เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงช่วยลดความเสี่ยงการปนเปื้อนได้อย่างไร

บทบาทสำคัญของเครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง

ความไวต่อสิ่งเจือปนที่เพิ่มขึ้นในโหนดเซมิคอนดักเตอร์ระดับ 2 นาโนเมตรและ 3 นาโนเมตร

เมื่อพูดถึงกระบวนการผลิตที่ระดับ 2 นาโนเมตรและ 3 นาโนเมตรนั้น โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องเผชิญกับปัญหาการปนเปื้อนที่รุนแรงมาก แม้เพียงโมเลกุลเดียวของไฮโดรคาร์บอนในจำนวน 10^12 อนุภาคของไอน้ำก็เพียงพอที่จะทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ ในอดีตเมื่อใช้กระบวนการผลิตระดับ 7 นาโนเมตรขึ้นไป ผู้ผลิตสามารถยอมรับระดับสิ่งเจือปนที่ระดับพาร์ตส์แพร์บิลเลียน (parts per billion) ได้ แต่ในปัจจุบันสำหรับกระบวนการผลิตระดับ 3 นาโนเมตร พวกเขาต้องการความบริสุทธิ์ที่ระดับพาร์ตส์แพร์แทรลเลียน (parts per trillion) ซึ่งสะอาดกว่าที่ผ่านมาราวหนึ่งพันเท่า ทำไมต้องมีข้อกำหนดที่เข้มงวดถึงเพียงนี้? เหตุผลคือในปัจจุบัน ประตูทรานซิสเตอร์ (transistor gates) มีขนาดเพียงประมาณ 12 ถึง 15 อะตอมของซิลิคอนเท่านั้น สิ่งเจือปนแม้เล็กน้อยที่ระดับอังสตรอม (angstrom scale) ก็สามารถรบกวนปรากฏการณ์ควอนตัมทันเนลลิ่ง (quantum tunneling) และทำลายความสมบูรณ์ของออกไซด์ประตู (gate oxides) ได้ ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์จะทำงานได้ไม่ถูกต้องตามที่ออกแบบไว้

เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงช่วยรักษาระดับความสะอาดระดับโมเลกุลได้อย่างไร

เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงในปัจจุบันสามารถทำให้สะอาดในระดับโมเลกุลได้ในระดับที่น่าทึ่ง ด้วยกระบวนการกลั่นสามขั้นตอนและตัวกรองอนุภาคต่ำพิเศษสุดที่ทำงานได้ละเอียดถึงระดับ 0.001 ไมครอน ระบบนี้แทบจะกำจัดสารไม่พึงประสงค์เกือบทั้งหมดออกไป เรียกได้ว่าสามารถกำจัดไอออน สารอินทรีย์ โลหะ และอื่น ๆ ออกไปมากกว่า 99.9999% การทำเช่นนี้มีความสำคัญอย่างมากเมื่อไอน้ำต้องสัมผัสกับวัสดุที่ไวต่อการปนเปื้อน เช่น สารเคลือบโฟโตรีสิสต์ หรือแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนในระหว่างกระบวนการผลิต อีกทั้งระบบที่ทันสมัยกว่าเดิมนั้นยังมาพร้อมกับระบบตรวจสอบแบบเรียลไทม์ในตัว โดยใช้เทคโนโลยีมาสสเปกโตรเมตรีเพื่อให้มั่นใจว่าระดับสิ่งเจือปนยังคงต่ำกว่า 5 ส่วนในล้านล้านส่วน (ppt) ซึ่งเป็นเรื่องสมเหตุสมผล เพราะเครื่องจักรเหล่านี้จำเป็นต้องสอดคล้องกับมาตรฐานการผลิตอัจฉริยะภายใต้ Industry 4.0 ที่ทุกคนพูดถึงในปัจจุบัน

