उच्च-प्रौद्योगिकी निर्माण में बिजली की गुणवत्ता में सुधार कैसे करें?

अर्धचालक निर्माण में बिजली गुणवत्ता चुनौतियों की समझ

आधुनिक अर्धचालक निर्माण सुविधाएँ (फैब) ऐसी महत्वपूर्ण बिजली गुणवत्ता चुनौतियों का सामना करती हैं जो उत्पादन दक्षता और उत्पाद विश्वसनीयता को सीधे प्रभावित करती हैं। इन चुनौतियों का कारण लिथोग्राफी उपकरणों, एचिंग प्रणालियों और मेट्रोलॉजी उपकरणों की छोटी से छोटी विद्युत विक्षोभ के प्रति अत्यधिक संवेदनशीलता है।

संवेदनशील निर्माण वातावरण में वोल्टेज सैग, स्वेल और ट्रांजिएंट

सामान्य फैब में मासिक रूप से 12–18 बार वोल्टेज अनियमितताएँ होती हैं, जिनमें उप-चक्र व्यवधान (<16.7 मिलीसेकंड) पूरे वेफर बैच को खराब करने में सक्षम होते हैं। एक 2024 के अध्ययन में पाया गया कि उपकरणों के 74% अनियोजित डाउनटाइम का संबंध बिजली की गुणवत्ता की घटनाओं से है, जहाँ ग्रिड स्विचिंग संचालन से उत्पन्न वोल्टेज ट्रांजिएंट्स उपज हानि की 23% घटनाओं के लिए जिम्मेदार हैं।

सटीक इलेक्ट्रॉनिक्स और उपज हानि पर खराब बिजली गुणवत्ता का प्रभाव

उप-5 एनएम चिप उत्पादन में 8% थेड (कुल हार्मोनिक विरूपण) से अधिक हार्मोनिक विरूपण दोष घनत्व को 4–7 गुना बढ़ा देता है। अमेरिकी निर्माता बिजली की गुणवत्ता से संबंधित नुकसान में प्रतिवर्ष 145 बिलियन डॉलर की हानि उठाते हैं, जिसमें अर्धचालक फैब कुल नुकसान का 18% हिस्सा हैं (उद्योग रिपोर्ट 2023)।

सामान्य बिजली गुणवत्ता व्यवधान: हार्मोनिक्स, फ्लिकर और ग्रिड अस्थिरता

शोध से पता चलता है कि फैब में 65–75% बिजली गुणवत्ता संबंधी समस्याएं वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव (VFD) और डीसी पावर सप्लाई से उत्पन्न हार्मोनिक धाराओं से संबंधित हैं। यह विद्युत शोर सुविधा के बुनियादी ढांचे में फैलता है, जिससे बेयरिंग विफलता में 34% की वृद्धि होती है, अपरचालन बिजली आपूर्ति (UPS) के जीवनकाल में 27% की कमी आती है, और ऊर्जा खपत में 12% की वृद्धि होती है।

बढ़ती चुनौती: उच्चतर प्रक्रिया सटीकता बनाम घटती ग्रिड गुणवत्ता

जैसे-जैसे वेफर प्रक्रियाएं परमाण्विक स्तर की सटीकता (1 नैनोमीटर नोड) तक पहुंच रही हैं, अनुमेय वोल्टेज सहिष्णुता पिछले दशक की तुलना में ±5% से घटकर ±0.5% रह गई है। इसी समय, 2020 के बाद से ग्रिड अस्थिरता की घटनाओं में 57% की वृद्धि हुई है (पावर क्वालिटी ट्रेंड्स रिपोर्ट 2024), जिससे उत्पादन आवश्यकताओं और उपयोगिता बुनियादी ढांचे की क्षमताओं के बीच टकराव उत्पन्न हो रहा है।

एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर: फैब्स में शुद्ध बिजली के लिए मुख्य प्रौद्योगिकी

आधुनिक अर्धचालक निर्माण के लिए आम औद्योगिक मानकों से भी उच्च बिजली गुणवत्ता की आवश्यकता होती है, जिसमें एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर हार्मोनिक विकृति के खिलाफ महत्वपूर्ण सुरक्षा के रूप में उभर रहा है।

एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर वास्तविक समय में हार्मोनिक विरूपण को कैसे खत्म करता है

ये प्रणाली विद्युत नेटवर्क की 256 नमूनों/चक्र की दर से निगरानी के लिए अनुकूली एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं, जो 50वीं क्रम तक की हार्मोनिक आवृत्तियों का पता लगाते हैं। व्यवधान का पता चलने के 1.5 मिलीसेकंड के भीतर विपरीत-कला धाराओं को इंजेक्ट करके, वे कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) को 5% से कम बनाए रखते हैं—जो EUV लिथोग्राफी प्रणालियों और परमाणु स्तर निक्षेपण उपकरणों की सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण है।

गतिशील उच्च-तकनीक वातावरण में निष्क्रिय फ़िल्टर की तुलना में एक्टिव समाधान क्यों बेहतर होते हैं

निष्क्रिय LC फ़िल्टर अच्छा काम करते हैं लेकिन वे सीमित हैं क्योंकि वे केवल विशिष्ट हार्मोनिक आवृत्तियों को लक्षित करते हैं। सक्रिय उपशमक अलग होते हैं क्योंकि वे वास्तव में बदलती परिस्थितियों के अनुकूल हो सकते हैं। ऐसे उपकरणों के बारे में सोचें जो तीव्रता से चक्रित होते हैं, जैसे कि एच टूल जो दो सेकंड से भी कम समय में 0 से 100% भार तक पहुँच जाते हैं। या DC ड्राइव पर विचार करें जो लगभग 35% THDi स्तर पर मिश्रित हार्मोनिक्स उत्पन्न करते हैं और RF जनरेटर लगभग 28% THDv के साथ अपनी समस्याएँ जोड़ते हैं। जब रोबोटिक्स सिस्टम ऊर्जा पुनःउत्पादन मोड में संचालित होते हैं तो भी समस्याएँ होती हैं, जहाँ कभी-कभी 18% तक शक्ति पीछे की ओर प्रवाहित होती है। वास्तविक दुनिया के परीक्षणों ने प्रदर्शित किया है कि सक्रिय उपशमन समाधान आमतौर पर पारंपरिक निष्क्रिय दृष्टिकोणों की तुलना में लगभग 95% दक्षता के साथ हार्मोनिक्स को दबा देते हैं, जो हाल ही में 2022 में जारी IEEE 519 मानक में नवीनतम अद्यतन के अनुसार केवल 60 से 70% प्रभावकारिता दिखाते हैं।

केस अध्ययन: सक्रिय हार्मोनिक उपशामक के साथ THD को 18% से घटाकर 5% से कम करना

एक 300 मिमी वेफर फैब ने 34 महत्वपूर्ण प्रक्रिया उपकरणों में सक्रिय उपशमन लागू करके प्रति वर्ष $2.3 मिलियन की अपशिष्ट लागत से छुटकारा पाया:

पैरामीटर	मिटिगेशन से पहले	मिटिगेशन के बाद	सुधार
वोल्टेज THD	18.7%	4.2%	77.5%
उपज हानि	1.8%	0.3%	83.3%
ऊर्जा खपत	9.8 किलोवाट-घंटा/सेमी²	8.1 किलोवाट-घंटा/सेमी²	17.3%

समाधान ने 18 महीने के तैनाती चरण के दौरान SEMI F47-0706 वोल्टेज सैग इम्यूनिटी मानकों के साथ अनुपालन बनाए रखा।

