Trong các nhà máy bán dẫn hiện đại, mỗi bước bán dẫn đều được kiểm soát, đo lường và lặp lại hàng nghìn lần mỗi ngày. Tuy nhiên, đằng sau những căn phòng siêu sạch, kỹ thuật in thạch bản tiên tiến và buồng chân không cao, có một cỗ máy yên tĩnh có thể thực hiện được tất cả những điều này: nitơ có độ tinh khiết cao. Thay vì chỉ dựa vào việc vận chuyển nitơ lỏng hoặc xi lanh, nhiều nhà máy hiện đang chuyển sang hệ thống tạo nitơ tại chỗ được xây dựng xung quanh máy tạo nitơ công nghiệp để đảm bảo nguồn cung cấp nitơ ổn định, có thể kiểm soát và tiết kiệm chi phí cho các quy trình quan trọng.

Nói một cách đơn giản, Hệ thống tạo nitơ cho sản xuất chất bán dẫn sử dụng máy tạo nitơ công nghiệp tại chỗ để tạo ra nitơ có độ tinh khiết cao, khô và không dầu từ khí nén, sau đó phân phối nitơ đó đến các công cụ, phòng sạch và tiện ích để cải thiện độ ổn định của quy trình, giảm chi phí vận hành và tăng cường an ninh cung cấp so với khí được cung cấp.

Khi hình dạng chip thu hẹp và khối lượng sản xuất tăng lên, chất lượng và độ tin cậy của khí xử lý càng trở nên quan trọng hơn. Nitơ được sử dụng để làm sạch wafer, làm trơ, khí mang, kiểm tra rò rỉ và bảo vệ các bề mặt nhạy cảm. Hệ thống được thiết kế tốt tạo Nitơ cho phép các nhà máy bán dẫn tinh chỉnh độ tinh khiết, áp suất và lưu lượng cho từng ứng dụng, sử dụng các công nghệ đã được chứng minh như PSA (Hấp thụ xoay áp suất) và các trạm nitơ dạng mô-đun hoặc dạng container có thể chạy 24 giờ một ngày, 7 ngày một tuần.

Trong hướng dẫn này, bạn sẽ có được cái nhìn tổng quan đầy đủ về cách sử dụng nitơ trong sản xuất chất bán dẫn, nơi phù hợp với máy tạo nitơ tại chỗ và lý do tại sao nhiều nhà máy hơn đang đầu tư vào hệ thống tạo nitơ của riêng họ thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào khí được cung cấp.

Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ đề cập đến:

• Sản xuất chất bán dẫn bằng khí nitơ

• Ứng dụng của máy tạo nitơ trong sản xuất chất bán dẫn

• Lợi ích của máy tạo nitơ đối với sản xuất chất bán dẫn

Sản xuất chất bán dẫn bằng khí nitơ

Khí nitơ được sử dụng trong suốt quá trình sản xuất chất bán dẫn để tạo ra môi trường trơ, khô và không có hạt, đồng thời một máy tạo nitơ tại chỗ cung cấp lượng nitơ này liên tục ở độ tinh khiết, áp suất và lưu lượng được kiểm soát để hỗ trợ các hệ thống cơ sở, lắp ráp và xử lý wafer.

Sản xuất chất bán dẫn dựa trên sự kiểm soát chính xác về hóa học, nhiệt độ và ô nhiễm. Nhiều bước trong quá trình chế tạo tấm wafer mặt trước và lắp ráp mặt sau cực kỳ nhạy cảm với oxy và độ ẩm. Nitơ là loại khí trơ được ưu tiên vì nó dồi dào, không phản ứng trong điều kiện bình thường và dễ tạo ra tại chỗ bằng máy tạo Nitơ . Trong một nhà máy điển hình, nitơ được tiêu thụ với khối lượng lớn để làm sạch tấm bán dẫn, khí mang, khí bao và kiểm tra rò rỉ.

Theo truyền thống, các nhà máy sử dụng nitơ lỏng được lưu trữ trong các thùng chứa hoặc dãy xi lanh. Ngày nay, các hệ thống mô-đun và dựa trên PSA tạo Nitơ có thể sản xuất nitơ ở mức độ tinh khiết từ khoảng 95% đến 99,9999%, với điểm sương thấp tới âm 60 độ C, trực tiếp từ khí nén. Điều này có nghĩa là nhà máy bán dẫn có thể đáp ứng chất lượng và số lượng nitơ cho từng bước trong quy trình, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào việc giao hàng và nhà cung cấp bên ngoài.

