขาดความแม่นยำ ส่งผลให้ได้ชิ้นส่วนที่มีข้อบกพร่องและทำงานผิดปกติ

ผลกระทบของการเคลื่อนคลาดทางความร้อนที่เกิดจากเครื่องทำความเย็นคืออะไร

การเคลื่อนคลาดทางความร้อนที่เกิดจากเครื่องทำความเย็นอาจทำให้ชั้นซิลิคอนไม่อยู่ในแนวเดียวกัน ซึ่งส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องแบบวงจรลัด (short circuit) บนชิปซิลิคอน และเพิ่มต้นทุนการผลิตเนื่องจากความล่าช้าในการผลิต

เครื่องทำความเย็นรุ่นใหม่ช่วยให้บรรลุมาตรฐานห้องสะอาด (cleanroom) และมาตรฐานความบริสุทธิ์ของของไหลได้อย่างไร

เครื่องทำความเย็นรุ่นใหม่ช่วยให้บรรลุมาตรฐานห้องสะอาดผ่านการใช้ระบบวงจรสารทำความเย็นที่ปิดสนิทและวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน ซึ่งไม่ก่อให้เกิดการปนเปื้อน จึงรักษาความสมบูรณ์ของชิปไว้ได้