वास्तविक समय में बिजली स्थिरीकरण के लिए उन्नत नियंत्रण रणनीतियाँ

गतिशील बिजली गुणवत्ता सुधार के लिए वास्तविक समय नियंत्रण प्रणाली

अर्धचालक निर्माण संयंत्रों को ऐसी नियंत्रण प्रणालियों की आवश्यकता होती है जो बिजली समस्याओं के लिए केवल 1 से 2 मिलीसेकंड में प्रतिक्रिया कर सकें, अन्यथा मूल्यवान उत्पादन खोने से बचा नहीं जा सकता। नए अनुकूली हिस्टेरिसिस नियंत्रण प्रणाली इस क्षेत्र में बड़ी सुधार कर रही हैं, जो पुराने PI नियंत्रकों की तुलना में वोल्टेज ड्रॉप को लगभग 40 प्रतिशत तेजी से ठीक करती हैं। ये प्रणालियाँ विद्युत ग्रिड में किसी भी क्षण में हो रही स्थिति के आधार पर अपनी प्रतिक्रिया गति को बदलकर काम करती हैं। चरम पराबैंगनी लिथोग्राफी प्रक्रियाओं के लिए, वोल्टेज को प्लस या माइनस 1 प्रतिशत के भीतर बनाए रखना बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि छोटी से छोटी बिजली की लहरें भी सिलिकॉन वेफर के पूरे बैच को नष्ट कर सकती हैं। उद्योग के आंकड़े दिखाते हैं कि ऐसी उन्नत नियंत्रण प्रणालियों को लागू करने वाली सुविधाओं में नियमित व्यवधानों वाले ग्रिड के साथ काम करते समय वोल्टेज समस्याओं में लगभग 70 प्रतिशत से अधिक की गिरावट देखी गई है।

लोड संतुलन और वोल्टेज स्थिरता के लिए शंट और श्रेणी क्षतिपूर्ति

300 मिमी वेफर निर्माण संयंत्रों में तीन-चरण असंतुलन की समस्या काफी गंभीर हो जाती है, कभी-कभी 15% से अधिक हो जाती है जब वे त्वरित तापीय प्रसंस्करण चरण चलाते हैं। इंजीनियर इसके बारे में क्या करते हैं? खैर, उन्नत शंट कंपेंसेटर समस्याएँ होने से पहले प्रतिक्रियाशील धारा प्रवाहित करके चीजों को लगभग 2% के स्तर पर संतुलित रखते हैं। इस बीच, श्रृंखला उपकरण 0.9 प्रति इकाई स्तर से नीचे गिरने वाले वोल्टेज ड्रॉप को ठीक करने के लिए सक्रिय हो जाते हैं, आधे चक्र से भी तेज़ प्रतिक्रिया देते हुए। इन दोनों तरीकों को एक साथ लागू करने से उन कठोर श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को रोका जाता है जहाँ उपकरण लगातार स्वयं को रीसेट करते रहते हैं। और आइए स्वीकार करें, ये रीसेट सेमीकंडक्टर निर्माण सुविधाओं में अप्रत्याशित बंद होने के 12 से लेकर शायद ही 18 प्रतिशत तक के कारण बनते हैं।

तेज़ प्रतिक्रिया के लिए हाइब्रिड एक्टिव पावर फिल्टर (HAPF) के साथ एकीकरण

जब हम 12 पल्स कन्वर्टर्स को IGBT आधारित सक्रिय फ़िल्टर्स के साथ जोड़ते हैं, तो हमें ये संकर प्रणाली मिलती हैं जो वास्तव में 2 से 5 kHz आवृत्ति सीमा में 50वें क्रम तक के हार्मोनिक्स को रद्द कर देती हैं। कुछ क्षेत्र परीक्षणों ने HAPF सेटअप के बारे में सामान्य निष्क्रिय फ़िल्टर की तुलना में कुछ दिलचस्प बातें उजागर की हैं। ये संकर प्रणाली अचानक भार परिवर्तन के दौरान लगभग 50 प्रतिशत तेज़ी से प्रतिक्रिया करती हैं। आइए आयन आरोपण उपकरण के बारे में सोचें जो लगातार 5 kW पर बस खड़े रहने और अचानक 150 kW पर पूर्ण शक्ति तक बढ़ने के बीच आगे-पीछे स्विच करते रहते हैं। इन नाटकीय शक्ति उतार-चढ़ाव के दौरान स्थिर संचालन बनाए रखने में त्वरित प्रतिक्रिया बहुत बड़ा अंतर लाती है।

