ระบบทำความเย็นแบบโมดูลาร์สำหรับกระบวนการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ปรับตัวให้เข้ากับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปได้อย่างไร

ด้วยการออกแบบแบบโมดูลาร์ หน่วยทำความเย็นมีความสามารถในการสร้างระบบวงจรปิดโดยใช้หน่วยคอมเพรสเซอร์ที่แยกจากกันและเป็นอิสระต่อกันสำหรับแต่ละวงจรทำความเย็น จึงไม่จำเป็นต้องพึ่งพาคอมเพรสเซอร์กลางเพียงหนึ่งตัวเท่านั้น สำหรับเหตุการณ์ที่คอมเพรสเซอร์หยุดทำงานทั้งแบบที่วางแผนไว้และไม่ได้วางแผนไว้ วงจรข้างเคียงสามารถเพิ่มภาระงานของตนเองเพื่อให้การระบายความร้อนดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่องโดยไม่ขาดตอน การออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์และระบบในตัวนี้ช่วยให้กระบวนการผลิตมีความสำรอง (redundancy) และแม้ในสภาวะสุดขั้วที่มีภาระงานสูงสุด อุณหภูมิยังคงคงที่เกือบเท่าเดิม โดยเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยไม่เกิน 0.5 องศาเซลเซียส แต่ละวงจรสามารถควบคุมให้ทำงานที่กำลังไฟสูงสุดเพียง 15% ได้ ส่งผลให้ประหยัดต้นทุนการดำเนินงานได้อย่างมาก เนื่องจากระบบควบคุมพลังงานสามารถปรับให้สอดคล้องกับอัตราการไหลผ่าน (throughput) ที่เฉพาะเจาะจงแบบเรียลไทม์ โดยไม่เกิดการสูญเสียต้นทุนการดำเนินงานจากการต้องเปิด-ปิดระบบที่มีขนาดใหญ่ซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง

ด้วยโมดูลที่สามารถเปลี่ยนได้ขณะระบบยังทำงานอยู่ (hot-swappable modules) การบำรุงรักษาและการขยายระบบสามารถดำเนินการได้ในห้องสะอาด (cleanrooms) โดยไม่รบกวนกระบวนการที่มีอยู่เดิม โมดูลเหล่านี้เชื่อมต่อกับโมดูลสาธารณูปโภค (utility modules) ซึ่งจัดหาพลังงาน ของไหลสำหรับระบบทำความเย็น และการเชื่อมต่อควบคุม โดยผ่านการออกแบบให้สอดคล้องกับมาตรฐานห้องสะอาดระดับ Class 100 ระหว่างช่วงเวลาที่กำหนดสำหรับการบำรุงรักษา บุคลากรเทคนิคจะเปลี่ยนหน่วยทำความเย็นหรือโมดูลปั๊มเข้าไปในโครงสร้างที่มีอยู่แล้ว เช่นเดียวกับที่เจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT staff) ทำเมื่อเปลี่ยนแผงเซิร์ฟเวอร์ (server blades) การเข้าถึงผ่านแผงหน้า (front panel access) หมายความว่า บุคลากรเทคนิคจะไม่จำเป็นต้องเข้าไปในพื้นที่ที่มีฝุ่นอีกต่อไป จึงช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนข้าม (cross-contamination) ได้ ในปี ค.ศ. 2023 นิตยสาร Semiconductor Engineering ได้ตีพิมพ์บทความหนึ่งซึ่งระบุกรณีศึกษาหลายกรณีไว้อย่างละเอียด สถาน facility ที่นำโมดูลเหล่านี้ไปใช้งาน สามารถลดระยะเวลาที่จำเป็นในการขยายระบบทำความเย็น (chillers) ลงได้ถึง 70% เมื่อเทียบกับวิธีแบบดั้งเดิมที่ใช้การเชื่อมท่อ (welding for pipe connections) ทั้งหมดนี้ดำเนินการเสร็จสิ้นโดยยังคงปฏิบัติตามมาตรฐานความสะอาดของอากาศตาม ISO Class 5 อย่างเคร่งครัด

การจับคู่โหลดอย่างชาญฉลาด: บทบาทของการควบคุมความจุแบบแปรผันในการทำให้กระบวนการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์เป็นอัตโนมัติ

การจัดลำดับโหลดของเครื่องทำความเย็นและการหมุนเวียนการทำงานของคอมเพรสเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์สำหรับเครื่องมือลิเทอโรกราฟีและเครื่องมือกัดกร่อน

