Khi cần đếm hạt trong IPA, acetone, PGMEA hay NMP, phản xạ thường thấy là mở bảng thông số và tìm dòng “dải đo”. Nhưng dải đo là dòng ít quyết định nhất trong tình huống này. Ba thứ quyết định nằm ở chỗ khác: chiết suất của dung môi làm hạt mờ đi hoặc biến mất, danh sách vật liệu tiếp xúc quyết định thiết bị có sống được không, và điểm chớp cháy quyết định phép đo có được phép đặt ở đó không. Bài viết đưa ra phép tính cho rào cản thứ nhất, cách đọc đúng dòng vật liệu tiếp xúc cho rào cản thứ hai, và bảng đối chiếu sáu dung môi thường gặp trong nhà máy bán dẫn và điện tử.
- Ba câu hỏi không nằm trong dòng dải đo
- Rào cản 1: hạt mờ đi vì chính dung môi
- Nghịch lý: môi trường quyết định vật liệu nào tàng hình
- Hệ quả lên ngưỡng công bố
- Rào cản 2: mắt xích yếu là vật liệu đàn hồi
- Rào cản 3: điểm chớp cháy và bay hơi trong buồng đo
- Bảng đối chiếu sáu dung môi thường gặp
- Bốn câu phải hỏi trước khi đặt hàng
- Ranh giới của các con số trong bài
- Câu hỏi thường gặp
Ba câu hỏi không nằm trong dòng dải đo
Một máy đếm hạt trong dung dịch công bố dải đo theo hạt cầu polystyren chuẩn trong nước. Đó là quy ước hiệu chuẩn, và nó hợp lý vì cần một mốc chung để so sánh giữa các thiết bị. Vấn đề nảy sinh khi mẫu thật không phải nước và hạt thật không phải polystyren.
Với dung môi hữu cơ, ba câu hỏi sau quyết định nhiều hơn hẳn dòng dải đo:
- Trong dung môi này, một hạt cỡ d còn tán xạ đủ mạnh để vượt ngưỡng phát hiện không?
- Những bộ phận mà dung môi chạm vào có chịu được nó trong nhiều tháng không?
- Hơi của dung môi ở nhiệt độ phòng có tạo ra vùng nguy hiểm cháy quanh chỗ đặt máy không?
Ba câu này độc lập với nhau, và một thiết bị có thể vượt qua hai câu rồi trượt câu thứ ba.
Rào cản 1: hạt mờ đi vì chính dung môi
Lượng ánh sáng một hạt nhỏ tán xạ không phụ thuộc vào chiết suất của hạt, cũng không phụ thuộc vào chiết suất của môi trường — nó phụ thuộc vào tỷ số giữa hai chiết suất ấy. Với hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, cường độ tán xạ tỷ lệ với đại lượng:
|(m² − 1) / (m² + 2)|² với m = nhạt / nmôi trường
Lấy chiết suất điển hình ở ánh sáng khả kiến: nước 1,333; ethanol 1,361; acetone 1,359; IPA 1,377; PGMEA khoảng 1,400; NMP khoảng 1,470; toluen 1,496. Hạt silica có chiết suất khoảng 1,46, hạt polystyren chuẩn khoảng 1,59.
Bảng dưới đây là tín hiệu tán xạ của một hạt silica trong từng môi trường, quy về tín hiệu của chính hạt đó trong nước:
| Môi trường | Chiết suất | Tín hiệu so với silica trong nước | Đường kính biểu kiến |
|---|---|---|---|
| Nước | 1,333 | 1,00 | × 1,00 |
| Acetone | 1,359 | 0,61 | × 0,92 |
| Ethanol | 1,361 | 0,59 | × 0,92 |
| IPA | 1,377 | 0,41 | × 0,86 |
| PGMEA | 1,400 | 0,21 | × 0,77 |
| Toluen | 1,496 | 0,067 | × 0,64 |
| NMP | 1,470 | 0,0053 (bằng 1/189) | × 0,42 |
Dòng cuối là dòng đáng dừng lại. Chiết suất của NMP (1,470) gần như trùng với chiết suất của silica (1,46). Khi hai giá trị ấy bằng nhau, hạt không còn tán xạ — nó trở thành trong suốt với chính hệ quang học đang tìm nó. Trong NMP, một hạt silica chỉ phát ra khoảng một phần một trăm tám mươi chín lượng ánh sáng mà nó phát ra trong nước.
Cột cuối quy hiệu ứng ấy về ngôn ngữ dễ dùng hơn. Vì cường độ tán xạ của hạt nhỏ tỷ lệ với luỹ thừa sáu của đường kính, một tín hiệu giảm 189 lần tương đương với việc hạt trông như chỉ còn 42 % đường kính thật. Một hạt silica 100 nm trong NMP cho tín hiệu ngang một hạt khoảng 42 nm trong nước.
Nghịch lý: môi trường quyết định vật liệu nào tàng hình
Điều thú vị là hiệu ứng này không cố định theo vật liệu hạt — nó đảo chiều khi đổi môi trường.
| Hạt | Chiết suất hạt | Trong nước (1,333) | Trong NMP (1,470) |
|---|---|---|---|
| Polystyren chuẩn | 1,590 | Tín hiệu mạnh nhất (mốc hiệu chuẩn) | Giảm còn khoảng 1/5 |
| Silica / thuỷ tinh | 1,460 | Nhìn thấy tốt | Gần như tàng hình |
| Mảnh nhựa fluor (PTFE và tương tự) | khoảng 1,35 | Gần như tàng hình | Nhìn thấy rõ, mạnh hơn trong nước khoảng 42 lần |
Trong nước, mảnh nhựa fluor bong ra từ chính đường ống và gioăng là nhóm hạt khó thấy nhất — chiết suất của chúng gần với nước. Trong NMP, chúng lại là nhóm dễ thấy nhất, còn silica mới là nhóm biến mất.
Hệ quả thực hành: không thể nói “máy này nhạy hơn máy kia” mà không nói đang đo hạt gì trong môi chất gì. Cùng một thiết bị, cùng một cấu hình, đổi dung môi là đổi luôn nhóm hạt mà nó bỏ sót. Khi so số liệu giữa hai công đoạn dùng hai dung môi khác nhau, phần chênh lệch có thể hoàn toàn là hiệu ứng quang học chứ không phải chênh lệch độ sạch.
Hệ quả lên ngưỡng công bố
Nếu quy tất cả về mốc hiệu chuẩn — hạt polystyren chuẩn trong nước — thì con số còn khắc nghiệt hơn. Tín hiệu của một hạt silica trong NMP chỉ bằng khoảng 1/740 tín hiệu của hạt chuẩn cùng đường kính trong nước. Quy đổi qua luỹ thừa sáu, ngưỡng phát hiện hiệu dụng bị đẩy lên khoảng ba lần.
| Ngưỡng công bố (hạt chuẩn trong nước) | Ngưỡng hiệu dụng ước tính cho silica trong IPA | Ngưỡng hiệu dụng ước tính cho silica trong NMP |
|---|---|---|
| 20 nm | khoảng 29 nm | khoảng 60 nm |
| 40 nm | khoảng 58 nm | khoảng 120 nm |
| 100 nm | khoảng 146 nm | khoảng 300 nm |
Bảng này không nói thiết bị kém. Nó nói rằng một con số ngưỡng chỉ có nghĩa cùng với môi chất và vật liệu hạt đi kèm — và đây chính là dòng phải hỏi khi so sánh báo giá giữa các nhà cung cấp. Các hãng máy đếm hạt lỏng đều hiệu chuẩn theo hạt chuẩn trong môi trường nước vì đó là quy ước quốc tế, nên con số trên catalogue của mọi hãng đều chịu cùng một phép quy đổi khi mẫu thật là dung môi. So sánh công bằng là so cùng một dòng: ngưỡng theo hạt chuẩn, lưu lượng, và giới hạn nồng độ trước khi trùng hạt — chứ không phải so một con số ngưỡng của hãng này với một con số “trong ứng dụng thực tế” của hãng kia.
Trong danh mục PMS, nhóm dành cho hoá chất quy trình gồm PMS Chem 20 ở 20 nm và PMS UltraChem 40 ở dải 40–125 nm, cả hai cùng lưu lượng 35 mL/phút. Khi mẫu là dung môi có chiết suất cao, khoảng cách giữa hai model ấy trên giấy sẽ thu hẹp lại trên thực tế, vì cả hai cùng chịu chung một hệ số suy giảm — đó là lý do nên chọn theo cỡ hạt cần bắt trong dung môi đó, không theo con số nhỏ nhất trên catalogue.
Rào cản 2: mắt xích yếu là vật liệu đàn hồi
Dòng “vật liệu tiếp xúc dung dịch” trong bảng thông số thường liệt kê một danh sách vật liệu. Cách đọc đúng là: độ bền hoá học của cả thiết bị bằng độ bền của phần yếu nhất trong danh sách, và phần yếu nhất hầu như luôn là vật liệu đàn hồi ở các mối làm kín, không phải phần quang học hay vỏ máy.
Một danh sách điển hình cho nhóm cảm biến dung dịch của PMS gồm Teflon, Kel-F, silica nung chảy, Viton, Alumina 96 % và Simriz 485, với vỏ ngoài thép không gỉ 316L. Trong đó phần quang học (silica nung chảy, alumina, sapphire ở một số model) rất trơ; phần đường dẫn bằng nhựa fluor cũng rất trơ; nhưng Viton và các vật liệu đàn hồi cùng nhóm có phổ tương thích hẹp hơn hẳn, và một số dung môi trong nhóm ceton hoặc amide là đúng nhóm gây trương nở cho chúng.
Ba điều nên làm khi đọc dòng này:
- Tách danh sách thành ba nhóm — quang học, đường dẫn, làm kín — rồi đối chiếu riêng từng nhóm với dung môi. Chỉ nhóm thứ ba là nhóm quyết định.
- Đối chiếu theo model cụ thể, không theo dòng sản phẩm. Cùng một họ có thể có hai tuỳ chọn vật liệu làm kín khác nhau, và trang giới thiệu chung đôi khi liệt kê cả hai bộ. Ví dụ trong nhóm PMS LiQuilaz II Dòng E, tài liệu có chỗ ghi bộ Teflon – Viton – Alumina – Simriz và có chỗ ghi bộ Sapphire – Teflon – Kalrez – Kel-F. Hai bộ ấy không có cùng phổ tương thích, nên phải xác nhận theo mã hàng thực tế trước khi đặt.
- Hỏi bằng tên hoá chất và nồng độ, không hỏi bằng nhóm. “Có dùng được cho dung môi hữu cơ không” là câu hỏi không trả lời được. “IPA 99,9 % ở 25 °C, chạy liên tục” là câu hỏi trả lời được.
Với chất lỏng ăn mòn ở nhiệt độ và áp suất cao, ràng buộc còn chuyển sang cả phần cơ khí ngoài: PMS CLS-700T có vỏ ngoài polypropylene đạt chuẩn chống cháy FM4910 và dải làm việc tới 60 psi ở 120 °C, giảm còn 45 psi ở 150 °C — một ví dụ cho thấy giới hạn áp suất không phải một con số mà là một đường cong theo nhiệt độ.
Rào cản 3: điểm chớp cháy và bay hơi trong buồng đo
Rào cản thứ ba ít khi được nêu trong cuộc trao đổi kỹ thuật ban đầu, nhưng nó có thể loại bỏ toàn bộ phương án. Dưới đây là các giá trị công bố điển hình — phải đối chiếu với bản dữ liệu an toàn của chính lô hoá chất đang dùng trước khi dùng để thiết kế:
| Dung môi | Điểm chớp cháy điển hình | Nhiệt độ sôi điển hình | Ở 25 °C |
|---|---|---|---|
| Acetone | khoảng −20 °C | khoảng 56 °C | Trên điểm chớp cháy |
| Toluen | khoảng 4 °C | khoảng 111 °C | Trên điểm chớp cháy |
| Methanol | khoảng 11 °C | khoảng 65 °C | Trên điểm chớp cháy |
| IPA | khoảng 12 °C | khoảng 82 °C | Trên điểm chớp cháy |
| PGMEA | khoảng 42–46 °C | khoảng 146 °C | Dưới điểm chớp cháy |
| NMP | khoảng 91–95 °C | khoảng 202 °C | Dưới điểm chớp cháy |
Bốn dòng đầu có nghĩa là ở nhiệt độ phòng của một nhà máy Việt Nam, khoảng không phía trên chất lỏng đã nằm trong dải có thể bắt cháy. Việc đặt một thiết bị điện, có bơm và có nguồn sáng, ngay cạnh dòng chất lỏng ấy là một quyết định thuộc về hồ sơ phân vùng nguy hiểm cháy nổ của nhà máy, không phải quyết định của phòng kỹ thuật đo lường.
Có hai hướng xử lý, và chúng không loại trừ nhau: đưa phần điện ra khỏi vùng nguy hiểm bằng cách kéo dài đường lấy mẫu, hoặc bao thiết bị trong một vỏ có thông gió cưỡng bức và có đường xả riêng. Hướng thứ hai chính là chức năng của Tủ cảm biến đếm hạt tiểu phân an toàn PMS — một tủ chứa cảm biến có cổng xả, dùng để chuẩn hoá việc lắp cảm biến cố định ở nơi có hơi hoá chất. Cần nói rõ: một tủ như vậy giải quyết bài toán chứa và hút hơi, còn việc thiết bị bên trong có phù hợp với phân vùng nguy hiểm hay không vẫn phải do hồ sơ phân vùng của nhà máy kết luận.
Vấn đề thứ hai của dung môi dễ bay hơi là bọt khí. Acetone sôi ở khoảng 56 °C, còn dải nhiệt độ mẫu cho phép của nhiều cảm biến dung dịch là 15–50 °C. Khi mẫu ở đầu trên của dải ấy đi qua chỗ tiết lưu và tụt áp, khí hoà tan thoát ra và dung môi có thể bốc hơi cục bộ. Cảm biến che sáng đếm mỗi bong bóng thành một hạt, và bong bóng thường rơi vào ô cỡ lớn. Biểu hiện là số đếm cao bất thường ở ô lớn nhất kèm độ lặp lại kém — dễ bị đọc nhầm thành sự cố độ sạch.
Bảng đối chiếu sáu dung môi thường gặp
| Dung môi | Rào cản quang học | Rào cản vật liệu | Rào cản an toàn | Ưu tiên xử lý |
|---|---|---|---|---|
| IPA | Trung bình: tín hiệu silica còn khoảng 41 % | Nhẹ với hầu hết vật liệu trơ | Cao: trên điểm chớp cháy ở nhiệt độ phòng | Giải bài toán an toàn trước, rồi mới bàn ngưỡng |
| Acetone | Nhẹ: còn khoảng 61 % | Cao: nhóm ceton gây trương nở nhiều vật liệu đàn hồi | Rất cao: điểm chớp cháy dưới 0 °C, dễ bay hơi | Xác nhận vật liệu làm kín theo mã hàng; kiểm soát nhiệt độ mẫu để tránh bọt |
| PGMEA | Đáng kể: còn khoảng 21 % | Trung bình | Trung bình: dưới điểm chớp cháy ở nhiệt độ phòng | Chọn ngưỡng theo cỡ hạt cần bắt sau khi đã tính suy giảm |
| NMP | Rất cao: silica gần như tàng hình | Cao với một số vật liệu đàn hồi | Thấp về cháy; cần chú ý về sức khoẻ nghề nghiệp | Cân nhắc phương pháp bổ sung cho hạt vô cơ; đừng dựa vào một mình phép đếm quang học |
| Toluen | Cao: còn khoảng 6,7 % | Cao với nhiều vật liệu đàn hồi | Cao: điểm chớp cháy khoảng 4 °C | Cả ba rào cản đều nặng; xem xét lấy mẫu ngoài dòng thay vì đo trực tuyến |
| Nước khử ion (đối chiếu) | Mốc so sánh | Thấp | Không | Là trường hợp cơ sở mà mọi con số catalogue đang mô tả |
Bốn câu phải hỏi trước khi đặt hàng
- “Danh sách vật liệu tiếp xúc của đúng mã hàng này là gì?” — yêu cầu theo mã hàng, không theo dòng sản phẩm, và yêu cầu bằng văn bản.
- “Ngưỡng công bố được hiệu chuẩn bằng hạt gì, trong môi trường gì?” — câu trả lời gần như luôn là hạt chuẩn trong nước; điều quan trọng là để cả hai bên cùng biết rằng con số ấy sẽ đổi khi sang dung môi.
- “Dải nhiệt độ và áp suất mẫu là bao nhiêu, và có đường cong giảm theo nhiệt độ không?” — giới hạn áp suất của một số cấu hình lấy mẫu giảm khi nhiệt độ tăng, nên một con số đơn lẻ là chưa đủ.
- “Có cấu hình nào đưa phần điện ra khỏi vùng có hơi dung môi không?” — hỏi trước khi chọn model, vì câu trả lời có thể đổi hẳn kiến trúc điểm đo.
Bốn câu này áp dụng như nhau cho mọi nhà cung cấp. Chúng cũng là bốn dòng nên đặt cạnh nhau khi so hai báo giá — vì phần lớn chênh lệch giá trong nhóm thiết bị này nằm ở vật liệu và cấu hình an toàn, chứ không nằm ở con số ngưỡng.
Ranh giới của các con số trong bài
Phép tính tán xạ ở trên là mô hình đơn giản hoá. Nó dùng công thức cho hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, giả định hạt cầu và không hấp thụ, và dùng chiết suất ở ánh sáng khả kiến. Máy đếm hạt thật dùng bước sóng cụ thể, hình học thu ánh sáng cụ thể, và với hạt cỡ gần bước sóng thì phải dùng lời giải đầy đủ chứ không phải công thức rút gọn. Vì vậy các con số suy giảm nên đọc là trật tự độ lớn, không phải hệ số hiệu chỉnh để áp vào số liệu.
