Khát nước siêu tinh khiết cho sản xuất bán dẫn

mỗi ngày, các nhà máy vi mạch lấy nước thuần khiết nhất thế giới để tắm những đĩa bán dẫn.

nước siêu tinh khiết UPW là một khái niệm của ngành, miêu tả loại sản phẩm nước với tiêu chuẩn tinh khiết ngặt nghèo đến mức khả năng trúng xổ số còn cao hơn khả năng phát hiện ra một phân-tử-không-phải-H20 trong nó [UPW]

các công ty đã vất vả, xoắn quẩy lắm mới làm được ra nước siêu tinh khiết mà tiêu chuẩn tinh khiết thì càng ngày càng cao, năm này phải tinh khiết hơn năm trước. Liệu có giới hạn tinh khiết trong nước ta làm ra được hay không?

Nước siêu tinh khiết UPW
Như tên gọi, sản phẩm này được dùng trong số ít ngành công nghiệp có những tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng cao.

Ví dụ ngành công nghiệp dược sử dụng UPW để chuẩn bị các liệu pháp điều trị tiêm và ống thở. Tuy nhiên phải lưu ý rằng mặc dù cũng gọi là nước siêu tinh khiết thì tiêu chuẩn tinh khiết khác với ngành bán dẫn.

Trong ngành bán dẫn, chất hoá học được dùng rộng rãi, các xưởng fab dùng nước siêu tinh khiết để gột rửa bề mặt đĩa bán dẫn, giảm loãng những chất hoá học nhất định và để quang khắc nhúng.

Trung bình, một xưởng fab dùng hơn 7000 lít nước siêu tinh khiết mỗi phút, 8 đến 11 triệu lít mỗi ngày

Mỗi đĩa bán dẫn dùng 8000 lít nước qua toàn bộ vòng dây chuyền sản xuất, nhiều giờ bị nhúng xuống các hệ thống cọ-rửa-nước

Tại sao cần nước tinh khiết?
Vì các tạp chất có thể ảnh hưởng lên đĩa bán dẫn theo những cách như tạp chất có thể ‘hạ cánh’ giữa các hàng trên thiết kế đĩa bán dẫn và gây đoản mạch, hoặc tạp chất có thể đậu xuống chất cảm quang trong công đoạn quang khắc và gây lỗi hiện hình trên đĩa bán dẫn (giống như hạt bụi đọng trên thấu kính máy ảnh gây bóng đen trên ảnh), hoặc tạp chất gây vài nano giây sốc tĩnh điện nhỏ ảnh hưởng đến thiết kế đĩa bán dẫn.

Tất cả đều ảnh hưởng tỷ lệ đạt thành phẩm đĩa bán dẫn, khuyết tật gây bởi những hạt sát thủ theo thống kê đã tác động lên tiến trình cải thiện tỷ lệ đạt – là tiến trình để nâng từ 50 lên đến 90% số thành phẩm đạt, là một vấn đề thiết yếu để Intel quy mô hoá tiến trình xử lý 14 nanomet.

Có gì trong nước?
Các nhà sản xuất nước siêu tinh khiết xếp loại các tạp chất, mà họ ước tính có thể tìm thấy và loại bỏ, thành nhiều hạng mục:

1 hạt: là phần khó nhằn nhất của toàn bộ tiến trình, bất cứ vật thể nào cũng rơi rụng hạt, đặc biệt khi bị rung lắc, nung nóng hoặc bẻ gãy. Ống và các thanh thường xuyên rơi rụng hạt xuống nước chảy, thành các đợt bùng nổ gây đau đầu cho xử lý

2 vi khuẩn: kiểm soát cộng đồng vi khuẩn chưa bao giờ dễ vì chúng sinh sôi. Các thủ tục phòng sạch hiện đại, tuy nhiên, đạt yêu cầu và các công ty ngày nay chỉ còn phải xử lý với những cộng đồng vi khuẩn ấy ở những cơ sở [nhà máy] mới tinh.

3 cacbon hữu cơ: làm thức ăn cho cộng đồng vi khuẩn và có thể để lại những cư dân không mong muốn trên đĩa bán dẫn

4 silica SiO2 khá phổ biến cả hoà tan hay lẻ tẻ, trong đó lẻ tẻ đặc biệt chí mạng cho sản xuất đĩa bán dẫn

5 những thứ khác như kim loại, ion và oxy hoà tan: kim loại có thể rải lên bề mặt silic, oxy hoà tan có thể tạo bong bóng và oxy hoá nhiều phần của đĩa bán dẫn

Hẳn là không thể loại bỏ mọi thứ tồn tại trên đĩa bán dẫn, đặc biệt ở quy mô công nghiệp, nhưng vẫn cần đạt tiêu chuẩn nào đấy. Và các nhà sản xuất phải lọc mọi thứ có thể đo lường được bằng những thiết bị hiện hành

Tiêu chuẩn tinh khiết
Từ năm 2001 khi tiến trình xử lý mới nhất là 150 nanomet, giới hạn cho siêu tinh khiết đã tiếp cận ngưỡng điên rồ

Năm 2001 định nghĩa nước siêu tinh khiết quy định kích cỡ hạt sát thủ vào khoảng 65 nanomet bằng một nửa kích cỡ miêu tả vi mạch, 65 nanomet chỉ bằng đường kính virus covid và nhỏ bằng 1 phần 1500 lần đường kính của cọng tóc người

Mỗi lít nước siêu tinh khiết chỉ được phép có 20 hạt kích thước như thế.

