ระบบทำความเย็นสำหรับชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์จัดการกับความต้องการอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างไร

การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำสำหรับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบไดนามิก

ความเสถียรของอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 0.02°C ในการประมวลผลโหนดขั้นสูง < 5 นาโนเมตร

เพื่อป้องกันการเกิดข้อบกพร่องในระดับนาโนเมตร การประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงที่มีขนาดโหนดน้อยกว่า 5 นาโนเมตรจำเป็นต้องมีความเสถียรทางความร้อนต่ำกว่า 0.02°C กระบวนการลิเทอร์กราฟีด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตขั้นสูง (EUV) และกระบวนการสะสมชั้นอะตอม (ALD) ก่อให้เกิดความร้อนเฉพาะจุด ซึ่งหากไม่มีการควบคุมอย่างเหมาะสม จะทำให้แผ่นวัสดุ (wafer) เบี้ยวและก่อให้เกิดข้อบกพร่อง รวมทั้งส่งผลให้ผลผลิตลดลงมากกว่า 40% สำหรับชั้นที่มีความสำคัญยิ่ง ระบบทำความเย็นสำหรับชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยใช้ระบบทำความเย็นแบบหลายขั้นตอน เซนเซอร์ระดับมิลลิเคลวิน และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไมโครแชนเนล ซึ่งสามารถให้การระบายความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่นวัสดุขนาด 300 มม. ขณะเดียวกันก็สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง (สูงสุดถึง 100°C/วินาที) ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการกัดด้วยพลาสมา (plasma etch) ได้ โดยระบบทำความเย็นจะช่วยบรรเทาความเครียดจากความชันของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นจากความร้อน ซึ่งอาจนำไปสู่การแตกร้าว

อัลกอริธึมการควบคุมความร้อนเชิงพยากรณ์พร้อมข้อมูลตอบกลับแบบเรียลไทม์จากเซ็นเซอร์

การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำนี้ขึ้นอยู่กับการวัดเวลาด้วยความแม่นยำสูงเป็นปัจจัยสำคัญ ซึ่งรวมถึงอาร์เรย์เทอร์โมพายล์แบบฝังตัวที่ให้ค่าเฉลี่ยตามโซนน้อยกว่า 5 มิลลิเคลวิน (mK) ที่ความถี่มากกว่า 200 เฮิร์ตซ์ (Hz) สำหรับจุดวัดมากกว่า 200 จุด อินพุตที่ใช้ควบคุมระบบจัดการความร้อนยังรวมถึงการตอบสนองเชิงปรับตัวที่ประสานงานกันเพื่อจัดการกับการรบกวนด้านความร้อนที่ทำนายไว้ในช่วงเวลาสั้น ๆ เมื่อเทียบกับระบบทั่วไป คือ น้อยกว่า 0.5 วินาที (500 มิลลิวินาที) โดยอาศัยข้อมูลกระบวนการในอดีตร่วมกับปัจจัยสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง รวมทั้งกระแสข้อมูลความชื้นและอัตราการไหลของก๊าซภายในห้องประมวลผล ตัวอย่างเช่น ห้องสะสมสารในเฟสก๊าซจะถูกทำให้เย็นลงจนอุณหภูมิสูงกว่าจุดเกิดปฏิกิริยาเอกซ์โธอร์มิก จนกระทั่งเกิดการเปลี่ยนสถานะ อัลกอริทึมแบบผสมผสานที่ฝังอยู่ซึ่งใช้การเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) จะคำนวณการใช้พลังงานที่เกี่ยวข้องระหว่างการควบคุมกระบวนการ เพื่อให้ได้ระบบควบคุมที่มีการแทรกแซงน้อยที่สุด แต่มีเสถียรภาพสูงสุด และมีค่าเกินเป้า (overshoot) น้อยที่สุด รวมทั้งลดการเบี่ยงเบนจากขอบเขตบนและขอบเขตล่าง

การออกแบบระบบจัดการความร้อนสำหรับอุปกรณ์กึ่งตัวนำที่ใช้ในการระบายความร้อน

เวลาตอบสนองน้อยกว่า 5 วินาที โดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสองช่องทางและคอมเพรสเซอร์แบบปรับความเร็วได้

