EN
Поддържането на влажността строго контролирана около ±1% RH е от решаващо значение в заводите за производство на полупроводници, тъй като дори и малки колебания могат да причинят деформация на силиция или проблеми по време на деликатния процес на литография. Вземете например фабриката на TSMC, Фаб 18, където произвеждат онези високотехнологични чипове с технологичен процес 3nm. Системите им за контрол на кондензацията работят усилено, извличайки впечатляващи 4200 литра влага на всеки час, само и само да поддържат стабилна относителна влажност от 45%. За борба със статичните заряди, които биха могли да повредят оборудването, в цялата инсталация се използват йонизирани въздушни завеси. Тези системи намаляват нивата на статично електричество под 10 волта, което прави голяма разлика при работа с изключително чувствителните 300 мм силициеви пластинки. И нека не забравяме многостепенните химически скрубери, които се справят с отделянето на пари от фоточувствителния слой. Като редуцират емисиите до по-малко от 1 част на милиард, тези скрубери помагат за предотвратяване на скъпоструващи загуби в добива по време на операциите с екстремна ултравиолетова (EUV) литография.
Новият обект D1X на Intel разполага с около 1200 ULPA филтъра, които улавят частици с размер до 0,12 микрона с впечатляваща ефективност от 99,9995% във всички изолирани зони ISO 3. Внедрена е специална каскадна система за въздушен поток, която осъществява между 500 и 750 цикъла на час. Това е пет пъти по-бързо в сравнение с типичните фармацевтични изолирани стаи и помага за премахване на досадните аминови замърсители от EUV оборудването. Според последни проучвания на експерти по производство на полупроводници, този напреднал подход за филтриране намалява дефектите, свързани с частиците, с приблизително 83% в сравнение с по-стари системи, все още използвани в индустрията.
Напреднали производствени линии използват над 2000 безжични сензора за непрекъснато следене на ключови параметри:
| Параметър | Праг | Честота на измерване |
|---|---|---|
| Частици ≥0,1μm | <0,5/см³ (ISO 3) | На всеки 6 секунди |
| Вибрация | <2 μm/s² | Непрекъснат |
| Разлика в налягането | +15 Pa минимум | На всеки 30 секунди |
Тази телеметрия в реално време позволява корекции на климатичните системи в рамките на 0,8 секунди след отклонения, осигурявайки нива на добив над 98,5% при производството с 5nm процес. Автоматизираните системи реагират по-бързо от ръчното вмешателство и поддържат стабилност при операции с голям обем.
Чистите стаи, използвани за производство на полупроводници, следват строги стандарти ISO 14644-1 в класове от 4 до 8, което означава, че се контролират въздушните частици между около 352 и 35 200 частици с размер 0,5 микрона или по-големи на кубичен метър. Тези изисквания силно зависят от чувствителността на производствения процес. В сравнение с това, което виждаме във фармацевтични обекти, работещи в класове ISO от 5 до 8, тези спецификации са приблизително 100 пъти по-строги. Въпреки че вече не се използва официално, старият стандарт FS 209E все още повлиява начина, по който се проектира оборудването, особено относно известния си рейтинг Клас 100, който позволява не повече от 100 такива частици на кубичен фут въздушно пространство, съответстващо на спецификациите на ISO Клас 5. Производителите от най-висока категория запазват своите най-качествени зони от ISO Клас 4 до 5 специално за критични процеси като литография и нанасяне. Само една миниатюрна частица с размер 0,3 микрона, носеща се във въздуха, би могла да повреди силициево кюлче на стойност почти 740 000 щатски долара според данни от индустриални доклади на SEMI от 2023 година.
Стандартът SEMI F51 надхвърля обхвата на това, което обикновено покрива ISO, когато става въпрос за контрола на молекулното въздушно замърсяване (AMC). Той всъщност ограничава летливите органични съединения до под една част на милиард, което е доста строго. От друга страна, SEMI E89 изисква непрекъснат мониторинг на частиците в реално време. Ако се установи отклонение от нормалните нива с повече от 5%, алармените системи се активират автоматично. Това, което прави тези стандарти особено важни за полупроводниците, е начинът, по който се справят с конкретни проблеми като разграждането на фоточувствителния слой и корозията на метали, които просто не се срещат в биотехнологичните или фармацевтичните правила. Производителите на полупроводници трябва да обърнат сериозно внимание на тези изисквания, тъй като пропускането им може да доведе до сериозни производствени закъснения в бъдеще.
Помещения за полупроводници, класифицирани като ISO клас 4, обикновено се нуждаят от между 400 и 600 въздушни обмена на час. Това е приблизително 12 пъти повече в сравнение със стандартните фармацевтични среди. За да се поддържат тези пространства подходящи за напреднало производство под 5 nm, съоръженията разчитат на ULPA филтри, които задържат 99,9995% от частиците с размер до 0,12 микрона. При работа с gate оксидни слоеве с дебелина от около 10 атома, дори миниатюрни замърсители имат голямо значение. Помислете само: един косъм от човешка глава може да освободи над 600 хиляди микроскопични частици в зона с ISO клас 5. Това показва защо поддържането на толкова строги стандарти за контрол е абсолютно критично при производството на полупроводници.
Съвременни проучвания в индустрията показват, че 93% от най-новите фабрики за полупроводници вече работят на ниво ISO клас 5 или по-чисто, което се дължи на изискванията на EUV литографията и тримерното натрупване на NAND памети. Това представлява 40% увеличение в прилагането на ултрачисти помещения от 2018 г. насам (FabTech 2023).
