Phòng sạch nhà máy chip: kiểm soát chênh áp, nhiệt độ và độ ẩm

Phòng sạch nhà máy chip không chỉ cần lọc bụi tốt. Dây chuyền còn đòi hỏi áp suất, nhiệt độ và độ ẩm luôn nằm trong dải hẹp, ổn định theo thời gian. Chỉ cần một thông số lệch, tỷ lệ thành phẩm có thể giảm dù bộ lọc vẫn hoạt động bình thường.

Bài viết này đi sâu vào ba thông số ấy và hệ thống điều hòa không khí đứng sau chúng: AHU, MAU, FFU, cảm biến và quy trình thẩm định. Nội dung dành cho chủ đầu tư, kỹ sư cơ điện và đội vận hành.

Là đơn vị tư vấn, thiết kế, thi công phòng sạch và sản xuất thiết bị phòng sạch, AIRTECH THẾ LONG trình bày các nguyên tắc cần chốt trước khi triển khai.

Vì sao phòng sạch nhà máy chip phải kiểm soát đồng thời ba thông số

Trong phòng sạch nhà máy chip, chênh áp, nhiệt độ và độ ẩm là ba biến số liên quan với nhau và cùng ảnh hưởng đến chất lượng wafer. Chúng không thể chỉnh riêng lẻ như ba núm vặn độc lập.

Các tài liệu về nhà máy bán dẫn mô tả phòng sạch phải được giảm rung để căn chỉnh quang khắc ở cấp nanomet. Phòng cũng phải giữ nhiệt độ và độ ẩm trong dải hẹp. Kiểm soát nhiệt ẩm còn góp phần hạn chế tĩnh điện.

Mỗi thông số tác động theo một cách khác nhau:

• Chênh áp quyết định hướng dòng khí, tức là bụi bị đẩy ra ngoài hay hút vào trong.
• Nhiệt độ ảnh hưởng độ ổn định của thiết bị đo, thiết bị quang khắc và vật liệu.
• Độ ẩm ảnh hưởng tĩnh điện, lớp cản quang và hiện tượng ngưng tụ hoặc ăn mòn.

Ba thông số này phụ thuộc lẫn nhau. Tăng lượng khí cấp làm đổi áp suất. Thêm tải nhiệt làm đổi nhiệt độ và độ ẩm tương đối. Mở cửa ra vào làm lệch cả ba.

Vì vậy thiết kế nên bắt đầu từ bài toán hệ thống. Theo ISO 14644-4:2022, tiêu chuẩn về thiết kế, xây dựng và khởi động, cleanroom được tạo ra theo một quy trình từ yêu cầu đến thiết kế, thi công và vận hành thử. Tiêu chuẩn này áp dụng cho cả công trình mới, cải tạo và sửa đổi, đồng thời nêu hướng quản lý năng lượng (thông tin chung).

Cấp sạch hạt vẫn là nền tảng. Theo ISO 14644-1:2015, ISO Class 5 cho phép tối đa 3.520 hạt kích thước 0,5 µm trong mỗi mét khối khí. Khu vực thao tác quan trọng của nhà máy chip thường nhắm tới cấp rất cao, tùy công nghệ và công đoạn. Tuy nhiên cấp sạch chỉ giữ được khi ba thông số trên ổn định.

Chênh áp: cách tạo và giữ hướng dòng khí trong phòng sạch

Chênh áp là hiệu số áp suất giữa hai không gian liền kề, dùng để định hướng dòng khí từ vùng sạch hơn sang vùng ít sạch hơn. Khi cửa mở, khí sạch đi ra ngoài thay vì để khí bẩn tràn vào.

Nguyên lý tạo chênh áp khá đơn giản. Lượng khí cấp vào phòng lớn hơn lượng khí hút và xả ra, phần dư rò qua khe cửa và các vị trí hở. Thực tế khó hơn nhiều vì rò rỉ của vỏ phòng thay đổi theo thời gian.

Một chuỗi phòng thường được sắp theo thang áp suất giảm dần từ khu sạch nhất ra hành lang. Cấu trúc này gọi là bậc thang áp suất, hay pressure cascade.

Một điểm hay bị bỏ qua là chênh áp cần được chọn theo rủi ro. Không có một con số duy nhất cho mọi dự án. Giá trị cụ thể xác định theo công nghệ, tài liệu áp dụng và đánh giá rủi ro, rồi ghi vào hồ sơ thiết kế để đối chiếu khi nghiệm thu.