กรณีศึกษา: การนำไปใช้ในโรงงานผลิตชิปที่ใช้กระบวนการขนาด 3nm Node

ผู้ผลิตชิปรายใหญ่รายหนึ่งได้เห็นการลดลงของข้อบกพร่องบนแผ่นเวเฟอร์อย่างน่าประทับใจ เมื่อพวกเขาติดตั้งเครื่องผลิตไอน้ำความบริสุทธิ์สูงเหล่านี้ในกระบวนการออกซิเดชันและการอบอุ่นชิปทั้งหมด ปัจจัยสำคัญที่สร้างความแตกต่างคือ กลไกระบบควบคุมแบบวงจรปิดของระบบ ซึ่งสามารถรักษาระดับการนำไฟฟ้าของไอน้ำไว้ที่ประมาณ 0.055 ไมโครซีเมนต์ต่อเซนติเมตร ซึ่งต่ำลงถึงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับระบบที่ใช้มาก่อน ผลลัพธ์ที่ได้คือ การเพิ่มขึ้นของอัตราผลผลิตที่ชัดเจนถึง 12% โดยเฉพาะในขั้นตอนการผลิตเกตแบบ 3nm FinFET เมื่อทุกอย่างเริ่มดำเนินการเต็มที่ จำนวนอนุภาคที่ตรวจพบอยู่ที่ระดับเพียง 0.2 อนุภาคต่อมิลลิลิตร สำหรับอนุภาคขนาด 0.1 ไมครอนหรือมากกว่า ซึ่งประสิทธิภาพระดับนี้เกินมาตรฐาน SEMI F57 ที่กำหนดไว้สำหรับโหนดการผลิตที่ทันสมัยที่สุด แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาคุณภาพการควบคุมที่ดีขึ้นอย่างชัดเจน

การผสานการทำงานกับระบบตรวจสอบความบริสุทธิ์แบบเรียลไทม์ ณ จุดใช้งาน (POU)

เครื่องกำเนิดไอน้ำแบบทันสมัยในปัจจุบันมีเซ็นเซอร์ติดตั้งไว้ภายในแต่ละสถานีจุดใช้งาน (point-of-use station) ซึ่งส่งข้อมูลแบบต่อเนื่องไปยังระบบบำรุงรักษาแบบศูนย์กลาง ระบบที่ออกแบบมาเช่นนี้ช่วยลดเวลาที่ต้องหยุดดำเนินการชั่วคราวอันเนื่องมาจากปัญหาการปนเปื้อนได้ราว 25-30% ตามการทดสอบในระยะเริ่มต้น เนื่องจากสามารถตรวจจับได้ว่าตัวกรองเริ่มสึกหรอ ล่วงหน้าเกินกว่าสองวันก่อนที่จะเกิดการเสียหายขึ้นจริง เมื่อรวมเข้ากับระบบตรวจสอบอัจฉริยะด้วย AI ที่สามารถตรวจจับรูปแบบที่ผิดปกติ ระบบทั้งหมดจึงสามารถทำงานได้เกือบตลอดเวลาในอัตราการใช้งานที่สูงถึง 99.9996% ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างมากสำหรับโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ต่อปี เนื่องจากเพียงแค่สูญเสียเวลาเพียงหนึ่งชั่วโมง ก็ทำให้พวกเขาต้องเสียค่าใช้จ่ายมากกว่าเจ็ดแสนสี่หมื่นดอลลาร์สหรัฐ ตามรายงานเมื่อปี 2023 จากสถาบันโพนีแมน (Ponemon Institute)

ผลกระทบของการปนเปื้อนต่ออัตราผลผลิตและการประหยัดทางเศรษฐกิจในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

