EN
Mantenir l'humitat estrictament controlada al voltant de ±1 % HR és fonamental en les fàbriques de semiconductors, ja que fins i tot petites fluctuacions poden provocar deformacions del silici o generar problemes durant el delicat procés de litografia. Preneu com a exemple la instal·lació Fab 18 de TSMC, on fabriquen aquells xips d'avantguarda de 3 nm. Els seus sistemes de control de condensació treballen a fons, extraient una impressionant quantitat de 4.200 litres d'humitat cada hora només per mantenir l'estabilitat al 45 % d'humitat relativa. Per fer front a les càrregues electrostàtiques que podrien danyar l'equipament, s'utilitzen cortines d'aire ionitzat arreu de la instal·lació. Aquests sistemes redueixen els nivells d'electricitat estàtica a menys de 10 volts, fet que marca la diferència quan es manipulen aquelles oblees ultra sensibles de 300 mm. I no oblidem els depuradors químics de múltiples etapes que combaten l'alliberament de gasos del fotorevisor. En reduir les emissions a menys d'una part per milió, aquests depuradors ajuden a prevenir pèrdues costoses de rendiment durant les operacions de litografia d'ultraviolat extrem (EUV).
La nova instal·lació D1X d'Intel compta amb uns 1.200 filtres ULPA que capturen partícules tan petites com 0,12 micres amb una eficàcia impressionant del 99,9995% en totes les àrees de sala blanca ISO 3. Han implementat un sistema especial d'aireació en cascada que fa entre 500 i 750 cicles per hora. Això és, de fet, cinc vegades més ràpid del que normalment es veu en sales blanques farmacèutiques, cosa que ajuda a eliminar aquelles molestes contaminants d'amines provinents de l'equipament EUV. Segons estudis recents d'experts en fabricació de semiconductors, aquest enfocament avançat de filtració redueix els defectes relacionats amb partícules aproximadament un 83% en comparació amb sistemes antics encara en ús avui dia a tota la indústria.
Les fàbriques avançades despleguen més de 2.000 sensors sense fils per fer un seguiment continu dels paràmetres crítics:
| Paràmetre | Llindar | Freqüència de mesura |
|---|---|---|
| Partícules ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Cada 6 segons |
| Vibració | <2 μm/s² | Continuïta |
| Diferencial de pressió | +15 Pa com a mínim | Cada 30 segons |
Aquesta telemetria en temps real permet ajustos de climatització en menys de 0,8 segons després de les desviacions, suportant taxes de rendiment superiors al 98,5% en la producció de nodes de 5 nm. Els sistemes automàtics responen més ràpidament que la intervenció manual, mantenint l'estabilitat en operacions d'alta volumetria.
Les sales netes utilitzades en la fabricació de semiconductors segueixen estrictes normes ISO 14644-1 que van de la classe 4 a la 8, el que significa que controlen les partícules en suspensió entre aproximadament 352 i 35.200 partícules de 0,5 micròmetres o més grans per metre cúbic. Aquests requisits depenen molt de la sensibilitat del procés de producció. En comparació amb el que es veu en instal·lacions farmacèutiques que treballen en classes ISO de 5 a 8, aquestes especificacions són aproximadament 100 vegades més exigents. Encara que ja no estigui oficialment en ús, l'antic estàndard FS 209E continua influint en el disseny d'equips, especialment en relació amb la seva famosa classificació Classe 100, que permetia no més de 100 d'aquestes partícules per peu cúbic d'aire, equivalent a les especificacions ISO Classe 5. Els fabricants de primera línia reserven les seves àrees de màxima qualitat, ISO Classe 4 a 5, específicament per a processos crítics com la litografia i els treballs de deposició. Només una partícula minúscula de 0,3 micròmetres en suspensió podria arruïnar un wafer de silici valorat en gairebé 740.000 dòlars segons informes recents de la indústria de SEMI del 2023.