Dưới đây là trình tự thường dùng khi thiết lập chênh áp cho một khu mới:

1. Xác định sơ đồ luồng người, vật tư và thứ tự cấp sạch giữa các phòng.
2. Gán quan hệ áp suất cho từng cặp phòng liền kề.
3. Tính cân bằng lưu lượng cấp, hồi và xả cho từng phòng.
4. Kiểm tra độ kín của vách, trần, cửa và các vị trí xuyên tường.
5. Cân chỉnh van gió, sau đó đo lại chênh áp ở trạng thái vận hành.

Hai thiết bị đi kèm giúp ổn định áp suất khi người ra vào. Air shower làm sạch người trước khi vào khu sạch và đồng thời là một cổng đệm. Pass box chuyển vật tư mà không mở thẳng giữa hai vùng. Bạn có thể tham khảo air shower buồng thổi khí của AIRTECH THẾ LONG để chọn cấu hình phù hợp.

Nhiệt độ và độ ẩm: vì sao dung sai hẹp lại quan trọng

Trong nhà máy chip, nhiệt độ và độ ẩm cần ổn định theo thời gian chứ không chỉ đúng giá trị đặt. Dao động nhỏ nhưng nhanh có thể gây sai lệch cho thiết bị đo và công đoạn quang khắc.

Với nhiệt độ, các thiết bị đo lường và quang khắc phản ứng với thay đổi rất nhỏ. Một nhà sản xuất bộ điều hòa chuyên dụng công bố khả năng giữ dung sai nhiệt cỡ ±0,02 °C và độ ẩm cỡ ±0,5% RH trong các ứng dụng bán dẫn. Đây là năng lực của một dòng thiết bị cụ thể, không phải yêu cầu chung cho mọi nhà máy.

Với độ ẩm, tác động đến từ nhiều hướng:

• Ẩm quá thấp làm tăng nguy cơ tích điện và phóng tĩnh điện (ESD).
• Ẩm quá cao gây ngưng tụ, ăn mòn bề mặt và ảnh hưởng vật liệu nhạy ẩm.
• Hơi ẩm có thể làm đổi độ nhớt của lớp cản quang và dung môi tráng, gây lỗi quang khắc.
• Biến động nhanh của độ ẩm còn nguy hiểm hơn một giá trị lệch nhỏ nhưng ổn định.

Vì vậy bản đặc tính kỹ thuật nên ghi cả ba nội dung: giá trị đặt, dung sai và tốc độ biến thiên cho phép. Nhiều hồ sơ chỉ ghi giá trị đặt, khiến đội vận hành khó biết khi nào hệ thống thật sự đạt yêu cầu.

Cảm biến cũng cần đặt đúng chỗ. Gần cửa gió cấp, số đo đẹp hơn thực tế; gần thiết bị tỏa nhiệt, số đo xấu hơn. Vị trí đo nên đại diện cho vùng thao tác.

AIRTECH THẾ LONG khuyến nghị lập bản đồ nhiệt ẩm khi vận hành thử. Bản đồ này cho thấy điểm nóng, điểm ẩm và giúp chọn vị trí cảm biến cố định cho giai đoạn vận hành.

AHU, MAU và FFU: ba lớp xử lý không khí phối hợp thế nào

Hệ thống điều hòa của phòng sạch chip thường chia thành khí tươi, khí tuần hoàn và cấp khí sạch tại trần. Mỗi lớp đảm nhiệm một phần việc.

MAU (make-up air unit) xử lý khí tươi lấy từ bên ngoài. Bộ phận này làm mát, hút ẩm, sấy hoặc tạo ẩm tùy thời tiết, rồi cấp lượng khí bù cho phần khí xả và rò rỉ. Nhờ có MAU, độ ẩm của cả phòng bớt phụ thuộc vào thời tiết.

AHU hoặc bộ xử lý khí hồi lấy khí từ phòng, giải nhiệt và hiệu chỉnh trước khi đưa trở lại vòng tuần hoàn. FFU (fan filter unit) là quạt kèm màng lọc HEPA hoặc ULPA đặt tại trần, thổi khí sạch xuống khu thao tác.

Chi phí điện là lý do lớn để chọn cấu hình cẩn thận. Chương trình ISMI thuộc SEMATECH từng so sánh bốn cấu hình khí tuần hoàn: FFU, bộ xử lý khí hồi, fan tower và plenum module. Kết quả cho thấy nhóm FFU có mức điện năng thấp nhất tính trên mỗi đơn vị lưu lượng. Cùng nguồn đó ghi nhận năng lượng khí tuần hoàn giảm từ 11% tổng điện năng của nhà máy năm 1997 xuống 5,3% (wafer 200 mm) và 3,9% (wafer 300 mm) năm 2007. Bạn có thể đọc nội dung nghiên cứu của ISMI để thấy bối cảnh số liệu.