Để có cái nhìn tổng quan nhanh, bảng bên dưới liên kết các bước bán dẫn điển hình với yêu cầu về nitơ của chúng và cách máy tạo nitơ hỗ trợ chúng.

Khu vực xử lý	Vai trò nitơ điển hình	Phạm vi độ tinh khiết nitơ điển hình	Đóng góp của máy tạo nitơ điển hình
Làm sạch và sấy khô wafer	Thanh lọc, sấy khô, chống oxy hóa	99,9 đến 99,999 phần trăm	Nitơ có độ tinh khiết cao ổn định cho dụng cụ sấy khô
In thạch bản và chống nướng	Thanh lọc, trơ, chống bảo vệ	99,99 đến 99,999 phần trăm	Làm khô nitơ từ máy tạo nitơ PSA đến đường ray
Công cụ khắc và lắng đọng	Làm sạch buồng, thông gió, khí mang	Lên tới 99,9999 phần trăm trong một số công cụ	Nitơ siêu tinh khiết với máy lọc nếu cần
Lắp ráp và đóng gói	Hàn nóng chảy lại, đúc khuôn, thử nghiệm	99,9 đến 99,999 phần trăm	Nitơ nhất quán từ các đơn vị máy phát điện mô-đun
Cơ sở vật chất và tiện ích	Trang điểm không khí phòng sạch, gas dự phòng, tiện ích	99,5 đến 99,9 phần trăm	Nitơ số lượng lớn từ máy phát điện Nitơ chính

Trong tất cả các bước này, điều quan trọng là tính nhất quán. Máy tạo Nitơ được thiết kế với tháp PSA, bể đệm, máy sấy và bộ lọc có thể cung cấp áp suất và độ tinh khiết nitơ ổn định ngay cả khi nhu cầu đạt đỉnh điểm. Các trạm nitơ mô-đun hoặc container kết hợp tích hợp máy tạo nitơ PSA , xử lý không khí và lưu trữ khí trong một thùng chứa hoặc thùng trượt nhỏ gọn. Cách tiếp cận này giúp các nhà máy bán dẫn dễ dàng xác định vị trí cung cấp nitơ gần các điểm tiêu thụ hoặc thậm chí triển khai các bộ tạo Nitơ riêng biệt cho các tòa nhà hoặc phòng sạch khác nhau.

Các nhà máy sản xuất chất bán dẫn cũng đánh giá cao khả năng hoạt động liên tục 24 giờ của hệ thống máy phát điện Nitơ dựa trên PSA . Các tháp hấp phụ tự động chuyển đổi để duy trì dòng nitơ trong khi rây phân tử tái tạo và toàn bộ hệ thống được giám sát bởi PLC với chức năng giám sát áp suất, độ tinh khiết và dòng chảy. Nếu được bảo trì thích hợp, sàng phân tử có thể tồn tại trong nhiều năm và bản thân máy tạo Nitơ có thể hoạt động trong nhiều thập kỷ.

Ứng dụng của máy tạo nitơ trong sản xuất chất bán dẫn

Trong sản xuất chất bán dẫn, máy tạo Nitơ được sử dụng để chế tạo tấm bán dẫn, lắp ráp và đóng gói cũng như các hệ thống cơ sở, cung cấp nitơ tại chỗ để thanh lọc, làm trơ, khí mang, kiểm tra rò rỉ và hỗ trợ phòng sạch một cách linh hoạt và tiết kiệm chi phí.

Nhóm ứng dụng đầu tiên của máy tạo Nitơ nằm ở chế tạo tấm bán dẫn. Trong quá trình phát triển, khuếch tán, cấy ghép, lắng đọng và ăn mòn oxit, nitơ được sử dụng làm khí bao phủ để ngăn chặn các phản ứng không mong muốn với oxy, cũng như khí thanh lọc cho các buồng và ổ khóa tải. Các công cụ có thể yêu cầu nitơ có độ tinh khiết cực cao lên tới 99,9999 phần trăm, điều này có thể đạt được bằng cách kết hợp máy tạo Nitơ PSA với máy lọc đánh bóng hoặc chúng có thể chỉ yêu cầu độ tinh khiết 99,99 phần trăm mà hệ thống PSA có thể cung cấp trực tiếp.