เทคโนโลยีปรับความเร็วได้ช่วยให้สามารถควบคุมอัตราการไหลของสารทำความเย็นแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการเปิด-ปิดคอมเพรสเซอร์แบบไซคลิก และที่สำคัญที่สุดคือ ลดปรากฏการณ์อุณหภูมิเกินค่าที่กำหนด (temperature overshoot) ลงได้ถึง 70% ระหว่างการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนการผลิต เมื่อนำมาใช้ร่วมกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสองช่องทาง ซึ่งมีวงจรของของเหลวสำหรับกระบวนการและสารทำความเย็นแยกจากกันอย่างชัดเจน เครื่องทำน้ำเย็นประเภทนี้สามารถรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิไว้ที่ ±0.1°C ภายในระยะเวลา 5 วินาทีหลังจากการเปลี่ยนแปลงภาระงาน ความสามารถในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงภาระงานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเครื่องประมวลผลที่ทำงานด้วยอัตราสูงและไวต่อการหน่วงความร้อน (thermal lag sensitive) เช่น เตาปฏิกรณ์สำหรับกระบวนการกัด (etch) และปฏิกรณ์การสะสมแบบอะตอม (ALD reactors) ซึ่งหากควบคุมอุณหภูมิไม่ดีอาจทำให้แผ่นเวเฟอร์บิดงอหรือรูปแบบบนแผ่นเวเฟอร์ผิดเพี้ยนได้ นอกจากนี้ การออกแบบนี้ยังป้องกันการปนเปื้อนข้าม (cross contamination) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันยังคงรักษาประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนไว้สูงกว่า 99.9% ตลอดช่วงอุณหภูมิในการทำงานทั้งหมด ตั้งแต่ -80°C ถึง 200°C

การจัดวางระบบเครื่องทำความเย็นแบบซ้ำซ้อนและแบบโมดูลาร์เพื่อความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของภาระงานอย่างฉับพลัน

ระบบคอมเพรสเซอร์แบบ N+1 ที่ผสานเข้ากับการออกแบบวงจรหมุนเวียนแบบสองวงจร (dual loop) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความต่อเนื่องของประสิทธิภาพการควบคุมอุณหภูมิอย่างปลอดภัยแม้ในกรณีที่เกิดความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าหรือความผิดปกติของกระบวนการ ระบบโมดูลาร์แบบสองวงจรนี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบวงจรเดี่ยวแบบดั้งเดิม ซึ่งอาจใช้เวลามากกว่า 30 วินาทีในการฟื้นตัว และยอมให้เกิดความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิได้ ±2°C ขณะที่ระบบโมดูลาร์แบบสองวงจรของเราสามารถตอบสนองได้ภายในเวลาไม่ถึง 5 วินาที โดยมีการแปรผันของอุณหภูมิไม่เกิน ±0.15°C ทำให้ผลกระทบต่อผลผลิต (yield impact) ลดลงเหลือต่ำกว่า 1% การออกแบบนี้ยังช่วยให้สามารถดำเนินการบำรุงรักษาโมดูลคอมเพรสเซอร์ได้โดยไม่รบกวนกระบวนการผลิตแต่อย่างใด ข้อมูลภาคสนามจากสถาน facilities ที่ใช้เทคโนโลยีการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว (Rapid Thermal Processing: RTP) แสดงให้เห็นว่าจำนวนเหตุการณ์การควบคุมอุณหภูมิเสียหลัก (thermal runaway incidents) ลดลงถึงร้อยละ 92

อัลกอริธึมการควบคุมแบบปรับตัวเพื่อต่อต้านความแปรปรวนจากสภาพแวดล้อมภายนอกและจากกระบวนการ

เครื่องทำความเย็นสำหรับกระบวนการผลิตในโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องรักษาความแม่นยำในการตอบสนองระดับนาโนเมตร ท่ามกลางสภาวะอุณหภูมิแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และภาระงานการผลิตที่ผันแปรอย่างต่อเนื่อง อัลกอริธึมการควบคุมแบบปรับตัว (Adaptive control algorithms) ช่วยให้สามารถรวมการออกแบบเชิงกายภาพเข้ากับการควบคุมด้วยซอฟต์แวร์ เพื่อรักษาความสม่ำเสมอของกระบวนการควบคุมอุณหภูมิ แม้ภายใต้ความแปรปรวนตามธรรมชาติของกระบวนการนั้น

การปรับค่าจุดตั้ง (Setpoint) อย่างชาญฉลาดโดยอาศัยข้อมูลความร้อนแบบเรียลไทม์

ระบบควบคุมแบบปรับตัวด้านความร้อน (Thermal Adaptive Control Systems: TACS) ที่ใช้ข้อมูลความร้อนแบบเรียลไทม์ในการปรับค่าจุดตั้ง ความชื้นสัมพัทธ์ (±15% RH) อุณหภูมิอากาศ และความแปรปรวนของภาระความร้อนจากกระบวนการ (เช่น กระบวนการ UV, การกัดกร่อน (etch), และการสะสมวัสดุ (deposition)) ระบบ TACS ประกอบด้วยแบบจำลองความร้อนเชิงทำนาย (predictive thermal modeling) และสามารถลดการเบี่ยงเบนของความร้อนที่เกิดขึ้นแบบตอบสนองได้ถึงร้อยละ 92 เมื่อเทียบกับระบบที่ทำงานแบบล็อกและคงที่ (lock and snap) นอกจากนี้ ความสามารถของ TACS ในการตอบสนองต่อการเกินค่า (overshoot response) แบบเชิงทำนาย ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนสถานะและการรักษาความเสถียรของตนเองภายในขอบเขตความเสถียรของอุณหภูมิที่กำหนดไว้ (0.02%) ยังช่วยยกระดับประสิทธิภาพด้านระดับข้อบกพร่อง (defect level performance) และรักษาความเสถียรของอัตราการได้ผลิตภัณฑ์ (device yield stability) ที่ระดับต่ำกว่า 5 นาโนเมตร