L'estàndard SEMI F51 va més enllà del que normalment cobreix l'ISO en relació amb el control de la contaminació molecular aerotransportada (AMC). De fet, limita els compostos orgànics volàtils a menys d'una part per mil milions, cosa que és força estricta. En un altre àmbit, la norma SEMI E89 exigeix la monitorització contínua de partícules en temps real. Si hi ha una desviació dels nivells normals superior al 5%, els sistemes d'alarma s'activen automàticament. El que fa especialment importants aquestes normes per als semiconductors és com aborden qüestions concretes com la degradació del fotorevisor o els problemes de corrosió metàl·lica, que simplement no apareixen en les regulacions de biotecnologia o farmacèutiques. Els fabricants de semiconductors han de prestar especial atenció a aquests requisits, ja que incumplir-los pot provocar greus contratemps en la producció més endavant.
Les sales blanques de semiconductors classificades com a ISO Classe 4 normalment necessiten entre 400 i 600 renovacions d'aire cada hora. Això és aproximadament 12 vegades més del que es veu en entorns farmacèutics estàndard. Per mantenir aquests espais adequats per a la fabricació avançada de sub-5nm, les instal·lacions compten amb filtres ULPA que capturen el 99,9995% de les partícules fins a 0,12 micres. Quan es treballa amb òxids de porta que mesuren només uns 10 àtoms de gruix, fins i tot les contaminants més petits tenen una gran importància. Penseu-hi: un sol cabell humà pot alliberar més de 600.000 partícules microscòpiques en una zona ISO Classe 5. Això il·lustra per què mantenir uns estàndards de control tan estrictes és absolutament crític en la fabricació de semiconductors.
Les enquestes recents del sector indiquen que el 93 % de les fàbriques d'avantguarda ja operen amb una classe ISO 5 o superior, impulsades per les exigències de la litografia EUV i l'apilament 3D NAND. Això representa un augment del 40 % en l'adopció d'aules ultra-netes des de 2018 (FabTech 2023).
Les millors instal·lacions de fabricació mantenen els nivells de humitat dins d'un mig percentatge de RH i poden controlar les temperatures fins a 0,02 graus Celsius mitjançant els seus sistemes sofisticats de control ambiental. Una important fàbrica d'Àsia ha implementat cortines d'aire ionitzat que mantenen l'electricitat estàtica per sota dels 50 volts, cosa que ajuda a evitar els defectes minúsculs en treballar amb xips de 3 nm. Quan es combinen amb diversos estadis de neteja química, aquests mètodes asseguren que qualsevol compost volàtil alliberat pels fotoreactors roman ben per sota d'una part per mil milions. Això és realment important per mantenir rendiments elevats en processos de litografia d'ultraviolada extrema.
Els sistemes de filtració que compleixen amb les normes ISO 14644 poden gestionar uns 600 canvis d'aire per hora quan estan equipats amb filtres ULPA. Aquests filtres retenen un impressionant 99,999 % de partícules superiors a 0,12 micròmetres, cosa que és aproximadament 50 vegades més estricte del que es requereix en entorns farmacèutics. Considereu una instal·lació de recerca operada per un important fabricant nord-americà. Han implementat una combinació de graelles de sostre HEPA juntament amb sòls perforats que creen patrons de flux laminar. Aquesta configuració manté el recompte de partícules per sota de 10 per peu cúbic durant la producció de components de 5 nanòmetres. Per assolir una puresa encara major, s'utilitzen llits d'adsorció moleculars per eliminar quantitats mínimes d'àcids i dopants aeris fins a concentracions de parts per mil milions.
Les xarxes de sensors integrades en aquests sistemes controlen més de 15 factors diferents, incloent-hi partícules minúscules de 0,1 micròmetres i diverses freqüències de vibració, amb actualitzacions cada mig segon. Si els valors superen els estàndards ISO Classe 5, els controls automàtics s'activen per ajustar la velocitat del flux d'aire amb gran precisió al voltant de 0,1 metres per segon, cosa que supera clarament qualsevol acció manual que podria fer una persona. Tot el bucle de retroalimentació funciona tan bé que la contaminació provoca només un 0,01 per cent de pèrdua en rendiment de producció, encara que processin aproximadament 150.000 oblees cada mes mitjançant aquest sistema.