Trong kỹ thuật in thạch bản, nitơ được sử dụng trong tủ bảo quản điện trở, dụng cụ phơi sáng và lò nướng sau phơi nhiễm. Ở đây, một máy tạo Nitơ cung cấp nitơ khô, sạch để bảo vệ chống lại hóa học và quang học. Trong các băng ghế ướt và trạm sấy khô, nitơ được sử dụng để thổi bay chất lỏng và ngăn ngừa hình mờ trên tấm bán dẫn. Đối với những nhu cầu về độ tinh khiết và độ khô cao này, máy tạo Nitơ được kết hợp với máy sấy lạnh hoặc chất hút ẩm và quá trình lọc tinh để giữ dầu và các hạt không lọt vào dòng nitơ.

Nhóm ứng dụng thứ hai bao gồm việc lắp ráp và đóng gói. Trong quá trình hàn khuôn và hàn nóng chảy lại, nitơ giúp đảm bảo làm ướt và giảm quá trình oxy hóa trên các mối hàn. Quá trình đúc và đóng gói thường sử dụng nitơ để khử khí và bảo vệ các vật liệu nhạy cảm. Một máy tạo Nitơ mô-đun có thể đặt gần dây chuyền lắp ráp và cung cấp nitơ ở lưu lượng và áp suất cần thiết. Khi sản xuất tăng lên, các bộ tạo Nitơ mô-đun bổ sung có thể được bổ sung để đáp ứng nhu cầu cao hơn mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống.

Nhóm thứ ba là hệ thống cơ sở vật chất và hỗ trợ. Phòng sạch có thể sử dụng không khí được làm giàu nitơ ở một số khu vực nhất định để kiểm soát nguy cơ cháy hoặc mức oxy, và nitơ được sử dụng trong tủ gas, ống góp van và đầu phân phối làm khí tẩy. Hệ thống tại chỗ tạo nitơ có thể cấp nguồn nitơ chính, sau đó phân nhánh đến các vùng và khu vực áp suất khác nhau. Các trạm chứa nitơ trong container tích hợp máy tạo nitơ , máy lưu trữ và máy nén tăng áp PSA có thể được lắp đặt bên ngoài tòa nhà chính và kết nối với lưới khí đốt bên trong, giải phóng không gian phòng sạch quý giá.

Bảng sau đây tóm tắt các cách sử dụng chất bán dẫn phổ biến cho máy tạo Nitơ tại chỗ.

Khu vực ứng dụng	Nhiệm vụ điển hình của nitơ	Vai trò của máy tạo nitơ
Công cụ xử lý wafer	Làm sạch, trơ, khí mang	Cung cấp nitơ có độ tinh khiết cao ổn định trực tiếp cho các tấm khí công cụ
In thạch bản và chống lại	Chống lại sự bảo vệ, thanh lọc quang học	Cung cấp nitơ khô sạch cho tủ và thiết bị phơi nhiễm
Bàn ướt và máy sấy	Sấy khô, chống oxy hóa	Thức ăn thổi khí nitơ với điểm sương thấp để sấy khô không có hình mờ
Dây chuyền lắp ráp và đóng gói	Reflow, đúc, thử nghiệm	Cung cấp nitơ ở lưu lượng được kiểm soát tới lò nướng và máy ép khuôn
Hệ thống tiện ích	Hỗ trợ phòng sạch, thanh lọc, an toàn	Hoạt động như nguồn nitơ số lượng lớn cho các đầu phân phối và đường thanh lọc

Bởi vì tất cả các điểm tiêu thụ này đều được phục vụ từ cùng một nền tảng máy phát điện Nitơ tại chỗ , nên các nhà máy bán dẫn có thể giám sát tổng mức sử dụng nitơ, điều chỉnh điểm đặt của máy phát điện và lập kế hoạch mở rộng. Nhiều hệ thống tạo Nitơ hiện đại bao gồm các điều khiển PLC tiên tiến với kết nối Ethernet hoặc fieldbus, giám sát từ xa và ghi dữ liệu. Các kỹ sư của nhà máy có thể theo dõi độ tinh khiết, điểm sương, áp suất và lưu lượng trực tiếp trong hệ thống giám sát cơ sở và điều chỉnh chế độ vận hành máy tạo Nitơ để tiết kiệm năng lượng trong thời gian nhu cầu thấp hơn.