ชิลเลอร์แบบโมดูลาร์ที่ทันสมัยสามารถให้กำลังการทำความเย็นที่สัมพันธ์กับความต้องการในแต่ละช่วงเวลาได้อย่างแม่นยำ โดยใช้ชิลเลอร์แบบโมดูลาร์ที่ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งประกอบด้วยวงจรทำความเย็นแยกจากกันหลายวงจรที่สามารถเปิดหรือปิดได้ตามความจำเป็น เพื่อจัดสรรความเย็นให้กับวงจรเฉพาะเจาะจง นอกจากนี้ หน่วยทำความเย็น (คอมเพรสเซอร์) ที่ติดตั้งอยู่ในชิลเลอร์เหล่านี้ไม่ใช่อุปกรณ์แบบเปิด-ปิดธรรมดาเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับระดับกำลังการทำความเย็นได้ตั้งแต่ร้อยละ 10 ถึงร้อยละ 100 ทำให้ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของภาระความร้อนได้เกือบจะทันทีทันใด เมื่อภาระความร้อนเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการกระจายความร้อนของเครื่องสแกนเนอร์ลิโธกราฟี (lithography scanners) และเครื่องกัดด้วยพลาสมา (plasma etch machines) ที่ใช้ในกระบวนการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ อีกทั้ง การรวมคุณสมบัติขั้นสูงเหล่านี้เข้าด้วยกันยังช่วยให้สามารถดำเนินการชิลเลอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่สิ้นเปลืองพลังงาน โดยยังคงรักษาความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิของสารหล่อเย็นให้คงที่ภายในช่วง ±0.5 °C จากค่าที่ตั้งไว้ (set point) ได้อย่างแม่นยำ แม้ในกรณีที่เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ รวดเร็ว และซ้ำๆ กันระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์

มอเตอร์แบบแยกต่อโมดูลและการปรับการไหลของสารหล่อเย็นเพื่อส่งผ่านความร้อนอย่างแม่นยำ

โมดูลเครื่องทำความเย็นประกอบด้วยวาล์วควบคุมอัตโนมัติแบบสัดส่วนที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ ซึ่งปรับอัตราการไหลของสารหล่อเย็นตามสภาวะที่เกิดขึ้นบริเวณด้านปลายน้ำ (downstream) ของอุปกรณ์ต่าง ๆ ทำให้แต่ละโมดูลสามารถจัดหาความเย็นที่เหมาะสมที่สุดให้กับอุปกรณ์ประมวลผลเฉพาะแต่ละชิ้น และป้องกันไม่ให้อุณหภูมิพุ่งสูงขึ้นอย่างฉับพลันอันเนื่องจากการเปลี่ยนสูตรการผลิต (recipe changes) หรือเมื่อมีประตูห้องเปิดอยู่ ระบบใช้การควบคุมแบบป้อนกลับแบบวงจรปิด (closed loop feedback) เพื่อปรับอัตราการไหลของสารหล่อเย็นแบบเรียลไทม์ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนขั้นตอนการประมวลผล เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่มีการตั้งค่าคงที่แบบเดิม เราได้ทำการทดสอบแล้วพบว่าแรงกระทำจากความร้อน (thermal stress) บนวัฟเฟอร์ลดลงถึง 23% การลดลงนี้มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องปฏิบัติงานภายใต้ขอบเขตความคลาดเคลื่อนที่แคบมาก

การควบคุมอุณหภูมิแบบปรับตัว: ระบบ TACS ปรับค่าตั้งอุณหภูมิ (temperature setpoints) แบบไดนามิกในเวลาจริง

ระบบ TACS ผสานรวมกับระบบ MES ระดับโรงงาน (Fab-Level MES) เพื่อรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิในขั้นตอนการสัมผัสแสงที่สำคัญ (Critical Exposure Steps) ที่ ±0.1°C

ระบบควบคุมอัตโนมัติแบบความร้อน หรือ TACS ผสานรวมเข้ากับระบบควบคุมที่โรงงานผลิต ทำให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับจุดตั้งค่าการควบคุมอุณหภูมิได้ในระหว่างขั้นตอนการสัมผัสแสง (exposure step) ที่แน่นอนของกระบวนการ อุณหภูมิที่สูงกว่า +0.1 หรือต่ำกว่า -0.1 องศาเซลเซียส อาจก่อให้เกิดการคลาดเคลื่อนของขนาดชิ้นส่วนกลไก รวมทั้งการคลาดเคลื่อนของตำแหน่งการซ้อนทับ (overlay) ซึ่งอาจเป็นปัญหาอย่างยิ่งสำหรับการถ่ายภาพลิโธกราฟีแบบ EUV TACS ใช้ข้อมูลแบบเรียลไทม์จากเครื่องมือปฏิบัติการ ขณะเดียวกันก็ควบคุมแรงดันภายในห้องต่างๆ องค์ประกอบทางเคมีของเรซิสต์ (resist) และระดับรังสี เพื่อทำนายและบรรเทาการเปลี่ยนแปลงเชิงความร้อนผ่านการปรับอัตราการไหลของสารทำความเย็น ระบบดำเนินการระบายความร้อนอย่างระมัดระวัง พร้อมลดการสึกหรอของคอมเพรสเซอร์ และรักษาอุณหภูมิที่ต้องการสำหรับปฏิกิริยาโฟโตเคมีในช่วงที่มีการสัมผัสแสงอย่างแข้งขัน