Nguyên tố như boron, natri, kali và ion clorua, yêu cầu còn cao hơn chỉ được phép 5 đến 50 mỗi một nghìn tỷ hạt phân tử nước

Ví dụ xác suất trúng xổ số quốc gia Vương quốc Anh là 1 phần 45 057 474 tương đương 22 nghìn khả năng trúng mỗi một nghìn tỷ vé, cao hơn 450 lần khả năng tìm thấy hạt muối natri clorua trong nước siêu tinh khiết dùng cho công nghiệp bán dẫn năm 2001

Tiến trình vi mạch càng thu nhỏ, tiêu chuẩn nước càng đẩy xuống

Nguồn nước thô
Các hệ thống nước siêu tinh khiết hiện đại có 3 công đoạn chính, mỗi công đoạn lại có những bước nhỏ hơn riêng biệt – cũng như một hệ thống ống dẫn kết nối chúng.

Đầu tiên là nước thô, lấy từ những nguồn như hệ thống nước thành phố, các nhà máy khử muối, tự nhiên hoặc một hệ thống tái chế nước nội bộ.

Nguồn nước thô có thể khá tung toé. Như một ví dụ tai tiếng năm 2001 Intel chịu một cuộc đột kích của cacbon hữu cơ vào nước siêu tinh khiết của công ty, họ truy nguồn gốc 45-200 kilogam đạm urê lẫn trong 2700 tấn nước thô, tức là chỉ 0.006%

Urê lọt qua được các công đoạn lọc vào nước siêu tinh khiết còn 15 hạt mỗi một tỷ phân tử nước, vẫn quá cao bởi vì một khi urê bị phơi sáng dưới tia DUV trong bước quang khắc, nó phân huỷ thành a mô ni ắc và gây lỗi.

Urê vẫn lẫn trong nước, có lẽ từ những nông trường xung quanh, nhưng năm 2001 nồng độ cao bất thường vì mưa mùa hè năm ấy đạt mức thấp kỷ lục 20 năm, không giúp pha loãng

Tiến trình xử lý
Bước đầu tiên làm với nước thô là qua công đoạn tiền xử lý, máy móc và các công cụ lọc loại bỏ phần lớn tạp chất nước – những chất lỏng bị cấm, clo...

Nhìn chung những hệ thống này là mở rộng áp dụng phương pháp thẩm thấu ngược – gây áp lực và một màng không lỗ thoát khí để lọc nước – loại bỏ phần lớn những hạt vật chất bao gồm hữu cơ, silica, muối, vi khuẩn, hạt, virus

Sau đó, nước được khử khí và khử bằng tia cực tím, tia cực tím phân tách các sinh vật hữu cơ thành các hợp chất hữu cơ

Nước được chuyển tiếp đến công đoạn cơ bản, thường là bước khử ion, còn được gọi là trao đổi ion, để loại bỏ càng nhiều ion càng tốt

Sau đó, nước được khử khí lần nữa và sau đó qua một vòng lặp đánh bóng, để duy trì tuần hoàn nước và giữ nước chất lượng cao.

Một điểm thiết yếu là giữ nhanh tốc độ chảy nước qua ống. Một ống nước chậm có thể cho vi khuẩn sinh nở tạo những màng sinh học vấy bấn chất lượng đĩa bán dẫn.

Đáng lưu ý là các xưởng fab bán dẫn tự sản xuất nước siêu tinh khiết, cho nên cài đặt và các khái niệm là tuỳ xưởng – kết hợp bước, lẫn lộn bước, hoặc lặp lại nhiều công đoạn
Ví dụ: một số xưởng fab Nhật Bản quy định thêm một vòng thẩm thấu ngược song song với bước trao đổi ion trong công đoạn cơ bản.

Dù quy trình khác nhau, phần lớn tất cả các hệ thống nước siêu tinh khiết có chung những công đoạn là: trao đổi ion, thẩm thấu ngược, khử khí và tia cực tím khử trùng nước.

Đo lường độ tinh khiết
Giám sát và lọc những hạt kích thước nanomet không dễ và còn khó hơn với dung dịch, không phải trên một bề mặt. Làm sao loại bỏ được cái không dễ phát hiện? Làm sao thu hẹp được khuyết điểm trong khả năng đo lường – gọi là “lỗ hổng đo lường”?

Các kỹ sư thường đo lường độ dẫn điện hoặc điện trở của nước, hai đại lượng nghịch đảo với nhau, ngành bán dẫn thường đo điện trở.