Không được dùng bảng ở đây để hiệu chỉnh số đếm. Việc quy đổi kết quả giữa hai môi chất là chuyện phải làm bằng thực nghiệm với vật liệu chuẩn phù hợp, hoặc bằng số liệu do nhà sản xuất cung cấp cho đúng cấu hình đó. Bảng trong bài dùng để đặt câu hỏi đúng khi chọn thiết bị.
Các giá trị điểm chớp cháy và nhiệt độ sôi là giá trị công bố điển hình. Chúng thay đổi theo độ tinh khiết, theo phụ gia và theo áp suất môi trường. Cơ sở duy nhất để thiết kế là bản dữ liệu an toàn của chính lô hoá chất đang dùng, cùng hồ sơ phân vùng nguy hiểm của nhà máy.
Câu hỏi thường gặp
Có thể pha loãng dung môi bằng nước để đo cho dễ không?
Trong một số trường hợp thì được, và nó cải thiện tương phản quang học thật. Nhưng pha loãng đưa vào ba vấn đề mới: nước pha loãng phải sạch hơn ngưỡng đang đo, tỷ lệ pha phải chính xác vì mọi kết quả nồng độ đều nhân theo tỷ lệ đó, và một số hệ dung môi tách pha hoặc kết tủa khi gặp nước. Với hoá chất quy trình dùng trực tiếp trên wafer, pha loãng cũng có nghĩa là không còn đo đúng chất đang chảy vào thiết bị.
Vì sao hai máy đo cùng một dòng dung môi lại cho hai con số khác nhau?
Ngoài các nguyên nhân thường gặp về lưu lượng và vị trí lấy mẫu, còn một nguyên nhân riêng của dung môi: hai máy có bước sóng và hình học quang học khác nhau, nên hệ số suy giảm do chiết suất không giống nhau. Trong nước, khác biệt ấy nhỏ; trong một dung môi có chiết suất gần với vật liệu hạt, nó bị khuếch đại lên. Đây là lý do việc so sánh liên thiết bị nên làm trong nước trước, rồi mới chuyển sang dung môi.
Nếu silica gần như tàng hình trong NMP thì đo hạt trong NMP còn ý nghĩa gì?
Vẫn có ý nghĩa, nhưng phải hiểu đúng phạm vi. Phép đếm quang học trong NMP vẫn bắt tốt các hạt có chiết suất xa 1,47 — mảnh nhựa fluor, hạt kim loại, hạt hữu cơ. Cái nó bỏ sót là nhóm oxit silic. Nếu nhóm hạt đáng lo trong công đoạn đó chính là silica, cần bổ sung phương pháp khác chứ không tăng độ nhạy của cùng một phép đo.
Vật liệu đàn hồi trong danh sách có thay được không?
Nhiều dòng thiết bị có tuỳ chọn vật liệu làm kín, và đó là câu hỏi đáng hỏi ngay từ khâu chọn cấu hình chứ không phải sau khi hỏng. Điều cần tránh là tự thay bằng vật liệu tương đương ngoài thị trường: bộ phận làm kín trong đường mẫu nằm ngay trước buồng quang học, nên một vật liệu nhả hạt hoặc trương nở nhẹ sẽ đi thẳng vào phép đo.
Có nên đo trực tuyến hay lấy mẫu mang ra ngoài đo?
Với dung môi, cân nhắc nghiêng nhiều hơn về phía lấy mẫu ngoài dòng so với trường hợp nước, vì cả ba rào cản đều nhẹ đi khi thiết bị không phải nằm cạnh đường ống. Đổi lại là mất tính thời gian thực và thêm rủi ro nhiễm bẩn ở khâu rót, vốn rất lớn ở dải nanomet. Quyết định nên dựa trên việc công đoạn đó cần phát hiện sự cố trong bao lâu: nếu cần biết trong vài phút thì đo trực tuyến là bắt buộc và bài toán an toàn phải được giải, không né được.
Cần đo hạt trong dung môi hoặc hoá chất quy trình?
Techmaster Electronics là nhà phân phối uỷ quyền của Particle Measuring Systems tại Việt Nam, có phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Liên hệ để được xác nhận danh sách vật liệu tiếp xúc theo đúng mã hàng, đối chiếu dải nhiệt độ và áp suất mẫu với điều kiện thực tế, và bàn phương án lắp đặt phù hợp với hồ sơ phân vùng của nhà máy: techmaster.com.vn/lien-he