จากประสบการณ์จริงที่ได้รับจากการดำเนินกระบวนการผลิตในโรงงานจริง ระบบควบคุมแบบวงจรปิดดังกล่าวช่วยเพิ่มอัตราการได้ผลผลิตของวัฟเฟอร์ (wafer yield) และลดต้นทุนพลังงานลง 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากระบบเหล่านี้จะทำความเย็นเฉพาะส่วนที่จำเป็นต้องทำความเย็นเท่านั้น นอกจากนี้ ยังสามารถจัดการกับความผันผวนของอุณหภูมิแบบสุ่มภายในสภาพแวดล้อมห้องสะอาด (cleanroom) ทำให้ความสม่ำเสมอระหว่างแต่ละรอบการผลิต (batch-to-batch consistency) ยังคงมั่นคงตลอดทั้งกระบวนการผลิต

การปรับตัวเชิงพยากรณ์: การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบโมดูลาร์ โดยใช้การพยากรณ์จากข้อมูลจริงและการควบคุมแบบวงจรปิด

การพยากรณ์ภาระงานโดยใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) บนพื้นฐานของข้อมูลการจัดสรรเครื่องมือในอดีตและข้อมูลรอบการปฏิบัติการของห้องปฏิบัติการ (chamber cycle data)

ปัญญาประดิษฐ์ (AI) สามารถทำนายการสะสมความร้อนจากข้อมูลการจัดสรรเครื่องมือได้อย่างมีประสิทธิภาพเฉลี่ยสูงถึงเกือบ 94% และยังสามารถทำนายล่วงหน้าได้ถึง 30 นาทีก่อนที่วงจรการกระตุ้นความร้อนของเครื่องมือลิโธกราฟีและเอตช์จะเริ่มทำงาน ซึ่งช่วยให้วิศวกรปฏิบัติการสามารถปรับตำแหน่งทรัพยากรระบบระบายความร้อนล่วงหน้าก่อนที่อุณหภูมิในโมดูลวงจรจะเปลี่ยนแปลง ระบบการเรียนรู้ของเครื่อง (Machine Learning) สามารถปรับแต่งการเก็บรวบรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ปฏิบัติการเพื่อปรับการคาดการณ์ทรัพยากรระบบระบายความร้อนแบบเรียลไทม์ การควบคุมระบบระบายความร้อนอย่างเหมาะสมช่วยลดเวลาการทำงานที่ไม่จำเป็นของระบบคอมเพรสเซอร์ลงได้ 22% โดยยังคงควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ภายในช่วง ±0.1 องศาเซลเซียส จากค่าที่ตั้งไว้

กรณีศึกษา: การปรับแต่งค่าตั้งเป้าหมายแบบปรับตัวได้ (Adaptive Setpoint Tuning) ภายในโรงงานผลิตชิปขนาด 300 มม. ช่วยลดการใช้พลังงานลง 18% โดยไม่กระทบต่อผลผลิตของกระบวนการ

ด้วยการประหยัดเวลาในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ประมาณ 3,200 ชั่วโมงต่อปี ระบบที่ทำงานแบบปิดลูป (closed-loop system) นี้จึงสามารถลดเวลาในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ลงได้ 3,200 ชั่วโมงต่อปี และยังคงรักษาความหนาแน่นของข้อบกพร่อง (defect density) ไว้ได้

เหตุใดการออกแบบแบบแยกส่วน (modular design) จึงมีความสำคัญต่อระบบระบายความร้อนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้มีความสำ dự้ด (redundancy) และหมายความว่าสามารถดำเนินการแต่ละวงจรที่ระดับกำลังไฟฟ้าต่ำลง ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานและลดการรบกวนต่อกระบวนการผลิตให้น้อยที่สุด

ระบบควบคุมอัตโนมัติอุณหภูมิ (Thermal Automation Control System: TACS) ทำงานอย่างไร?

TACS ใช้ข้อมูลจาก MES (Manufacturing Execution System) เพื่อปรับปรุงความเสถียรของอุณหภูมิในระหว่างกระบวนการผ่านการควบคุมเชิงพยากรณ์ (การคาดการณ์แบบเรียลไทม์) ของการปรับการระบายความร้อนที่จำเป็น

ผลกระทบของปัญญาประดิษฐ์ (AI) ต่อระบบแชลเลอร์สำหรับชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?

AI ทำให้เกิดการควบคุมเชิงพยากรณ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน ลดการเปิด-ปิดคอมเพรสเซอร์โดยไม่จำเป็น และยกระดับประสิทธิภาพในการดำเนินงาน