ทำไมเครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จึงคุ้มค่าต้นทุนสำหรับโรงงานผลิตชิป (fabs)?

ตอบสนองความต้องการด้านความร้อนเฉพาะของโรงงานผลิตชิป (fab) ได้อย่างเชื่อถือได้

การควบคุมอุณหภูมิที่มีเสถียรภาพสูงมาก (±0.1°C) สำหรับการถ่ายโอนภาพด้วยแสง EUV และกระบวนการผลิตชิปที่มีขนาดต่ำกว่า 3 นาโนเมตร

กระบวนการผลิตด้วยการถ่ายโอนภาพแบบ EUV และกระบวนการผลิตที่มีขนาดต่ำกว่า 3 นาโนเมตร มีข้อกำหนดด้านความเสถียรทางความร้อนที่ ±0.1°C การไม่สามารถรักษาอุณหภูมิให้อยู่ภายในช่วงนี้ได้ อาจก่อให้เกิดการบิดเบือนของเลนส์ ความคลาดเคลื่อนในการจัดแนว (overlay errors) มากกว่า 1.5 นาโนเมตร และอัตราการทิ้งเวเฟอร์ (wafer scrap rates) สูงถึง 12% ดังนั้น ระบบทำความเย็น (chillers) สำหรับกระบวนการแบบโมดูลาร์เหล่านี้จึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง ระบบทำความเย็นสำหรับกระบวนการแบบโมดูลาร์โดยทั่วไปมีความแปรผันในการควบคุมอุณหภูมิของสารหล่อเย็นเพียง 0.05°C ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการได้อย่างแม่นยำสูงขณะประมวลผลเวเฟอร์ขนาด 300 มม. โดยบรรลุผลดังกล่าวผ่านการใช้หลายวงจรการทำความเย็นร่วมกับระบบควบคุม PID อัจฉริยะ (ซึ่งสามารถปรับตัวต่อการเปลี่ยนแปลงของภาระงานได้เกือบจะทันที) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการไหลของสารหล่อเย็น ส่งผลให้การควบคุมกระบวนการถ่ายโอนภาพ (lithography) และการกัดกร่อน (etching) บนระดับย่อยไมโครเมตรมีความแม่นยำและเสถียรยิ่งขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ข้อมูลจากโรงงานแสดงว่า หลังจากประมวลผลเวเฟอร์จำนวน 10,000 แผ่น ระบบสามารถปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความร้อนได้ในอัตราสูงถึง 99.8% ในแวดวงอุตสาหกรรมที่การปรับปรุงเล็กน้อยหนึ่งครั้งอาจนำมาซึ่งผลกำไรที่มหาศาล การประหยัดค่าใช้จ่ายจากการใช้ระบบนี้จึงอยู่ในระดับหลายล้านดอลลาร์

ระบบสเกิดแบบบูรณาการที่ออกแบบมาเพื่อลดการสั่นสะเทือนและความสอดคล้องตามมาตรฐานห้องสะอาด