ความทนทานต่อโหมดขัดข้องจากการหยุดจ่ายพลังงาน: ระหว่างการหยุดจ่ายพลังงานที่อาจเกิดขึ้น

วงจรระบายความร้อนที่สม่ำเสมอและวัสดุเปลี่ยนเฟสแบบฝังตัวให้คุณสมบัติความเฉื่อยทางความร้อนที่จำเป็น เพื่อรักษาสมดุลความร้อนภายในระบบให้คงที่สูงสุดเป็นเวลา 8–12 วินาที หลังจากสูญเสียแหล่งจ่ายพลังงานและการหยุดไหลของสารทำความเย็น ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ชั้นเรซิสต์สำหรับถ่ายภาพ (photoresist layers) ไม่เกิดการตกผลึกก่อนกำหนด และเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดรอยร้าวจุลภาค (microcracks) บนพื้นผิวซิลิคอนในช่วงเวลาที่ระบบสำรองต้องเข้าทำงานตามที่กำหนด สำหรับการผลิตในพื้นที่ที่โครงข่ายไฟฟ้ามีความไม่เสถียร (non-agile grid) ซึ่งเหตุการณ์แรงดันตก (voltage sags) ก่อให้เกิดเหตุการณ์การลุกลามของความร้อน (thermal runaway) ถึง 37% ภายในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การมีความเฉื่อยทางความร้อนของระบบ (system thermal inertia) จึงจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อให้มั่นใจในการผลิตที่ต่อเนื่องและได้อัตราผลผลิตสูง

คำถามที่พบบ่อย

อุณหภูมิที่มีความเสถียรในระดับใดที่จำเป็นสำหรับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขนาดต่ำกว่า 5 นาโนเมตร?

สำหรับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ระดับเทคโนโลยีต่ำกว่า 5 นาโนเมตร (sub-5nm) ความเสถียรทางความร้อนภายในช่วง ±0.02°C เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อกำจัดข้อบกพร่องระดับนาโนเมตร

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบชั่วคราว (thermal transients) ระหว่างการผลิตเวเฟอร์ด้วยเครื่องทำความเย็นในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่งผลกระทบอย่างไร?

ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ใช้ระบบทำความเย็นแบบหลายขั้นตอน เซนเซอร์ความแม่นยำระดับมิลลิเคลวิน และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไมโครแชนแนล เพื่อให้มั่นใจว่าการระบายความร้อนมีความสม่ำเสมอและกำจัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบชั่วคราวระหว่างการผลิตเวเฟอร์

การตรวจวัดแบบเรียลไทม์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดการความร้อนในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์อย่างไร?

การตรวจวัดแบบเรียลไทม์มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเซนเซอร์ฝังตัวที่ประกอบด้วยอาร์เรย์เทอร์โมไพล์สามารถตรวจสอบโปรไฟล์ความร้อนเชิงอนุพันธ์ (differential thermal profiles) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบควบคุมแบบปรับตัว (adaptive controller systems) ในการทำนายการเปลี่ยนแปลงของภาระความร้อนและปรับเส้นโค้งการตอบสนองของการควบคุม

การออกแบบฮาร์ดแวร์แบบปรับตัวสามารถได้รับการสนับสนุนอย่างไรผ่านการผสานรวมคอมเพรสเซอร์ที่ควบคุมความเร็วได้แปรผัน?
คอมเพรสเซอร์แบบปรับความเร็วได้มีความสามารถในการควบคุมอัตราการไหลของสารทำความเย็นแบบเรียลไทม์ ส่งผลให้อุณหภูมิเกินเป้าหมาย (temperature overshoot) ลดลงถึงร้อยละ 70 ระหว่างช่วงเปลี่ยนผ่าน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อกระบวนการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์

คุณสมบัติใดของเครื่องทำน้ำเย็นสำหรับงานเซมิคอนดักเตอร์ที่ช่วยรักษาความเสถียรเมื่อเกิดการขัดข้องของแหล่งจ่ายไฟหรือระบบหล่อเย็น?
การรวมกันของวงจรหล่อเย็นแบบสำรอง (redundant cooling circuits) กับวัสดุเปลี่ยนเฟสที่ฝังอยู่ภายใน (embedded phase change materials) ช่วยให้เกิดความเฉื่อยทางความร้อน (thermal inertia) ระหว่างภาวะขัดข้อง และรักษาสภาวะที่มีเสถียรภาพได้นานพอที่จะให้ระบบแบตเตอรี่สามารถทำงานได้