สแตนเลสสำหรับระบบ UPW ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเภสัชกรรม: ผลกระทบของผิวหน้าแบบไมโครต่อผลผลิต

สแตนเลสสำหรับระบบ UPW ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเภสัชกรรม: ผลกระทบของผิวหน้าแบบไมโครต่อผลผลิต

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และการผลิตยา น้ำอัลตราเพียว (Ultra-Pure Water - UPW) ถือเป็นสิ่งสำคัญยิ่งต่อการผลิต การปนเปื้อนในระดับ parts-per-billion (ppb) หรือแม้แต่ระดับ parts-per-trillion (ppt) สามารถส่งผลให้ผลผลิตเสียหายได้ แม้ว่ากระบวนการบำบัดน้ำจะมีความสำคัญ แต่วัสดุที่ใช้ในการลำเลียง UPW ซึ่งมักเป็นสแตนเลสก็มีบทบาทสำคัญไม่แพ้กัน คุณภาพของพื้นผิวชิ้นส่วนสแตนเลสโดยละเอียดมีผลโดยตรงต่อความเสี่ยงในการปนเปื้อน การก่อตัวของสารชีวภาพฟิล์ม (biofilm) และสุดท้ายคือผลผลิต ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับเหตุผลที่คุณภาพของพื้นผิวมีความสำคัญและวิธีการปรับปรุงให้เหมาะสม

? 1. เหตุใดคุณภาพของพื้นผิวจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในระบบ UPW

น้ำ UPW จำเป็นต้องมีความบริสุทธิ์ตามมาตรฐานที่สูงมาก:

• หม้อ : ค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity) ≥18.2 เมกกะโอห์ม·เซนติเมตร, ปริมาณสารอินทรีย์คาร์บอนรวม (TOC) <1 ppb

• เภสัชกรรม : ปฏิบัติตามแนวทางของ USP <643> และ EP <2.2.29>

พื้นผิวที่ขรุขระก่อให้เกิด:

• จุดยึดเกาะของแบคทีเรีย : แม้แต่รอยตำหนิในระดับนาโนก็สามารถกักเก็บ biofilms ไว้ได้

• การหลุดล่อนของอนุภาค : จุดสูงสุดของผิวหลุดออก ทำให้มีการปนเปื้อนของโลหะ

• การเริ่มต้นการกัดกร่อน : ความหยาบช่วยเร่งการกัดกร่อนแบบช่องว่าง ทำให้เกิดการปลดปล่อยไอออน (Fe, Cr, Ni)

? 2. การวัดคุณภาพผิว: Ra เทียบกับ Rmax

• Ra (ค่าความหยาบเฉลี่ยเลขคณิต) : มาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปที่สุด แต่ไม่เพียงพอสำหรับ UPW ค่า Ra ≤0.5 µm อาจยังคงมีข้อบกพร่องแบบ "ยอดและร่องลึก"

• Rmax (ความสูงจากยอดสูงสุดถึงร่องลึกสุด) : มีความสำคัญต่อระบบ UPW การกำหนดให้ Rmax ≤0.5 µm จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าไม่มีจุดผิดปกติที่ผิดปกติ

• พื้นผิวหลังการอิเล็กโทรพอลิช : มาตรฐานระดับแนวหน้า การทำให้ยอดไมโครเรียบขึ้น ส่งเสริมการก่อตัวของชั้นป้องกัน และลดพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพ

⚙️ 3. ผลกระทบของคุณภาพผิวต่อการปนเปื้อน

A. การตั้งรกรากของแบคทีเรีย

• พื้นผิวหยาบ (Ra >0.8 µm) สามารถเป็นที่หลบภัยสำหรับแบคทีเรีย เช่น พิวโดโมนาส หรือ Ralstonia , ซึ่งสามารถเจริญเติบโตได้ดีในน้ำ UPW

• ผลลัพธ์ : สารฟิล์มชีวภาพ (Biofilms) ปล่อยเซลล์และสารพิษจากแบคทีเรียเข้าสู่น้ำ ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องบนแผ่นเวเฟอร์ (wafer) หรือปนเปื้อนในยาที่ใช้ฉีดได้

B. การเกิดอนุภาค

• พื้นผิวที่ไม่ได้ผ่านการขัดเงา อาจหลุดเป็นอนุภาคในช่วงที่เกิดการไหลปั่นป่วน

• ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อนุภาคเหล่านี้อาจทำให้แผ่นเวเฟอร์เป็นรอยขีดหรือเกิดข้อบกพร่องในกระบวนการลิโธกราฟี (photolithography)

C. การไหลออกของไอออนโลหะ

• รอยแยกจุลภาคสามารถกักเก็บน้ำไว้ภายใน ทำให้เกิดการกัดกร่อนเฉพาะจุดและปล่อยไอออนโลหะออกมา (เช่น Fe³⁺, Cr⁶⁺)

• ผล : ไอออนโลหะเร่งปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ในอุตสาหกรรมยาหรือลดประสิทธิภาพของฉนวนในชิป

?️ 4. การบรรลุถึงพื้นผิวที่สมบูรณ์แบบ: การขัดแบบกลไก vs การขัดด้วยไฟฟ้า

การขัดผิวแบบกลไก

• กระบวนการ : การขัดผิวตามลำดับด้วยแผ่นขัด (เช่น 80 ถึง 600 กริต)

• ข้อจำกัด : ทำให้ผิวโลหะเกิดรอยคราบ เกิดการฝังออกไซด์ และสร้างจุดที่อาจทำให้อนุหลุดออกมาในอนาคต

• ค่าความหยาบผิวสูงสุดที่สามารถทำได้ : Ra ≈0.3 µm (ดีพอ แต่ไม่เหมาะสำหรับ UPW)