เมื่อใช้งานเครื่องทำความเย็น (chillers) ที่ติดตั้งในห้องสะอาดระดับ ISO คลาส 1 ถึง 3 ซึ่งสร้างขึ้นตามแนวทางปฏิบัติกลาง ความต้องการที่ไม่ได้ตั้งใจสำหรับห้องสะอาดมักส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น และลดความยืดหยุ่นของโมดูล รวมทั้งส่งผลกระทบเชิงลบต่อสิ่งแวดล้อม ปัญหาที่พบบ่อย ได้แก่ ห้องสะอาดมีพื้นที่เก็บ/ขนส่งไม่เพียงพอ ระบบท่อน้ำรั่ว หรือท่อที่ขาดหายไปซึ่งจำเป็นต้องปรับแต่งเพื่อเชื่อมต่อกับระบบคอมเพรสเซอร์ เป็นต้น ระบบแบบโมดูลาร์ถูกออกแบบมาเพื่อกำจัดข้อจำกัดดังกล่าว โดยระบบประกอบสำเร็จรูปจะผ่านการออกแบบอย่างละเอียดเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์หรือการสัมผัสโดยตรง รวมถึงปัญหาด้านความร้อน การสั่นสะเทือน และอื่นๆ ที่อาจเกิดขึ้นกับระบบโครงสร้างที่สร้างขึ้นจริง ซึ่งสอดคล้องกับความต้องการของลูกค้าทุกราย นอกจากนี้ ยังต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดจากห้องสะอาด/CE สำหรับระบบ o mO w ตัวกรองต้องสามารถติดตั้งและบำรุงรักษาได้อย่างบูรณาการเข้ากับระบบ เพื่อให้ระบบปฏิบัติตามมาตรฐานสูงสุด ระบบห้องสะอาดต้องหยุดทำงานเป็นระยะเวลา 40 หน่วย (อาจหมายถึง 40 ชั่วโมง/วัน/ครั้ง ขึ้นอยู่กับบริบท) ซึ่งส่งผลให้เกิดสารตกค้าง (residual) จากการดำเนินงานจริง นอกจากนี้ ยังมีกิจกรรมด้านอนุภาค (particle) รายเดือน (mensal activity) ระดับ o 1 สำหรับห้องสะอาดแต่ละแห่ง ซึ่งต้องประเมินตามเกณฑ์ eu ระดับ o 1 แยกตามแต่ละกระบวนการ และประเมินตามความจำเป็นทั้งก่อน ระหว่าง และหลังกระบวนการดำเนินงาน รวมถึงประเมินในระบบห้องสะอาด/สถานที่ (cleanroom/fac;) และระบบห้องสะอาด/CE ที่เกี่ยวข้อง ระยะเวลาหยุดทำงาน (downtime) 40 หน่วย เกิดขึ้นทั้งก่อนและหลังการดำเนินงานของระบบระดับ o f 1 และระบบปฏิบัติการอื่นๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดสารตกค้างในห้องสะอาดแต่ละแห่ง ทั้งในระดับ o 1 และระดับ CM 1 สำหรับระบบห้องสะอาดแต่ละระบบ ระยะเวลาหยุดทำงาน 40 หน่วย เกิดขึ้นทั้งก่อนและหลังการดำเนินงานของระบบห้องสะอาด/CE ที่ระดับ o 1 สำหรับแต่ละห้องสะอาด/CE ที่ระบุไว้ ระยะเวลาหยุดทำงาน 40 หน่วย เกิดขึ้นทั้งก่อนและหลังการดำเนินงานของระบบห้องสะอาด ซึ่งส่งผลต่อแต่ละห้องสะอาด/CE แต่ละแห่ง และแต่ละระบบห้องสะอาด/CE ที่เกี่ยวข้อง รวมถึงระบบห้องสะอาด/CE ที่กำลังดำเนินงานอยู่ ทั้งในระดับ o และระดับห้องสะอาดโดยรวม ระบบแบบโมดูลาร์สามารถติดตั้งได้ที่ระดับ m o ตั้งแต่ 1 หน่วยต่อห้องสะอาด/CE แต่ละแห่ง ไปจนถึงห้องสะอาดทั้งหมด และสามารถติดตั้งได้ทั้งในระดับ o 1 และในแต่ละระดับ m ระยะเวลาหยุดทำงาน 40 หน่วย และการหยุดระบบเพื่อการดำเนินงานระดับ 1 นั้นเกิดขึ้นกับระบบปฏิบัติการแต่ละระบบ ทั้งก่อนและหลังการดำเนินงาน รวมถึงห้องสะอาดแต่ละแห่ง ระยะเวลาหยุดทำงาน 40 หน่วย และการหยุดระบบเพื่อการดำเนินงานระดับ 1 นั้นเกิดขึ้นทั้งก่อนและหลังการดำเนินงานของระบบปฏิบัติการ ทั้งในระดับ m และระดับ 1 สำหรับแต่ละระบบปฏิบัติการ รวมถึงระบบห้องสะอาดที่เกี่ยวข้อง ทั้งในระดับ o m สำหรับห้องสะอาดแต่ละแห่ง ระบบปฏิบัติการ และระบบห้องสะอาดที่เกี่ยวข้อง ทั้งก่อน ระหว่าง และหลังการดำเนินงาน รวมถึงการประเมินในระดับ m และระดับห้องสะอาด/CE สำหรับระบบปฏิบัติการระดับ f 1 ระยะเวลาหยุดทำงานเกิดขึ้นทั้งก่อนและหลังการดำเนินงานของระบบห้องสะอาด และระบบห้องสะอาด/สถานที่ (cleanroom/fac.) ระยะเวลาหยุดทำงานของระบบห้องสะอาดคือ 40 หน่วย ซึ่งวัดเป็น ms m 40 การลดต้นทุนการเป็นเจ้าของผ่านการลงทุนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และการวางแผนตารางเวลาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน (TCO) ลดลง 27% ภายใน 10 ปี เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องทำความเย็นแบบติดตั้งหน้างาน (Field-Erected Chillers) (ตามเกณฑ์อ้างอิง SEMI S26-0722)