उभरता रुझान: सक्रिय शक्ति फ़िल्टर में एआई-संचालित पूर्वानुमान नियंत्रण

ऐतिहासिक बिजली गुणवत्ता डेटा के टेरावॉट-घंटों पर प्रशिक्षित मशीन लर्निंग मॉडल अब मापन प्रणाली द्वारा उन्हें पहचाने जाने से 8–12 सेकंड पहले ही आवृत्ति विरूपण प्रतिमानों की भविष्यवाणी करते हैं। न्यूरल नेटवर्क नियंत्रित सक्रिय फ़िल्टर का उपयोग करने वाली 2024 की एक पायलट परियोजना ने अनुकरणित ग्रिड व्यवधानों के दौरान इनपुट-टू-स्टेट स्थिरता (ISS) मेट्रिक्स में 23.6% का सुधार प्रदर्शित किया, जो पारंपरिक थ्रेशहोल्ड-आधारित प्रणालियों की तुलना में काफी बेहतर है।

आधुनिक फैब में अनुपालन और निरंतर निगरानी सुनिश्चित करना

वैश्विक मानकों को पूरा करना: IEEE 519, EN 50160, और IEC 61000 अनुपालन

आज के सेमीकंडक्टर निर्माण संयंत्रों को हार्मोनिक विरूपण के लिए IEEE 519, वोल्टेज विशेषताओं के लिए EN 50160, और विद्युत चुम्बकीय सुसंगति के लिए IEC 61000 सहित कई महत्वपूर्ण मानकों का पालन करने की आवश्यकता होती है। ये नियम उपकरणों में समस्याओं से बचने और उत्पादन हानि के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करते हैं। ऐसे संयंत्र जो वास्तव में इन मानकों का पालन करते हैं, उनमें अनुपालन न करने वालों की तुलना में लगभग 40-45% कम अप्रत्याशित बंद होने की स्थिति देखी जाती है। कुछ उन्नत तकनीकें अब सुविधाओं को कुल हार्मोनिक विरूपण को 5% से कम रखने की अनुमति देती हैं, जो अधिकांश औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए IEEE 519 द्वारा निर्धारित 8% की सीमा से बेहतर है। शीर्ष निर्माता दो-स्तरीय प्रमाणन दृष्टिकोण लागू करके इससे भी आगे बढ़ जाते हैं। वे सम्पूर्ण संयंत्र के अनुपालन की जाँच के साथ-साथ आधुनिक चिप निर्माण के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण चरम पराबैंगनी लिथोग्राफी मशीनों जैसे विशिष्ट उपकरणों पर विस्तृत परीक्षण भी करते हैं।

विद्युत गुणवत्ता ऑडिट, हार्मोनिक विश्लेषण, और PQ मूल्यांकन प्रोटोकॉल

व्यापक बिजली गुणवत्ता लेखा परीक्षण तीन-चरणीय दृष्टिकोण का अनुसरण करते हैं:

लेखा परीक्षण चरण	प्रमुख मापदंड	मापने के उपकरण
आधार रेखा	THD, वोल्टेज भिन्नताएँ	बिजली की गुणवत्ता के एनालाइज़र
लोड स्ट्रेस	अनिश्चित प्रतिक्रिया	उच्च-गति डेटा लॉगर
अनुपालन	IEEE 519/EN 50160 संरेखण	अनुपालन सत्यापन सॉफ्टवेयर

आज की हार्मोनिक विश्लेषण में जटिल फैब लेआउट में अनुनाद के जोखिम की भविष्यवाणी करने के लिए मशीन लर्निंग शामिल है। उन्नत अनुपालन प्रबंधन प्रणाली AI-संचालित नियामक मंचों के माध्यम से प्रमाणन ट्रैकिंग को स्वचालित करती हैं, जिससे हाल के कार्यान्वयन में मैनुअल सत्यापन त्रुटियों में 67% की कमी आई है।