อนุภาคและสารปนเปื้อนโมเลกุลส่งผลลดอัตราผลผลิตที่ระดับนาโนเมตรอย่างไร

เมื่อเราพูดถึงกระบวนการผลิตที่ระดับ 2 นาโนเมตร และ 3 นาโนเมตร โครงสร้างต่างๆ จะมีขนาดเล็กมากจนแทบจะเหลือเพียง 15 ถึง 20 อะตอมข้ามผ่าน ทำให้มันไวต่อการปนเปื้อนทุกประเภทอย่างมาก อนุภาคขนาดเล็กประมาณ 2 นาโนเมตร สามารถรบกวนลวดลายของกระบวนการถ่ายภาพด้วยแสงอัลตราไวโอเลตเชิงความยาวคลื่นสุดเอกซ์ (EUV lithography) ในระหว่างการผลิตได้ นอกจากนี้ยังมีปัญหาเรื่องสารปนเปื้อนในระดับโมเลกุล เช่น โมเลกุลของออกซิเจน หรือสารตกค้างประเภทไฮโดรคาร์บอน ที่ส่งผลให้ชั้นเกตออกไซด์ (gate oxide) เสียหาย การพิจารณาจากสิ่งที่นักวิจัยค้นพบเกี่ยวกับมาตรฐานความบริสุทธิ์ของก๊าซนั้น พบว่ามีเรื่องที่น่าตกใจอย่างมาก กล่าวคือ หากปริมาณของโมเลกุลเบสในอากาศ (AMBs) เกินระดับ 0.1 ส่วนในพันล้าน (parts per billion) โรงงานผลิตชิปลอจิกขั้นสูงจะพบว่าผลผลิต (yield) ลดลงประมาณ 12% เนื่องจากความไวต่อสิ่งปนเปื้อนที่สูงสุดขั้ว ห้องสะอาด (cleanrooms) จึงจำเป็นต้องรักษามาตรฐานที่ดีกว่า ISO Class 1 ในบางพื้นที่ น่าเหลือเชื่อที่ว่า แม้แต่การหายใจตามปกติของพนักงานในพื้นที่เหล่านี้ ก็สามารถปล่อยสารปนเปื้อนออกมาในปริมาณที่เพียงพอที่จะทำลายกระบวนการผลิตที่ละเอียดอ่อนให้เสียหายได้

ต้นทุนทางเศรษฐกิจจากข้อบกพร่องในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ปริมาณมาก

ความเสียหายทางการเงินจากมลภาวะจะเพิ่มขึ้นมากเมื่อขยายการผลิตให้ใหญ่ขึ้น ตัวอย่างเช่น โรงงานที่ดำเนินการกับวัฟเฟอร์ประมาณ 100,000 แผ่นต่อเดือน หากอัตราผลผลิตลดลงเพียง 1% พวกเขาอาจต้องเผชิญกับการสูญเสียเกือบ 58 ล้านดอลลาร์ต่อปี และนี่ยังไม่รวมถึงความเป็นจริงที่ว่าวัฟเฟอร์ที่ทันสมัยแต่ละชิ้นในปัจจุบันมีราคาสูงกว่า 30,000 ดอลลาร์สหรัฐ ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มีแผนสร้างโรงงานผลิตใหม่ถึง 18 แห่งภายในปี 2025 ดังนั้นการควบคุมมลภาวะไว้ไม่ใช่แค่เรื่องประหยัดเงินในตอนนี้เท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบต่อตลาดทั้งหมดที่มีมูลค่า 740 พันล้านดอลลาร์ต่อปี การติดตั้งเครื่องผลิตไอน้ำความบริสุทธิ์สูงไว้ในจุดที่ต้องการจริงๆ บนพื้นที่โรงงาน สามารถลดการผลิตสินค้าที่ต้องนำมาทำซ้ำได้ประมาณหนึ่งในสาม สิ่งนี้แสดงให้ผู้ผลิตเห็นอย่างชัดเจนว่าทำไมการลงทุนอย่างชาญฉลาดในโซลูชันความบริสุทธิ์จึงมีความสำคัญต่อการปกป้องกำไรในกระบวนการผลิตที่มีค่าใช้จ่ายสูงเช่นนี้

ความท้าทายในการรักษาความสะอาดที่ระดับการผลิตต่ำกว่า 3 นาโนเมตร

การเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณของความไวต่อข้อบกพร่องอันเนื่องมาจากขนาดของโหนดที่เล็กลง

