EN
At opretholde en præcis fugtighedsstyring på ca. ±1 % rel. luftfugtighed er afgørende i halvlederfabrikker, fordi selv små udsving kan forårsage krølle af silicium eller skabe problemer under den følsomme litografiprocess. Tag TSMCs Fab 18-anlæg, hvor de fremstiller disse avancerede 3 nm-chips. Deres kondenskontrolsystemer arbejder hårdt og fjerner imponerende 4.200 liter fugt hver eneste time, blot for at holde niveauet stabilt på 45 % relativ luftfugtighed. For at håndtere statiske ladninger, som kunne beskadige udstyret, anvendes ioniserede luftskærme gennem hele anlægget. Disse systemer reducerer statiske niveauer til under 10 volt, hvilket gør en stor forskel, når man håndterer de ekstremt følsomme 300 mm wafere. Og så må vi ikke glemme de flertrins kemiske vaskere, der neutraliserer udgassning fra fotolac. Ved at reducere emissionerne til under 1 del per milliard hjælper disse vaskere med at forhindre kostbare udbytteforluster under operationer med ekstrem ultraviolet (EUV) litografi.
Det nye D1X-anlæg hos Intel er udstyret med omkring 1.200 ULPA-filtre, som fanger partikler så små som 0,12 mikron med en imponerende effektivitet på 99,9995 % i alle ISO 3-renrum. De har implementeret et specielt kaskadeformet luftstrømssystem, der cirkulerer mellem 500 og 750 gange i timen. Det er faktisk fem gange hurtigere end det, vi typisk ser i farmaceutiske renrum, hvilket hjælper med at fjerne de irriterende aminforureninger fra EUV-udstyret. Ifølge nyere studier fra eksperter inden for halvlederproduktion reducerer denne avancerede filtreringsteknik partikelrelaterede defekter med cirka 83 % i forhold til ældre systemer, som stadig anvendes i industrien i dag.
Avancerede fabs anvender over 2.000 trådløse sensorer til løbende overvågning af kritiske parametre:
| Parameter | Tærskelværdi | Målefrevens |
|---|---|---|
| Partikler ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Hvert 6. sekund |
| Vibration | <2 μm/s² | Kontinuerlig |
| Trykdifferens | +15 Pa minimum | Hvert 30. sekund |
Denne realtids-telemetri muliggør HVAC-justeringer inden for 0,8 sekunder efter afvigelser og understøtter udbytte over 98,5 % ved 5 nm node-produktion. Automatiserede systemer reagerer hurtigere end manuel indgriben og opretholder stabilitet i drift med høj kapacitet.
Rengjorte rum, der anvendes til produktion af halvledere, overholder strenge ISO 14644-1-standarder i klasserne 4 til 8, hvilket betyder, at de kontrollerer luftbårne partikler mellem cirka 352 og 35.200 partikler på 0,5 mikrometer eller større per kubikmeter. Disse krav afhænger stort set af, hvor følsom produktionsprocessen er. I forhold til farmaceutiske faciliteter, der arbejder med ISO-klasser 5 til 8, er disse specifikationer groft sagt 100 gange mere krævende. Selvom den gamle FS 209E-standard ikke længere officielt anvendes, former stadig udformningen af udstyr, især med hensyn til dens berømte Class 100-rating, som tillod højst 100 sådanne partikler per kubikfod luft, svarende til ISO Class 5-specifikationer. Topfabrikanter reserverer deres højtkvalitetsområder i ISO-klasserne 4 til 5 specifikt til kritiske processer som lithografi og afsætningsarbejde. Allerede en enkelt lille partikel på blot 0,3 mikrometer kunne ødelægge en siliciumwafer, der ifølge nyere brancheoplysninger fra SEMI i 2023 er værd næsten 740.000 USD.
SEMI F51-standarden går længere end det, som ISO typisk dækker, når det gælder kontrol med luftbåren molekylær forurening (AMC). Den begrænser faktisk flygtige organiske forbindelser til under én del per milliard, hvilket er ret strengt. På et andet område kræver SEMI E89 kontinuerlig overvågning af partikler i realtid. Hvis der er en afvigelse fra normale niveauer på mere end 5 %, aktiveres alarmer automatisk. Hvad der gør disse standarder særligt vigtige for halvledere, er, hvordan de løser specifikke problemer såsom nedbrydning af fotolac og metalcorrosion, som simpelthen ikke optræder i bioteknologiske eller farmaceutiske regler. Halvlederproducenter skal være opmærksomme på disse krav, da overtrædelser kan føre til alvorlige produktionsproblemer senere hen.
Halvlederrensestuer klassificeret som ISO-klasse 4 kræver typisk mellem 400 og 600 luftudskiftelser hver time. Det er cirka 12 gange mere end hvad vi ser i standard farmaceutiske miljøer. For at holde disse områder velegnede til avanceret sub-5nm-produktion bruger faciliteter ULPA-filtre, der fanger 99,9995 % af partikler ned til 0,12 mikrometer. Når man arbejder med gate-oxider, der kun er cirka 10 atomer tykke, betyder selv mindste forurening meget. Tænk over det: Én enkelt hårstrå kan frigive over 600 tusind mikroskopiske partikler i et ISO-klasse-5-område. Dette illustrerer, hvorfor så streng kontrol er helt afgørende i halvlederfremstilling.
Nylige brancherapporter viser, at 93 % af de mest avancerede fabs nu opererer på ISO-klasse 5 eller renere, drevet af kravene fra EUV-litografi og 3D NAND-stabling. Dette repræsenterer en stigning på 40 % i anvendelsen af ultra-rene rum siden 2018 (FabTech 2023).