Lợi ích của máy tạo nitơ đối với sản xuất chất bán dẫn

Đối với sản xuất chất bán dẫn, máy tạo Nitơ tại chỗ mang lại chi phí vận hành thấp hơn, an ninh nguồn cung cấp cao hơn, kiểm soát độ tinh khiết linh hoạt, cải thiện tính bền vững và tích hợp tốt hơn với các hoạt động của nhà máy so với khí nitơ được phân phối.

Từ góc độ chi phí, một Máy tạo nitơ loại bỏ nhiều chi phí định kỳ liên quan đến việc cung cấp nitơ lỏng hoặc xi lanh. Không có phí thuê xe tăng, không có phụ phí vận chuyển và ít tổn thất do thông hơi hoặc bay hơi hơn. Các nghiên cứu trường hợp từ các ngành khác cho thấy rằng các công ty chuyển sang sử dụng hệ thống tạo Nitơ dựa trên PSA thường giảm chi phí nitơ khoảng 30 đến 50% và một số có thời gian hoàn vốn trong khoảng từ một đến hai năm. Đối với một nhà máy bán dẫn khối lượng lớn có nhu cầu nitơ đáng kể, mức tiết kiệm được trong suốt vòng đời của máy tạo Nitơ có thể rất lớn.

An ninh nguồn cung là một lợi ích quan trọng khác. Một tại chỗ máy tạo Nitơ hoạt động bằng khí nén và điện, vốn là những tiện ích quan trọng trong bất kỳ nhà máy nào. Với điều kiện các dịch vụ này đáng tin cậy, việc cung cấp nitơ sẽ ít phụ thuộc hơn vào hậu cần bên ngoài, điều kiện đường sá hoặc các vấn đề của nhà cung cấp. Hệ thống nitơ PSA được thiết kế để hoạt động liên tục 24 giờ, với khả năng chuyển đổi tháp tự động và được tích hợp dự phòng khi máy phát điện nitơ . lắp đặt nhiều mô-đun

Tính linh hoạt của độ tinh khiết đặc biệt có giá trị trong các nhà máy bán dẫn. Với máy tạo Nitơ , người vận hành có thể đặt các mục tiêu độ tinh khiết khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Ví dụ: các quy trình giao diện người dùng cần 99,999 phần trăm nitơ có thể được cung cấp từ máy tạo Nitơ PSA có độ tinh khiết cao hoặc từ máy phát điện kết hợp với máy lọc, trong khi các mục đích sử dụng ít quan trọng hơn có thể được chỉ định cho một máy tạo Nitơ riêng biệt hoạt động ở mức 99,9% nitơ để tiết kiệm năng lượng. Độ tinh khiết của nitơ, điểm sương và áp suất đều có thể được điều chỉnh để phù hợp với phạm vi quy trình.

Lợi ích bền vững của máy tạo Nitơ cũng rất quan trọng. Loại bỏ việc cung cấp nitơ làm giảm lượng khí thải carbon liên quan đến tổn thất vận chuyển và bay hơi. Sản xuất nitơ tại chỗ sử dụng không khí làm nguyên liệu và có thể kết hợp với máy nén và thu hồi nhiệt tiết kiệm năng lượng. Một số phân tích cho thấy rằng hệ thống nitơ tại chỗ có thể cắt giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính tổng thể so với nitơ số lượng lớn, đặc biệt khi được lắp đặt gần điểm sử dụng và khi được cung cấp năng lượng bởi thiết bị hiệu quả.