ที่โหนดระดับต่ำกว่า 3 นาโนเมตร ความไวต่อข้อบกพร่องเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ—อนุภาคขนาดเพียง 0.5 นาโนเมตรเดียวสามารถทำให้ชิปเสียหายถึง 4% ของประสิทธิภาพการทำงาน ตามรายงานความบริสุทธิ์ของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ปี 2024 สายการผลิตในปัจจุบันพบว่ามี:

• อัตราข้อบกพร่องจากอนุภาคสูงขึ้น 400% เมื่อเทียบกับกระบวนการที่ระดับ 5 นาโนเมตร
• การสูญเสียเวเฟอร์ 18% ที่เกี่ยวข้องกับสิ่งเจือปนโมเลกุลในก๊าซที่ใช้ในกระบวนการผลิต
• ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของสิ่งเจือปน ±0.1 พาร์ตส์ต่อบิลเลียน (ppb) กับความแปรปรวนของผลผลิต 0.8%

สภาพแวดล้อมเช่นนี้ต้องการความบริสุทธิ์ของไอน้ำในระดับต่ำกว่า 0.1 พาร์ตส์ต่อแทริลลิอน (ppt) สำหรับขั้นตอนออกซิเดชันที่สำคัญ—ซึ่งสามารถทำได้เฉพาะเครื่องผลิตไอน้ำความบริสุทธิ์สูงขั้นสูงเท่านั้น

ข้อจำกัดของระบบกรองแบบดั้งเดิม: พวกมันสามารถตอบสนองความต้องการเรื่องความบริสุทธิ์ในอนาคตได้หรือไม่?

ระบบกรองก๊าซแบบดั้งเดิมล้มเหลวในสามประเด็นสำคัญสำหรับการผลิตที่ระดับต่ำกว่า 3 นาโนเมตร:

การวิเคราะห์อุตสาหกรรมล่าสุดระบุว่า 72% ของโรงงานผลิตชิป 3 นาโนเมตรรายงานว่ามีมลพิษที่ปนเปื้อนมากับไอน้ำเกินกว่าเกณฑ์ที่ ASML กำหนด ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว ช่องว่างเหล่านี้จำเป็นต้องมีการออกแบบระบบจ่ายก๊าซใหม่ในระดับโมเลกุล—ซึ่งเป็นสิ่งที่เครื่องผลิตไอน้ำความบริสุทธิ์สูงรุ่นใหม่สามารถแก้ไขได้ด้วยการกำจัดมลพิษ ณ จุดใช้งาน และการตรวจสอบระดับมลพิษแบบเรียลไทม์ในระดับพิโคลิตร (ppt)

การตรวจจับสิ่งเจือปนขั้นสูงที่เป็นไปได้ด้วยเครื่องผลิตไอน้ำความบริสุทธิ์สูงและระบบวิเคราะห์ก๊าซ

การบรรลุการตรวจจับมลพิษในระดับพิโกลิตร (ppt)

ข้อกำหนดในการตรวจจับสำหรับโรงงานผลิตยุคใหม่ได้เพิ่มขึ้นประมาณ 1000 เท่าเมื่อเทียบกับระบบเก่า เนื่องจากแม้แต่สารปนเปื้อนระดับโมเลกุลเดียวก็ยังก่อให้เกิดปัญหาที่ร้ายแรง เมื่อใช้เทคโนโลยีมวลสเปกโตรเมตรีแบบไอออไนเซชันที่ความดันบรรยากาศร่วมกับเครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูง จะสามารถตรวจจับระดับ ppt (ส่วนในล้านล้าน) ได้อย่างเชื่อถือได้ ซึ่งดีกว่าระบบดั้งเดิมที่ตรวจจับระดับ ppb (ส่วนในพันล้าน) ประมาณ 60% สำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ระดับ 2 นาโนเมตรและ 3 นาโนเมตร ความไวระดับนี้มีความสำคัญอย่างมาก จากข้อมูลอุตสาหกรรมเมื่อปีที่แล้วมีข้อมูลที่น่าตกใจอย่างหนึ่ง: ระดับการปนเปื้อนที่ต่ำเพียงแค่ 5 ppt ของออกซิเจนหรือไฮโดรคาร์บอนสามารถลดอัตราผลผลิตได้ระหว่าง 12% ถึง 18% เลยทีเดียว