Về phía thiết bị, FFU cho phép điều chỉnh tốc độ theo từng khu. Cách này hữu ích khi cải tạo hoặc mở rộng dây chuyền, vì không phải thay cả hệ thống ống gió. Bạn có thể xem thiết bị lọc khí sạch FFU, BFU, HFU để tham khảo các cấu hình cơ bản. Phần thiết kế tổng thể thuộc hạng mục hệ thống thông gió HVAC.

Điều khiển, cảm biến và giám sát liên tục

Hệ thống giám sát cho phòng sạch chip cần ghi liên tục chênh áp, nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời cảnh báo ngay khi vượt ngưỡng. Kiểm tra thủ công mỗi ca không đủ cho quy trình nhạy cảm.

Một chuỗi giám sát thường gồm các lớp sau:

• Cảm biến chênh áp đặt tại cửa hoặc vách giữa các phòng quan trọng.
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đặt tại vùng thao tác đại diện.
• Bộ điều khiển điều chỉnh van, quạt hoặc coil theo tín hiệu cảm biến.
• Hệ thống thu thập dữ liệu có đồng hồ thời gian chính xác và nhật ký sự kiện.
• Cảnh báo theo mức, tách giữa cảnh báo sớm và cảnh báo vi phạm.

Ngưỡng cảnh báo nên đặt thành hai mức. Mức cảnh báo cho vận hành biết xu hướng đang xấu đi. Mức hành động buộc đội kỹ thuật phải can thiệp. Cách chia này giúp xử lý trước khi lô hàng bị ảnh hưởng.

Độ tin cậy của dữ liệu cũng quan trọng không kém dữ liệu. Cảm biến cần hiệu chuẩn theo lịch, có giấy chứng nhận và được so sánh với cảm biến chuẩn. Thiết bị trôi sai số âm thầm là nguyên nhân phổ biến khiến báo cáo đẹp nhưng điều kiện thực lệch.

Về bảo trì, bộ lọc khí tươi, bộ lọc trung gian và HEPA làm thay đổi lưu lượng khi bị bẩn dần. Lưu lượng đổi thì chênh áp đổi. Vì vậy kế hoạch thay lọc nên gắn với số liệu tổn áp, không chỉ theo lịch cố định. Có thể tham khảo thêm bài bảo trì thiết bị phòng sạch đạt tiêu chuẩn.

AIRTECH THẾ LONG khuyến nghị thống nhất định dạng báo cáo ngay từ giai đoạn thiết kế. Khi đó đội vận hành không phải chuyển đổi dữ liệu khi nghiệm thu.

Thẩm định và kiểm tra theo ISO 14644-3

ISO 14644-3 là tiêu chuẩn mô tả các phương pháp thử để chứng minh phòng sạch đạt các điều kiện đã đặt ra. Phiên bản hiện hành là ISO 14644-3:2019.

Theo mục lục công bố của tiêu chuẩn, danh sách thử gồm: thử chênh áp, thử lưu lượng gió, thử hướng dòng khí và hình ảnh hóa, thử phục hồi, thử nhiệt độ, thử độ ẩm, thử rò rỉ hệ thống lọc đã lắp, thử rò rỉ ngăn chặn và thử tĩnh điện, bộ tạo ion. Bài tổng quan của ANSI trình bày các nhóm thử này, bạn có thể đọc tại đây.

Với ba thông số của bài, ba phép thử liên quan trực tiếp là chênh áp, nhiệt độ và độ ẩm. Hai phép thử bổ trợ là lưu lượng gió và hướng dòng khí, vì chúng cho biết nguyên nhân khi chênh áp không đạt.

Trình tự thẩm định thường như sau:

1. Lập kế hoạch thử, thống nhất phép thử và tiêu chí chấp nhận với nhà thầu.
2. Kiểm tra bản vẽ hoàn công và hiệu chuẩn thiết bị đo trước khi thử.
3. Đo ở trạng thái hoàn thiện, chưa có thiết bị và người.
4. Đo lại ở trạng thái vận hành với thiết bị và người làm việc.
5. Lập báo cáo, ghi nhận sai lệch và hành động khắc phục.
6. Lặp lại định kỳ theo kế hoạch giám sát đã duyệt.