प्रो-एक्टिव रखरखाव के लिए वास्तविक समय निगरानी और डेटा लॉगिंग

आज के निर्माण सुविधाओं में इंटरनेट से जुड़े मॉनिटरिंग उपकरणों का उपयोग होता है, जो उनकी विद्युत प्रणालियों में प्रत्येक मिनट लगभग 10,000 विभिन्न डेटा रीडिंग एकत्र करते हैं। 2024 की एक हालिया उद्योग बेंचमार्क रिपोर्ट के अनुसार, इन वास्तविक समय मॉनिटरिंग समाधानों को लागू करने वाले कारखानों में बिजली की समस्याओं के कारण वेफर दोषों में महत्वपूर्ण कमी देखी गई। इसमें लगभग 29% की कमी हुई, जिसके कई कारण हैं, जिनमें महत्वपूर्ण एचिंग चरणों के दौरान वोल्टेज स्पाइक्स की त्वरित पहचान, फ़िल्टरिंग प्रणालियों को अनुकूलित करने में सहायता करने वाले हार्मोनिक विरूपण पैटर्न का स्वचालित रिकॉर्डिंग, और संधारित्रों या ट्रांसफार्मर्स को ध्यान देने की आवश्यकता होने पर प्रारंभिक चेतावनी संकेत शामिल हैं। ये निरंतर अनुपालन जांचें वर्तमान असंतुलन को पहले से कहीं अधिक तेज़ी से सुधारने के लिए सक्रिय हार्मोनिक फ़िल्टर के साथ हाथ में हाथ मिलाकर काम करती हैं। परिणामस्वरूप, अर्धचालक निर्माता अपनी बिजली की गुणवत्ता को लगातार लगभग पूर्ण स्तर के करीब बनाए रख सकते हैं, चाहे उन्नत निर्माण वातावरण में उपकरण तीव्रता से प्रक्रियाओं के बीच स्विच कर रहे हों, फिर भी इष्टतम मानकों से केवल 2% विचलन के भीतर रह सकते हैं।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

अर्धचालक निर्माण में विद्युत गुणवत्ता क्या है?

अर्धचालक निर्माण में विद्युत गुणवत्ता से तात्पर्य विद्युत शक्ति प्रणाली की स्थिरता और विश्वसनीयता से है, जो यह सुनिश्चित करती है कि उपकरण विद्युत व्यवधानों के कारण होने वाले रुकावटों के बिना कुशलतापूर्वक काम करें।

अर्धचालक फैब में आर्मोनिक विकृति क्यों चिंता का विषय है?

आर्मोनिक विकृति चिप उत्पादन में दोष घनत्व को बढ़ा सकती है और उपकरण विफलताओं का कारण बन सकती है, जिससे उपज में भारी कमी और संचालन ठप हो सकता है।

सक्रिय हार्मोनिक मिटिगेटर क्या हैं?

एक्टिव आर्मोनिक मिटिगेटर वे प्रणाली हैं जो वास्तविक समय में आर्मोनिक विकृतियों की निगरानी और सुधार के लिए अनुकूली एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं, जो संवेदनशील निर्माण उपकरणों के लिए आवश्यक शुद्ध शक्ति सुनिश्चित करते हैं।

उन्नत नियंत्रण रणनीतियाँ विद्युत गुणवत्ता स्थिरीकरण में कैसे सहायता करती हैं?

उन्नत नियंत्रण रणनीतियाँ विद्युत उतार-चढ़ाव पर त्वरित प्रतिक्रिया प्रदान करती हैं, वोल्टेज स्थिरता बनाए रखने और उपकरण रीसेट को रोकने के लिए शंट और श्रृंखला क्षतिपूर्ति जैसी तकनीकों का उपयोग करती हैं।

अर्धचालक फैब को किन मानकों के साथ अनुपालन करने की आवश्यकता होती है?

अर्धचालक फैब्रिकेशन सुविधाओं को उपकरण विफलताओं और उत्पादन हानि को रोकने के लिए हार्मोनिक विरूपण के लिए IEEE 519, वोल्टेज विशेषताओं के लिए EN 50160 और विद्युत चुम्बकीय संगतता के लिए IEC 61000 जैसे मानकों का पालन करना आवश्यक होता है।