Quan es treballa amb nodes semiconductors inferiors a 3 nm, els filtres ULPA han de capturar com a mínim el 99,9995 % de les partícules de 0,12 micròmetres o més grans. Actualment, moltes de les principals fàbriques han començat a implementar sistemes intel·ligents de gestió del flux d'aire. Aquests sistemes s'ajusten sobre la marxa segons com estigui disposat l'equipament a tota la sala blanca. Aquest enfocament redueix els embolics d'aire mort en un 40 % aproximadament en comparació amb els sistemes antics de flux laminar fix. Els beneficis es fan realment evidents durant els processos de litografia EUV. Fins i tot partícules minúscules de només uns quants nanòmetres poden alterar els delicats patrons de circuits que s'estan creant, per tant, tenir aquests sistemes de filtratge adaptatius marca tota la diferència per mantenir la qualitat del producte.
Les sales netes d'avui en dia porten sistemes de pressió intel·ligents que mantenen separades les diferents àrees tot estalviant costos energètics. Un informe recent de Semiconductor Engineering del 2023 va descobrir alguna cosa interessant sobre les actualitzacions modernes dels sistemes de climatització (HVAC). Van aconseguir reduir el consum d'energia aproximadament un 28 per cent sense comprometre els estàndards requerits de la classe ISO 5. Com ho van fer? Instal·lant ventiladors de velocitat variable i afegint mecanismes de recuperació de calor a tota la instal·lació. Per a indústries que gestionen operacions sensibles a la temperatura, com ara la deposició atòmica de capes (ALD), aquest tipus de guanys d'eficiència marquen tota la diferència a l'hora de mantenir la qualitat del producte durant la fabricació.
Les sales netes tradicionalment consumeixen al voltant del 30 al 50 per cent de tota l'energia utilitzada en plantes de fabricació, cosa que posa els fabricants en una situació difícil a l'hora d'equilibrar ambients ultra nets amb iniciatives verdes. Actualment, les empreses intel·ligents aborden aquest problema de diverses maneres. Algunes instal·len materials de canvi de fase que ajuden a mantenir temperatures estables sense haver de fer funcionar els sistemes de climatització ininterrompudament. Altres han començat a utilitzar precipitadors electrostàtics alimentats per fonts renovables per a necessitats secundàries de filtració d'aire. I moltes ara depenen de la intel·ligència artificial per a tasques de manteniment predictiu, reduint els filtres malgastats en un vint-i-dos per cent aproximadament segons informes del sector. Combinar aquests enfocaments resulta en un cinc per cent menys d'emissions de carboni cada any, tot mantenint els comptes de partícules sota control, amb menys de mig partícula per peu cúbic en aquelles zones especialment sensibles on la contaminació no és acceptable.
Les plaques modulars de sales netes ara incorporen sensors IoT integrats que permeten ajustar ràpidament les àrees de control de contaminació sempre que sigui necessari, una funcionalitat essencial quan les eines es actualitzen cada trimestre. Les plantes de fabricació de semiconductors estan començant a implementar allò que s'anomena "bessons digitals de sales netes" per provar com s'integraran els nous equips als espais existents. Aquest enfocament redueix dràsticament els períodes de validació; moltes instal·lacions indiquen que han passat d'uns 12 setmanes a uns 18 dies aproximadament. Aquest tipus de configuracions d'infraestructura flexibles ajuden els fabricants a mantenir-se al capdavant de la normativa en evolució, com ara la futura norma ISO 14644-1 prevista per al 2025, que exigeix un control estricte de les nanopartícules en ambients controlats. Preparar-se per a aquests canvis no és només qüestió de paperassa, sinó que afecta directament les operacions diàries a tota la indústria.