Nước hoàn toàn thuần khiết ở 25 độ C có độ dẫn điện 0.05501 micro siemen mỗi centimet tương đương điện trở 18.18 mega ohm mỗi centimet là thước đo làm hệ quy chiếu

Nhiễm bẩn làm thay đổi tính chất vật lý của nước

Ví dụ nhiễm bẩn muối natri clorid ở mức 0.1 mỗi một tỷ hạ điện trở của nước xuống còn 18.11 mega ohm mỗi centimet

Cho nên máy đo kim loại được cài đặt dọc khắp hệ thống ống nước siêu tinh khiết để giám sát liên tục thời gian thực về nước đã đi bao xa qua hệ thống

Trong trường hợp một đơn vị lọc nước thẩm thấu ngược, các đo lường cho thấy điện trở dần dần tiếp cận con số 18.18 khi nước được xử lý lâu dần trong hệ thống thẩm thấu ngược.

Lỗ hổng đo lường lớn
Để đo lường số hạt trong nước, các công ty chiếu đèn laser qua nó. Các hạt sẽ phân tán ánh sáng và họ đo lường nó.

Khi tiến trình xử lý mới nhất tiến bộ hơn, các công ty phải dùng những đèn laser mạnh hơn với bước sóng ánh sáng nhỏ hơn.

Nhưng công cụ ấy chỉ hiệu lực nhất cho hạt kích cỡ 30 đến 100 nanomet, nếu hạt sát thủ hạ kích cỡ xuống 20 nanomet, đã xảy ra cách đây 10 năm, kỹ sư tá hoả phát hiện rằng không công cụ phát hiện nào tồn tại để liên tục phát hiện số lượng ít những hạt nhỏ cỡ 10 nanomet

Cũng không phải là hoàn toàn ‘mù’ không phát hiện được, những công cụ ngày nay vẫn có thể phát hiện những hạt siêu siêu nhỏ này nhưng có nghĩa là hoặc phải hạ hiệu năng phát hiện xuống hoặc chỉ phát hiện được số lượng nhiều những hạt nhỏ.

Các công ty đang đầu tư vào biện pháp thay thế và có một số ứng viên triển vọng.

Tán xạ ánh sáng động là một biện pháp đáng chú ý đo lường thay đổi cường độ ánh sáng khi ánh sáng đi qua mẫu. Vấn đề là giới hạn kích thước hạt sát thủ đang thu nhỏ nhanh hơn những công nghệ đo lường này có thể tiến bộ kịp, cho nên không may lỗ hổng đo lường không thể giải quyết bằng công nghệ

Kiểm soát rủi ro
Ngày nay, tiêu chuẩn ngành bán dẫn thời thượng là 10 hạt lớn hơn 3.5 nanomet cho mỗi mili lit nước lúc mới cho vào công cụ, cao hơn rất nhiều khả năng đo lường.

Do đó các công ty ra phương sách một loại hình kiểm soát rủi ro chủ động.

Ví dụ sử dụng một hệ số tương quan cấp số mũ để dự đoán mức nhiễm bẩn tại kích cỡ mục tiêu. Đầu tiên họ đo lường bao nhiêu hạt lớn có trong nước ở đầu dòng dây chuyền của hệ thống lọc, ví dụ họ tìm thấy 30 hạt cỡ 50 nanomet ở đầu dòng, 30 hạt có thể ngoại suy ra 10 hạt cỡ 5 nanomet

Làm vậy kèm với bảo quản khắt khe những công cụ lọc hiệu suất cao và những vật liệu rơi rụng hạt đã biết ví dụ như nhựa resin dùng trong hệ thống trao đổi ion

Tổ chức SEMI có tiêu chuẩn cho mọi công đoạn ấy và là nguồn của phần lớn bài viết này, C93 nói cụ thể về khâu này

Các công ty đã phải áp dụng thực tiễn kiểm soát rủi ro chủ động này cho các hệ thống lọc ra nước siêu tinh khiết trong 10 năm qua. Tỷ lệ đạt chưa đổ vỡ nên có vẻ không sao.

Trong những năm gần đây, một thử thách mới xuất hiện khi các kỹ sư xưởng fab nay phải xử lý với nhiễm bẩn hạt cỡ nanomet trên bề mặt đĩa bán dẫn do một lỗ hổng đo lường tương tự giờ đây xảy ra cho những khâu khác của bước sản xuất

Kết
Tác giả đã đọc qua toàn bộ một quyển sách về nước, viết bởi một đội nghiên cứu đã dành cả sự nghiệp nghiên cứu tính chất và đặc điểm vật lý của thứ có vẻ trần tục như nước thuần khiết. Họ là những anh hùng cho ngành bán dẫn làm ra được sản phẩm hôm nay.

Nước bạn tắm ngày nay có lẽ đầy những hạt sát thủ, silica, urê, ion, vi khuẩn và cacbon hữu cơ