Най-добрите производствени съоръжения поддържат нива на влажност с отклонение само половин процент относителна влажност и могат да контролират температурата до 0,02 градуса по Целзий чрез сложни системи за контрол на околната среда. Една от водещите компании в Азия е въвела йонизирани въздушни завеси, които задържат статичното електричество под 50 волта, което помага да се избягват микроскопични дефекти при производството на 3nm чипове. Когато се комбинират с многостепенни системи за химическо промиване, тези методи гарантират, че летливите съединения, освобождавани от фоточувствителните материали, остават значително под една част на милиард. Това има решаващо значение за поддържане на висок добив при процесите на литография с екстремен ултравиолетов спектър.
Филтриращите системи, отговарящи на стандарта ISO 14644, могат да осъществяват около 600 въздушни смяны на час, когато са оборудвани с ULPA филтри. Тези филтри задържат впечатляващи 99,999% от частиците над 0,12 микрона, което всъщност е около 50 пъти по-строго от изискваното в фармацевтичните среди. Разгледайте изследователски обект, управляван от голям производител от Северна Америка. Те са внедрили комбинация от HEPA тавани с решетки и перфорирани подове, които създават ламинарни модели на въздушния поток. Тази конфигурация поддържа броя на частиците под 10 на кубичен фут по време на производството на 5-нанометрови компоненти. За още по-висока чистота се използват молекулни адсорбционни легла, за да се премахнат следови количества въздушни киселини и легирани примеси до концентрации от части на милиард.
Сензорни мрежи, интегрирани в тези системи, следят повече от 15 различни фактора, включително частици с размер от едва 0,1 микрометра и различни честоти на вибрации, като актуализациите се извършват на всеки половин секунда. Ако стойностите надхвърлят стандарта ISO Class 5, автоматичните контроли се активират, за да настроят точно скоростта на въздушния поток около 0,1 метра в секунда, което е значително по-точно от каквото и да било ръчно управление. Целият обратен контур работи толкова ефективно, че замърсяването води до загуба в производствените добиви само с около 0,01 процента, въпреки че чрез тази система се обработват приблизително 150 хиляди пластина месечно.
При работа с полупроводникови нодове под 3 nm, ULPA филтрите трябва да задържат поне 99,9995% от частиците с размер 0,12 микрона или по-големи. Много от водещите производствени заводи днес започват да внедряват интелигентни системи за управление на въздушния поток. Тези системи се адаптират в реално време според разположението на оборудването в чистата стая. Такъв подход намалява мъртвите въздушни зони с около 40% в сравнение с по-старите фиксирани ламинарни системи. Предимствата стават особено очевидни по време на процесите за EUV литография. Дори миниатюрни частици с размер само няколко нанометра могат да повредят деликатните схеми, които се създават, затова тези адаптивни системи за филтриране имат решаващо значение за поддържане на качеството на продукта.
Днешните чисти стаи са оборудвани с интелигентни системи за налягане, които поддържат отделени различни зони, като едновременно пестят разходите за електроенергия. Скорошен доклад от Semiconductor Engineering от 2023 г. разкрива интересен факт относно модернизациите на съвременните климатични системи. Успели да намалят енергийното потребление с около 28 процента, без да нарушават изискваните стандарти ISO Class 5. Как постигнали това? Чрез монтаж на вентилатори с променлива скорост и добавяне на механизми за топлинна рекуперация в цялата инсталация. За индустрии, които извършват операции, чувствителни към температурата, като атомно-слоево нанасяне (ALD), такива печалби в ефективността правят решаваща разлика за поддържане качеството на продукцията по време на производството.
Чистите стаи традиционно изразходват около 30 до 50 процента от цялата енергия, използвана в производствени заводи, което поставя производителите в трудно положение, когато се опитват да балансират ултрачисти среди със зелени инициативи. В момента умните компании решават този проблем по няколко начина. Някои инсталират материали с фазов преход, които помагат за поддържане на стабилни температури, без да задействат климатиците непрекъснато. Други започнаха да използват електростатични уловители, захранвани от възобновяеми източници, за вторична въздушна филтрация. А много вече разчитат на изкуствен интелект за предиктивно поддържане, като според отраслеви доклади намаляват загубените филтри с около двадесет и два процента. Комбинирането на тези подходи води до приблизително пет процента по-малко въглеродни емисии всяка година, като същевременно се поддържа контрол върху броя на частиците – по-малко от половин частица на кубичен фут в онези наистина чувствителни зони, където замърсяването е недопустимо.
Модулните панели за чисти стаи вече са оборудвани с вградени IoT сензори, които позволяват бързо настройване на зоните за контрол на замърсяването по всяко време, когато е необходимо — нещо, което става задължително, когато оборудването се актуализира всеки тримесечен период. Заводите за производство на полупроводници започват да прилагат т.нар. "дигитални двойници на чисти стаи", за да тестват как новото оборудване ще се включи в съществуващите пространства. Този подход значително съкращава периодите на валидиране — много обекти докладват намаляване от около 12 седмици до приблизително 18 дни. Такива гъвкави инфраструктурни решения помагат на производителите да останат пред променящите се изисквания, като предстоящия стандарт ISO 14644-1 за 2025 г., който изисква стриктен мониторинг на наночастици в контролирани среди. Подготовката за тези промени не е просто въпрос на документация — тя всъщност влияе върху ежедневните операции в целия сектор.