Hai trạng thái đo có ý nghĩa khác nhau. Trạng thái trống cho thấy hệ thống thiết kế có đạt không. Trạng thái vận hành cho thấy điều kiện thực khi có tải nhiệt, người và chuyển động. Nhiều công trình đạt ở trạng thái trống nhưng lệch khi vào sản xuất.

Tiêu chí chấp nhận nên được thống nhất trước khi thi công, không đợi tới nghiệm thu, để tránh tranh luận về giá trị đạt và cách đo.

Giải pháp phòng sạch và thiết bị của AIRTECH THẾ LONG

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG hoạt động trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế, thi công phòng sạch và sản xuất thiết bị phòng sạch, phòng thí nghiệm. Công ty thuộc hệ sinh thái Airtech Group, có nhà máy sản xuất ở hai miền tại Hải Phòng và TP.HCM, với dây chuyền hiện đại nhập từ Châu Âu.

Với các dự án điện tử và bán dẫn, chúng tôi hỗ trợ những hạng mục liên quan đến chủ đề bài viết: hệ thông gió HVAC, thiết bị lọc khí sạch FFU, air shower, pass box, vách panel, sàn vinyl và các thiết bị thao tác sạch.

Cách tiếp cận bắt đầu từ yêu cầu công nghệ của bạn: cấp sạch từng khu, dung sai nhiệt ẩm, quan hệ chênh áp và tải nhiệt dự kiến. Từ đó mới đề xuất sơ đồ phân vùng, cấu hình cấp khí và phương án giám sát.

Chúng tôi cũng đề nghị thống nhất tiêu chí thẩm định ngay từ đầu, dựa trên ISO 14644-3, để hồ sơ nghiệm thu rõ ràng. Thông tin về thiết kế và thi công xem tại trang thi công phòng sạch.

Với dự án điện tử, bạn có thể đối chiếu thêm bài chi phí phòng sạch điện tử, bán dẫn để cân nhắc ngân sách. Quy mô và hạng mục của từng công trình luôn được tính riêng theo yêu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Chênh áp phòng sạch là gì và để làm gì?

Chênh áp là hiệu số áp suất giữa hai phòng liền kề. Nó định hướng dòng khí đi từ vùng sạch sang vùng kém sạch, giúp bụi không tràn vào khu sản xuất khi mở cửa.

Phòng sạch chip có một mức chênh áp chuẩn không?

Không có một con số áp dụng cho mọi dự án. Giá trị cụ thể được chọn theo công nghệ, tài liệu áp dụng và đánh giá rủi ro, rồi ghi vào hồ sơ thiết kế để đối chiếu khi nghiệm thu.

Vì sao độ ẩm quan trọng trong sản xuất chip?

Độ ẩm ảnh hưởng đến tĩnh điện, ăn mòn và tính chất lớp cản quang. Ẩm quá thấp dễ gây ESD, ẩm quá cao dễ gây ngưng tụ. Sự ổn định theo thời gian cũng quan trọng như giá trị đặt.

MAU khác AHU ở điểm nào?

MAU xử lý khí tươi lấy từ ngoài trời để bù lượng khí xả và rò rỉ. AHU hoặc bộ xử lý khí hồi xử lý khí tuần hoàn trong phòng. Hai thiết bị cùng giữ nhiệt ẩm và áp suất.

Phòng sạch cần thử những gì để chứng minh đạt?

ISO 14644-3:2019 liệt kê các phép thử như chênh áp, lưu lượng gió, hướng dòng khí, phục hồi, nhiệt độ, độ ẩm và rò rỉ bộ lọc. Phép thử cụ thể chọn theo thỏa thuận giữa khách hàng và nhà thầu.

Kết luận

Phòng sạch nhà máy chip chỉ vận hành ổn định khi chênh áp, nhiệt độ và độ ẩm được thiết kế như một hệ thống, có giám sát liên tục và thẩm định rõ ràng. Hãy chốt yêu cầu công nghệ trước, sau đó mới chọn MAU, AHU và FFU.

AIRTECH THẾ LONG sẵn sàng tư vấn cho dự án của bạn. Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043. Email: info@thelong.com.vn. Website: thietbiphongsach.vn. Zalo: zalo.me/0915283960.

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG
Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043 | Tel: 024.3873.7717
Email: info@thelong.com.vn | Zalo: 0915283960
Website: thietbiphongsach.vn | Trụ sở: Số 144 Phố Việt Hưng, Tổ 3, P. Việt Hưng, Hà Nội