ความร่วมมือระหว่างระบบความบริสุทธิ์ของไอน้ำกับเครื่องมือวิเคราะห์องค์ประกอบก๊าซหลายชนิด

การรวมการผลิตไอน้ำที่บริสุทธิ์สูงมากเข้ากับการตรวจสอบก๊าซแบบทันที ช่วยเพิ่มการควบคุมมลภาวะในสภาพแวดล้อมการผลิต เมื่อตัววิเคราะห์ก๊าซตรวจพบสารประกอบอินทรีย์ระเหยได้ในระดับเพียง 2.7 ส่วนในล้านล้านส่วน (ppt) ระบบการทำความสะอาดไอน้ำจะปรับค่าการบำบัดน้ำเกือบในทันที ผลลัพธ์ที่ได้คือ โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ผลิตวเฟเฟอร์ขนาด 300 มม. มีปัญหาอนุภาคลดลงประมาณ 70% ตามรายงานกระบวนการล่าสุดในปี 2023 นอกจากนี้ โรงงานยังสามารถควบคุมอุณหภูมิให้มีความเสถียรภายในช่วงน้อยกว่า 0.1 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเครื่องจักรเคลือบบางชั้นอะตอม (atomic layer deposition) ที่ใช้ในการผลิตชิป ปัจจุบัน ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำส่วนใหญ่กำหนดให้มีการผนวกรวมระบบนี้เป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานห้องสะอาด ISO Class 1

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมเครื่องผลิตไอน้ำความบริสุทธิ์สูงจึงมีความสำคัญในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากช่วยให้เกิดความสะอาดระดับโมเลกุลที่จำเป็นต่อกระบวนการผลิตที่มีขนาดเล็กมากอย่าง 2 นาโนเมตรและ 3 นาโนเมตร ความสะอาดนี้ช่วยป้องกันข้อบกพร่องและเพิ่มอัตราการผลิตสำเร็จโดยลดการปนเปื้อนที่อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อการทำงานของอุปกรณ์

เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงทำงานอย่างไร

เครื่องกำเนิดไอน้ำเหล่านี้ใช้วิธีการกรองและทำให้บริสุทธิ์ขั้นสูง เช่น การกลั่นสามขั้นตอนและการกรองอนุภาคต่ำสุดเป็นพิเศษ เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนที่รวมถึงไอออน สารอินทรีย์ และโลหะ นอกจากนี้ยังมีการใช้เทคโนโลยีในการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ เพื่อให้แน่ใจว่าระดับสิ่งเจือปนยังคงต่ำมาก ซึ่งตรงตามมาตรฐานการผลิตที่เข้มงวดที่สุด

เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจใดบ้างต่ออุตสาหกรรมผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เครื่องกำเนิดไอน้ำความบริสุทธิ์สูงช่วยลดข้อบกพร่อง จึงเพิ่มอัตราผลผลิตได้ ความก้าวหน้านี้สามารถช่วยประหยัดเงินหลายล้านดอลลาร์ให้กับโรงงานผลิต โดยการรักษาประสิทธิภาพการผลิตที่สูง และลดความจำเป็นในการแก้ไขผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่อง

ความท้าทายของการปนเปื้อนในกระบวนการผลิตที่ต่ำกว่า 3 นาโนเมตรคืออะไร

โหนดที่มีขนาดต่ำกว่า 3 นาโนเมตรมีความไวต่อข้อบกพร่องสูงมาก เนื่องจากขนาดที่เล็กมากของมัน แม้เพียงโมเลกุลเดียวของสิ่งเจือปนก็สามารถทำให้เกิดความเสียหายต่อการทำงานได้ ซึ่งจำเป็นต้องมีระบบตรวจจับและทำให้บริสุทธิ์จากสิ่งเจือปนขั้นสูง เพื่อรักษาความสมบูรณ์ในการทำงานและอัตราผลผลิต