เกณฑ์อ้างอิง SEMI S26-0722 ปี ค.ศ. 2022 แสดงให้เห็นว่า เครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มีต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน (TCO) ต่ำกว่าเครื่องทำความเย็นที่ประกอบขึ้นหน้างานถึง 27% ภายในระยะเวลา 10 ปี ต้นทุนการลงทุนลดลง 19% เนื่องจากระบบแบบโมดูลาร์สามารถประกอบและผสานรวมกันได้หน้างาน ผลิตตามเกณฑ์การออกแบบที่กำหนดไว้ และจัดส่งไปยังสถานที่ติดตั้งในรูปแบบวงจรทำความเย็นที่สมบูรณ์แบบแล้ว ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับการจัดวางระบบและการดำเนินงานของโรงงานผลิต ระบบเครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์สามารถประหยัดพลังงานได้สูงสุดถึง 40% เนื่องจากมีพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหนือกว่า และมีความสามารถในการปรับความเร็วของคอมเพรสเซอร์ให้สอดคล้องกับภาระงานของโรงงาน (ซึ่งอาจส่งผลดีหรือไม่ดีต่อประสิทธิภาพโดยรวม) นอกจากนี้ ด้วยการตรวจจับข้อบกพร่องล่วงหน้าผ่านระบบวินิจฉัยเชิงทำนาย และการสึกหรอของชิ้นส่วนกลไกที่ต่ำลง ค่าใช้จ่ายด้านการบำรุงรักษาจึงสามารถลดลงได้ถึง 31% ข้อมูลนี้สนับสนุนอย่างแข็งแกร่งต่อการเปลี่ยนผ่านที่ผู้ผลิตจำนวนมากกำลังดำเนินการอยู่ในขณะนี้

สามารถคาดการณ์ได้ว่าจะมีการลดลงของต้นทุนการจัดหาเงินทุนและค่าใช้จ่ายด้านแรงงานเนื่องจากการนำระบบไปใช้งานที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

เมื่อระบบสกิดผ่านการทดสอบที่โรงงานผลิตรถยนต์ ระบบดังกล่าวจะช่วยลดเวลาการเชื่อมและการปรับเทียบในสถานที่จริงลง 85% นอกจากนี้ ยังลดระยะเวลาการติดตั้งลง 6 ถึง 9 สัปดาห์ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบรุ่นเก่าที่ใช้เวลา 12 ถึง 18 สัปดาห์ ตามข้อมูลปี 2023 จากสมาคมเจ้าของโรงงานผลิต (Fab Owners Association) เวลาที่ประหยัดได้จากการเชื่อมและการปรับเทียบส่งผลโดยตรงให้ต้นทุนดอกเบี้ยลดลงประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อโรงงานผลิตหนึ่งแห่ง อีกทั้ง ระบบใหม่นี้ยังช่วยประหยัดเวลาการทำงานในการตรวจสอบและยืนยันคุณภาพ (validation work) ได้มากกว่า 300 ชั่วโมงแรงงาน ระบบควบคุมแบบบูรณาการช่วยให้สามารถตั้งค่าและเริ่มการผลิตได้อย่างรวดเร็วขึ้น จึงทำให้เวลาโดยรวมในการดำเนินโครงการเสร็จสมบูรณ์ลดลง และลดโอกาสเกิดความล่าช้าจากปัจจัยสภาพอากาศซึ่งส่งผลให้ต้นทุนโครงการเพิ่มขึ้น

เครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์สนับสนุนการคืนทุน (ROI) ในการประมวลผลระดับย่อย 3 นาโนเมตร จึงส่งเสริมการขยายกำลังการผลิตอย่างยืดหยุ่นและมีวินัยทางการเงิน

การขยายกำลังการผลิตแบบเป็นระยะและขับเคลื่อนด้วยความต้องการ โดยใช้เครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบโมดูลาร์

ความสามารถในการปรับขนาดแบบละเอียด (เพิ่มทีละ 50–200 ตันระบายความร้อน) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานสูงสุด และหลีกเลี่ยงการจัดสรรกำลังการผลิตเกินความจำเป็น

เครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์มีความยืดหยุ่นในการทำความเย็นลงถึงระดับที่ต้องการ ซึ่งรองรับการขยายขนาดได้ในช่วง 50 ถึง 200 ตันการทำความเย็น วิธีนี้ช่วยแก้ปัญหาของระบบแบบดั้งเดิมที่มีกำลังการทำความเย็นมากเกินไป แต่มีเครื่องทำความเย็นน้อยเกินไป เมื่อโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (fabs) ได้รับเครื่องลิโธกราฟีหรือเครื่องกัดกร่อนเพิ่มเติม อัตราการใช้งานอุปกรณ์โดยรวมจะเพิ่มขึ้น 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับโรงงานที่ใช้เครื่องทำความเย็นขนาดใหญ่เพียงเครื่องเดียว นอกจากนี้ การปรับขนาดแบบละเอียดย่อย (granular scalability) ยังช่วยลดต้นทุนการลงทุนครั้งแรกได้ประมาณสามสิบเปอร์เซ็นต์ ทำให้มีเงินทุนสำหรับการพัฒนาเพิ่มเติมแทนที่จะถูกผูกมัดอยู่กับระบบทำความเย็น ขณะที่กระบวนการผลิตขยายตัวจากชุดตัวอย่างเล็กๆ ไปสู่การผลิตเต็มรูปแบบ เครื่องทำความเย็นเหล่านี้ก็สามารถขยายขนาดตามไปด้วย โดยไม่จำเป็นต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับการอัปเกรด หรือมีกำลังการทำความเย็นส่วนเกินที่ไม่ได้ใช้งาน

ผลกระทบจริงที่พิสูจน์แล้ว: กรณีศึกษาจากโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำ

ผู้ผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์กำลังได้รับประโยชน์จากเครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์ที่ติดตั้งอยู่ในโรงงานของตน ที่โรงงานผลิตวงจรลอจิกขั้นสูงแห่งหนึ่ง รายงานว่าเวลาที่เครื่องจักรหยุดทำงานเนื่องจากความร้อนลดลงถึง 18% ที่โรงงานอีกแห่งหนึ่ง สามารถลดต้นทุนพลังงานได้ 22% ภายในระยะเวลาเพียงหนึ่งปี เมื่อบริษัทผู้ผลิตหน่วยความจำรายใหญ่กำลังขยายการผลิตไปสู่เทคโนโลยีระดับ 3 นาโนเมตร บริษัทเลือกที่จะเพิ่มกำลังการทำความเย็นแบบค่อยเป็นค่อยไปครั้งละ 50 ตันเท่านั้น แทนที่จะซื้อทั้งหมดพร้อมกันในคราวเดียว ซึ่งการตัดสินใจนี้ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายส่วนเกินสำหรับอุปกรณ์ขั้นตอนก่อนหน้า (upstream equipment) ไปได้ 2.7 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ เครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์กำลังได้รับการเปรียบเทียบในเชิงบวกกับระบบแบบติดตั้งหน้างานแบบดั้งเดิม เมื่อเปรียบเทียบกับระบบอื่นๆ ทั้งหมด เครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์มีประสิทธิภาพการทำงานที่เหนือกว่า ซึ่งหมายความว่าเครื่องทำความเย็นแบบโมดูลาร์คือทางเลือกที่ดีกว่าสำหรับโซลูชันการควบคุมอุณหภูมิ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการลิโธกราฟีด้วยแสงอัลตราไวโอเลต (ultra-violet lithography) ซึ่งแม้แต่ความแปรผันเล็กน้อยที่สุดในกระบวนการก็อาจส่งผลกระทบอย่างมีน้ำหนักต่ออัตราผลผลิตที่ตั้งเป้าไว้

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดการควบคุมอุณหภูมิจึงจำเป็นสำหรับกระบวนการลิเทอร์กราฟี EUV และกระบวนการที่มีขนาดต่ำกว่า 3 นาโนเมตร

ในการควบคุมอุณหภูมิ จะเกิดการบิดเบี้ยวของเลนส์ ความคลาดเคลื่อนในการวางซ้อน (overlay errors) และของเสียเพิ่มขึ้นจากอัตราการทิ้งสินค้าสูง ซึ่งทั้งหมดนี้ส่งผลเสียต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์และอัตราการได้ผลผลิต (yield)

การออกแบบแบบโมดูลาร์ของเครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ช่วยลดการเกิดอนุภาคในห้องสะอาดได้อย่างไร

เครื่องทำความเย็นเหล่านี้ถูกออกแบบให้รวมชิ้นส่วนเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ตั้งแต่โรงงาน ซึ่งรวมถึงตัวกรอง HEPA และการปิดผนึกที่โรงงานเพื่อขจัดการรั่วซึม ส่งผลให้อัตราการเกิดอนุภาคต่ำลงอย่างมาก ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อมาตรฐานของห้องสะอาด

สามารถคาดการณ์การประหยัดต้นทุนได้มากน้อยเพียงใดด้วยเครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบโมดูลาร์

เครื่องทำความเย็นสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบโมดูลาร์ช่วยประหยัดต้นทุนได้โดยมีต้นทุนการลงทุนครั้งแรกต่ำกว่า ต้นทุนการดำเนินงานต่ำกว่า ระยะเวลาการติดตั้งสั้นกว่า และต้นทุนการบำรุงรักษาต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับระบบแบบดั้งเดิม