Để làm nổi bật những lợi ích của máy tạo nitơ trong sản xuất chất bán dẫn, bảng so sánh này so sánh việc tạo ra tại chỗ với nitơ được phân phối:

Khía cạnh	Máy tạo nitơ tại chỗ Cung	cấp nitơ lỏng hoặc xi lanh
An ninh cung cấp	Được tạo ra theo yêu cầu từ không khí và năng lượng	Phụ thuộc vào việc giao hàng bằng xe tải và lịch trình của nhà cung cấp
Chi phí vận hành	Chi phí trên mỗi đơn vị gas thấp hơn, không có phí thuê hoặc vận chuyển	Chi phí dài hạn cao hơn, phí bổ sung và tổn thất do bốc hơi
Độ tinh khiết linh hoạt	Độ tinh khiết có thể điều chỉnh 95 đến 99,9999 phần trăm	Cấp sản phẩm cố định, kém linh hoạt
Dấu chân cài đặt	Các thanh trượt hoặc thùng chứa dạng mô-đun, gần nơi sử dụng	Bể chứa ngoài trời lớn và cơ sở hạ tầng, vị trí cố định
Khả năng mở rộng	Thêm nhiều mô-đun máy phát điện Nitơ khi nhu cầu tăng lên	Yêu cầu xe tăng mới hoặc hợp đồng cung cấp
Tính bền vững	Giảm lượng khí thải giao thông, tiềm năng tối ưu hóa năng lượng	Lượng khí thải giao thông cao hơn, kiểm soát nguồn năng lượng ít hơn
Giám sát và kiểm soát	PLC tích hợp với chức năng giám sát và ghi dữ liệu từ xa	Kiểm soát hạn chế ngoài giám sát mức bể cơ bản

Khi hệ thống tạo khí Nitơ được chỉ định hợp lý, các nhà sản xuất chất bán dẫn sẽ có nhiều quyền kiểm soát hơn đối với chiến lược sử dụng khí đốt của họ. Các kỹ sư có thể lập kế hoạch công suất nitơ giống như các tiện ích khác, tích hợp máy tạo Nitơ vào các khái niệm dự phòng, giám sát cơ sở và nguồn điện liên tục, thay vì coi nitơ như một loại hàng hóa bên ngoài.

Sản xuất chất bán dẫn bằng khí nitơ: Góc nhìn cuối cùng

Tóm lại, sản xuất chất bán dẫn phụ thuộc vào nitơ có độ tinh khiết cao ở mọi giai đoạn và hệ thống tạo nitơ được thiết kế tốt cho phép các nhà sản xuất sản xuất nitơ này tại chỗ với khả năng kiểm soát tốt hơn, chi phí thấp hơn và độ bảo mật cao hơn so với việc chỉ dựa vào nitơ được cung cấp.

Từ chế tạo tấm bán dẫn đến hệ thống lắp ráp và cơ sở, nitơ đóng nhiều vai trò: chăn trơ, khí thanh lọc, khí mang và công cụ an toàn. Một tại chỗ máy tạo Nitơ sẽ biến đổi khí nén thành nitơ phù hợp cho mỗi lần sử dụng. Với PSA và thiết kế mô-đun, độ tinh khiết có thể đạt tới 99,9999 phần trăm, điểm sương có thể được giữ ở mức rất thấp và lưu lượng có thể tăng từ vài mét khối mỗi giờ đến hàng nghìn mét khối mỗi giờ, cho phép cả dây chuyền thí điểm nhỏ và nhà máy sản xuất khối lượng lớn đều dựa vào khả năng tạo nitơ của chính chúng.

Bằng cách so sánh tổng chi phí sở hữu, nhiều nhà máy nhận thấy rằng máy tạo Nitơ tự chi trả trong thời gian ngắn và sau đó tiếp tục tiết kiệm. Đồng thời, nhà máy có được khả năng phục hồi trước sự gián đoạn nguồn cung và có thể thiết kế nguồn khí dự phòng xung quanh thiết bị của mình. Điều khiển PLC tiên tiến trong hệ thống tạo Nitơ hiện đại giúp dễ dàng tích hợp nitơ vào giám sát và phân tích, tạo ra tiện ích minh bạch và có thể kiểm soát thay vì chi phí ẩn.

Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một cơ sở bán dẫn mới hoặc nâng cấp một nhà máy hiện có, việc bao gồm một tại chỗ máy tạo Nitơ trong giai đoạn thiết kế ban đầu thường là lựa chọn hiệu quả nhất. Khi mức tiêu thụ nitơ, nhu cầu về độ tinh khiết và kế hoạch tăng trưởng được kết hợp với giải pháp PSA, mô-đun hoặc đóng gói phù hợp tạo nitơ , bạn có thể biến nguồn cung cấp nitơ từ hạn chế thành lợi thế cạnh tranh cho hoạt động sản xuất của mình.