การเคลือบไฟฟ้า

• กระบวนการ : การละลายเชิงบวกในสารละลายกรด (เช่น กรดฟอสฟอริก-ซัลฟูริก) ช่วยขจัดผิวหน้าประมาณ 20–40 ไมครอน

• ข้อดี :

  • ลดค่า Ra ให้เหลือ ≤0.15 µm และ Rmax เหลือ ≤0.5 µm

  • ปิดผิวโดยการสร้างชั้นออกไซด์โครเมียมที่หนาและสม่ำเสมอ

  • ขจัดสิ่งปนเปื้อนและรอยร้าวจุลภาคที่ฝังตัวอยู่ภายใน

• มาตรฐานที่กำหนด : ปฏิบัติตามมาตรฐาน ASTM B912 สำหรับการพาสซิเวต และ SEMI F19 สำหรับการชุบเงาด้วยไฟฟ้า

✅ 5. การเลือกวัสดุ: เกินกว่าเกรด 316L

แม้ว่าเกรด 316L จะเป็นมาตรฐานทั่วไป แต่ควรพิจารณา

• เกรดคาร์บอนต่ำ : 316L ที่มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.02% ช่วยป้องกันการเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในขณะเชื่อม

• เกรดสำหรับการชุบเงาด้วยไฟฟ้า (EP) : โรงงานจัดส่ง 316L-EP ที่มีการควบคุมสิ่งปนเปื้อนอย่างเข้มงวดมากขึ้น (เช่น กำมะถัน <0.001%)

• โลหะผสมอื่น ๆ สำหรับการใช้งานที่มีความรุนแรง โลหะผสม 904L หรือ 6% Mo (เช่น 254 SMO) จะให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีกว่า

? 6. การตรวจสอบและทดสอบ

การวัดร่องรอยพื้นผิว

• ใช้เครื่องวัดร่องรอยแบบสัมผัส (stylus) หรือไม่สัมผัส (เลเซอร์) เพื่อตรวจสอบค่า Ra/Rmax

การทดสอบเฟอร์รอกซิล

• ตรวจจับการปนเปื้อนของเหล็กอิสระ ซึ่งเป็นปัญหาทั่วไปหลังจากการขัดเงาด้วยเครื่องจักร

การทดสอบน้ำ

• ตรวจสอบค่า TOC สารพิษจากแบคทีเรีย (endotoxins) และจำนวนอนุภาคในน้ำทิ้ง

• หลักเกณฑ์การรับ ≤5 อนุภาค/มล. (สำหรับขนาด ≥0.1 µm) และสารพิษจากแบคทีเรีย <0.001 EU/มล.

? 7. การบำรุงรักษา: รักษาความสมบูรณ์ของพื้นผิว

• การลดลง การทำให้ผิวเงาด้วยกรดไนตริกหรือกรดซิตริกเป็นระยะๆ ตามมาตรฐาน ASTM A967 เพื่อฟื้นฟูชั้นโครเมียม

• การทำความสะอาดด้วยสารเคมี : หลีกเลี่ยงสารทำความสะอาดที่มีคลอไรด์ ใช้โอโซนหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์สำหรับคราบชีวภาพ (biofilms)

• การตรวจสอบ : ตรวจสอบภายในท่อและถังเป็นประจำด้วยการส่องกล้องเพื่อตรวจหาการก่อตัวของคราบสีแดง (ออกไซด์ของเหล็ก)

? 8. กรณีศึกษา: การอัพเกรดผิวหน้าช่วยเพิ่มผลผลิต

• ปัญหา : โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ประสบปัญหาข้อบกพร่องจากอนุภาคเกิดขึ้นซ้ำๆ บนเวเฟอร์ขนาด 7 นาโนเมตร

• สาเหตุหลัก : ท่อ UPW ที่มีค่า Ra ≈0.6 ไมครอน (ขัดกลไก) มีการหลุดล่อนของอนุภาคในช่วงการไหลที่เพิ่มขึ้นชั่วขณะ

• สารละลาย : เปลี่ยนเป็นท่อ 316L-EP ที่ผ่านกระบวนการขัดด้วยไฟฟ้า (Ra ≤0.15 ไมครอน)

• ผลลัพธ์ : จำนวนอนุภาคลดลง 70% และอัตราผลผลิตของเวเฟอร์เพิ่มขึ้น 5%

? 9. ข้อกำหนดหลักสำหรับชิ้นส่วน UPW

✅ 10. สรุป: ลงทุนในการตกแต่งพื้นผิว เพื่อปกป้องผลผลิต

ในระบบ UPW ความแตกต่างระหว่างผลผลิตสูงกับความล้มเหลวที่รุนแรงนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะพื้นผิวในระดับไมโคร การขัดเงาด้วยไฟฟ้าไม่ใช่ค่าใช้จ่าย—แต่เป็นการทำประกันภัย โดยการกำหนดค่าความหยาบผิวต่ำ (Ra/Rmax) การตรวจสอบด้วยเครื่องมือโปรไฟโลมิเตอร์ และการรักษามาตรฐานความสะอาดอย่างเข้มงวด จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าโครงสร้างเหล็กกล้าไร้สนิมของคุณจะช่วยสนับสนุน—ไม่ใช่ทำลาย—เป้าหมายการผลิตของคุณ

เคล็ดลับจากผู้เชี่ยวชาญ : เมื่อจัดหาชิ้นส่วน ต้องขอรายงานการทดสอบที่รับรองแล้วเกี่ยวกับความหยาบของพื้นผิว และกำหนดให้ผู้ขายต้องดำเนินการขัดเงาด้วยไฟฟ้าตามมาตรฐาน SEMI F19 ที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว