Đếm hạt khí siêu tinh khiết với PMS HPGP 101-C & PDS-E

Khí siêu tinh khiết (UHP) đi thẳng vào buồng process của fab bán dẫn — mọi hạt còn sót trong dòng nitơ, argon hay hydro đều có thể trở thành khuyết tật trên wafer. PMS HPGP 101-C đo hạt ngay tại áp suất đường ống 40–150 psig, không cần bộ giảm áp, ghép với hệ dữ liệu PDS-E để đưa số liệu về mạng nhà máy. Bài viết giải thích vì sao chi tiết “đo tại áp suất line” lại quan trọng hơn nhiều so với vẻ ngoài kỹ thuật của nó.

Vì sao đếm hạt trong khí UHP khó

Khí công nghệ trong nhà máy bán dẫn — nitơ, argon, heli, neon, xenon ở nhóm khí trơ và hydro, oxy ở nhóm khí phản ứng — được lọc tới mức gần như không còn hạt. Chính sự sạch đó tạo ra khó khăn: khi nồng độ hạt rất thấp, mọi hạt mà máy đếm ghi nhận đều phải được chứng minh là đến từ dòng khí, chứ không phải do chính hệ thống lấy mẫu sinh ra.

Có ba nguồn sai số cạnh tranh nhau trong phép đo này: hạt sinh ra từ chính đường lấy mẫu, hạt mất đi do bám vào thành ống, và giới hạn thống kê khi số hạt đếm được quá nhỏ. Thiết kế thiết bị tốt là thiết kế loại bỏ được càng nhiều nguồn sai số càng tốt ngay từ kiến trúc, thay vì hiệu chỉnh bằng phần mềm về sau.

Bộ giảm áp: mắt xích làm hỏng phép đo

Hầu hết máy đếm hạt khí làm việc ở áp suất khí quyển. Muốn lấy mẫu từ một đường ống ở 100 psig, cách thông thường là gắn bộ giảm áp (regulator) để hạ áp trước khi đưa vào máy đếm.

Vấn đề nằm ở chỗ bộ giảm áp không phải một thành phần trung tính. Nó có bề mặt kim loại chuyển động, có khe hở, có màng — và dòng khí giãn nở đột ngột qua đó tạo ra nhiễu động mạnh. Kết quả là bộ giảm áp vừa có thể sinh thêm hạt từ mài mòn cơ khí, vừa có thể giữ lại hạt do va đập quán tính trên các bề mặt gấp khúc. Cả hai đều làm sai lệch con số cuối cùng, và tệ hơn, sai lệch đó thay đổi theo thời gian khi bộ giảm áp cũ đi.

Máy đếm hạt tiểu phân khí siêu tinh khiết PMS HPGP 101-C đi hướng khác: buồng quang học được thiết kế chịu trực tiếp áp suất line 40–150 psig (2,8–10,3 bar). Mẫu khí được đo ở đúng áp suất và đúng trạng thái mà nó tồn tại trong đường ống, không qua khâu trung gian nào.

Hệ quả thực tế: số liệu phản ánh chất lượng khí tại điểm sử dụng, và loại bỏ được một biến số bảo trì (bộ giảm áp) khỏi chuỗi đo.

Thông số kỹ thuật HPGP 101-C

Ba con số nữa từ tài liệu kỹ thuật của PMS bổ sung cho bảng trên và rất đáng dùng khi viết quy trình: mức đếm nền (zero count) dưới 2 hạt/ft³, nồng độ tối đa 3.000 hạt/ft³ ở mức tổn thất trùng hợp dưới 10%, và bình chứa an toàn được thiết kế để giữ được quá áp tới 3.200 psig — cao hơn nhiều lần áp suất làm việc, đây là biên an toàn thực sự chứ không phải con số hình thức.

Buồng quang thụ động & ngưỡng 0,14 µm

Hai con số trong bảng trên cần đọc cùng nhau và thường bị hiểu nhầm: kênh nhỏ nhất là 0,1 µm, còn hiệu suất đếm > 50% đạt tại 0,14 µm.

Đây không phải mâu thuẫn. Trong đếm hạt quang học, “hiệu suất đếm 50%” là điểm mà thiết bị ghi nhận được một nửa số hạt thực tế đi qua — đây là cách ISO 21501-4 định nghĩa kích thước nhỏ nhất đo được một cách định lượng. Kênh 0,1 µm vẫn hoạt động và vẫn hữu ích để theo dõi xu hướng, nhưng con số định lượng chắc chắn nằm từ 0,14 µm trở lên. Khi viết quy trình hoặc đặt ngưỡng cảnh báo, nên bám vào 0,14 µm.

Về mặt quang học, thách thức khi đo hạt cỡ 0,1 µm là tín hiệu tán xạ cực yếu — cường độ tán xạ giảm rất nhanh khi hạt nhỏ đi. Giải pháp của HPGP 101-C là buồng quang thụ động: thay vì chỉ chiếu chùm laser một lần qua dòng mẫu, buồng cộng hưởng giữ và khuếch đại cường độ ánh sáng tại vùng đo, nâng đáng kể tín hiệu thu được từ hạt nhỏ. Kết hợp với thu tán xạ góc rộng 90° và detector dạng mảng xử lý song song, hệ quang học lấy được nhiều photon hơn trên mỗi hạt so với kiến trúc chiếu thẳng thông thường.

Khí phản ứng: O₂, H₂ và bài toán an toàn

Đo hạt trong oxy tinh khiết và hydro là hai bài toán an toàn ngược nhau nhưng đều nghiêm túc. Oxy áp suất cao làm mọi vật liệu hữu cơ trở nên dễ cháy; hydro rò rỉ tạo hỗn hợp nổ trong dải nồng độ rộng.

HPGP 101-C xử lý việc này bằng ba lớp:

• Bình chứa an toàn (containment vessel) — toàn bộ phần tiếp xúc khí mẫu nằm trong một vỏ kín, để khí rò rỉ không thoát thẳng ra khu vực vận hành.
• Purge khí trơ — không gian quanh buồng đo được thổi khí trơ liên tục, ngăn hình thành hỗn hợp cháy nổ ngay cả khi có rò rỉ nhỏ.
• Tự ngắt nguồn khi phát hiện rò rỉ khí mẫu — loại bỏ nguồn đánh lửa điện trước khi nồng độ kịp tích tụ.

Đây là các đặc tính thiết kế do nhà sản xuất công bố. Việc lắp đặt cho H₂ và O₂ áp suất cao vẫn phải tuân thủ quy định an toàn khí công nghiệp tại chỗ và cần thẩm định bởi bộ phận EHS của nhà máy.

PDS-E — đưa dữ liệu về hệ giám sát

PDS-E (Particle Data System – Ethernet) là khối thu thập dữ liệu đi kèm, kích thước 18 × 22 × 32 cm và nặng 5,2 kg, tách rời khỏi thân máy đếm. Vai trò của nó là biến một thiết bị đo đứng một mình thành một nút trong hệ giám sát nhà máy.

Cần lưu ý một giới hạn thiết kế khi lập kế hoạch: mỗi PDS-E phục vụ đúng một đầu đo. Muốn giám sát ba điểm trên hệ phân phối khí thì cần ba cặp HPGP + PDS-E, chứ không phải một khối dữ liệu dùng chung. Khoảng thời gian lấy mẫu đặt được từ 1 giây tới 8 giờ.

PDS-E cung cấp RS-232 và Ethernet với ba giao thức: PMS protocol, Modbus TCP và OPC. Sự có mặt của Modbus TCP và OPC là điểm đáng chú ý về mặt tích hợp — đây là hai giao thức mà hệ SCADA và hệ điều khiển nhà máy hiện có đọc được trực tiếp, nghĩa là dữ liệu hạt khí có thể chảy vào cùng một màn hình vận hành với dữ liệu áp suất, lưu lượng và nhiệt độ của hệ phân phối khí, thay vì nằm trong một phần mềm riêng.

Ở phía phần mềm chuyên dụng, thiết bị làm việc với Facility Net để quản lý dữ liệu, cảnh báo và báo cáo — cùng nền tảng đang dùng cho các cảm biến hạt khí trong phòng sạch, nên không phát sinh thêm một hệ giám sát thứ hai.

Bố trí điểm đo trên hệ phân phối khí

Một hệ phân phối khí UHP điển hình có ba lớp cần theo dõi, và mỗi lớp trả lời một câu hỏi khác nhau:

Khả năng đo tại 40–150 psig khiến cả ba vị trí đều tiếp cận được mà không phải chèn thêm phần cứng vào đường ống sạch. Với các fab cần theo dõi dải hạt nhỏ hơn nữa, danh mục PMS còn có máy đếm hạt tiểu phân khí nano 10 nm PMS NanoAir cho vùng dưới 0,1 µm — bối cảnh ứng dụng được trình bày trong bài nhóm thiết bị đo tiểu phân khí siêu tinh khiết cho fab bán dẫn.

HPGP 101-C nằm ở đâu trong danh mục PMS

Nói ngắn gọn: HPGP 101-C là thiết bị cho khí trong ống, không phải cho không khí trong phòng. Đây là ranh giới quan trọng khi lập danh mục đầu tư, vì hai nhóm này không thay thế được cho nhau.

Câu hỏi thường gặp