De bedste produktionsfaciliteter opretholder fugtighedsniveauer inden for kun et halvt procent RH og kan regulere temperaturer ned til 0,02 grader Celsius ved hjælp af deres sofistikerede miljøkontrolsystemer. En større foundry i Asien har implementeret ioniserede luftforhæng, som holder den statiske elektricitet under 50 volt, hvilket hjælper med at undgå små fejl under arbejdet med 3nm-chips. Når disse metoder kombineres med flere trin af kemisk vaskning, sikres det, at eventuelle flygtige forbindelser frigivet fra lydmodstande forbliver langt under én del per milliard. Dette er meget vigtigt for at opretholde gode udbytteværdier i processer med ekstrem ultraviolet litografi.
Filtreringssystemer, der opfylder ISO 14644-standarder, kan håndtere omkring 600 luftskiftninger i timen, når de er udstyret med ULPA-filtre. Disse filtre fanger imponerende 99,999 % af partikler større end 0,12 mikrometer, hvilket faktisk er cirka 50 gange strengere end det, der kræves i farmaceutiske omgivelser. Se på et forskningscenter drevet af en stor nordamerikansk producent. De har implementeret en kombination af HEPA-lofter med perforerede gulve, som skaber laminar strømningsmønstre. Denne opsætning holder partikelkoncentrationer under 10 pr. kubikfod under produktionen af 5 nanometer komponenter. For endnu højere renhed anvendes molekylære adsorptionslag til at fjerne spor af luftbårne syrer og dopemidler ned til koncentrationer på parts per billion.
Sensornetværk integreret i disse systemer overvåger mere end 15 forskellige faktorer, herunder de små 0,1 mikrometer store partikler og forskellige vibrationsfrekvenser, med opdateringer hvert halve sekund. Hvis forholdene overskrider ISO-klasse 5-standarderne, træder de automatiske kontroller til for at præcist justere luftstrømningshastigheden omkring 0,1 meter i sekundet, hvilket klart overgår, hvad en person manuelt kunne gøre. Hele feedbackløkken fungerer så godt, at forurening kun medfører et tab på cirka 0,01 procent af produktionsudbyttet, selvom der håndteres omkring 150.000 wafere hver måned gennem denne opsætning.
Når man arbejder med halvlederknuder under 3 nm, skal ULPA-filtre fange mindst 99,9995 % af partikler, der er 0,12 mikron eller større. Mange af de førende fremstillingsanlæg har i disse dage begyndt at implementere intelligente luftstrømsstyringssystemer. Disse systemer justerer dynamisk baseret på udstyrets placering i renrummet. Denne tilgang reducerer døde lufthuller med cirka 40 % sammenlignet med ældre faste laminarstrømsopsætninger. Fordele bliver særlig tydelige under EUV-litografiprocesser. Allerede meget små partikler på blot et par nanometer kan forstyrre de delikate kredsløbsmønstre, der oprettes, så disse adaptive filtreringssystemer gør en afgørende forskel for at opretholde produktkvaliteten.
Dagens rene rum er udstyret med intelligente tryksystemer, der holder forskellige områder adskilt, samtidig med at de sparer på strømforbruget. En ny rapport fra Semiconductor Engineering fra 2023 afslørede noget interessant omkring moderne opgraderinger af ventilationsanlæg. De lykkedes med at reducere energiforbruget med cirka 28 procent, uden at kompromittere de krævede ISO Class 5-standarder. Hvordan gjorde de det? Ved at installere variabelhastighedsventilatorer og tilføje varmegenvindingsmekanismer gennem hele faciliteten. For industrier, der beskæftiger sig med temperaturfølsomme processer såsom atomlagafdækning (ALD), betyder denne type effektivitetsgevinster alt for at opretholde produktkvaliteten under produktionen.
Rengøringsrum plejer traditionelt at forbruge omkring 30 til 50 procent af al energi, der bruges i fabriksanlæg, hvilket stiller producenterne i en vanskelig position, når de skal balancere mellem ekstremt rene miljøer og grønne initiativer. Smarte virksomheder angriber i dag dette problem på flere måder. Nogle installerer fasematerialer, der hjælper med at holde temperaturen stabil uden at køre ventilations- og klimaanlæg konstant. Andre har begyndt at anvende elektrostatiske udskillerapparater, der drives af vedvarende energikilder, til sekundær luftfiltrering. Og mange anvender nu kunstig intelligens til forudsigelsesbaseret vedligeholdelse, hvilket ifølge brancherapporter reducerer spild af filtre med omkring toogtyve procent. Kombineres disse tiltag, resulterer det i cirka fem procent færre CO2-udledninger hvert år, samtidig med at partikelkoncentrationen holdes under kontrol ved mindre end halvt et partikel pr. kubikfod i de særligt følsomme zoner, hvor forurening slet ikke kan tolereres.
De modulære renrumsplader er nu udstyret med indbyggede IoT-sensorer, der gør det muligt at hurtigt justere forureningskontrollerede områder efter behov – noget der bliver afgørende, når udstyret opdateres hvert kvartal. Halvlederfabrikker begynder at implementere det, der kaldes "digitale tvillinger af renrum", for at teste, hvordan ny udstyr passer ind i eksisterende rum. Denne fremgangsmåde reducerer valideringsperioder markant – mange faciliteter rapporterer, at de går fra cirka 12 uger ned til omkring 18 dage. Sådanne fleksible infrastrukturtilsatser hjælper producenter med at holde forkanten i forhold til skiftende regler som den kommende ISO 14644-1-standard, der træder i kraft i 2025 og kræver streng overvågning af nanopartikler i kontrollerede miljøer. At forberede sig på disse ændringer handler ikke kun om papirarbejde – det påvirker faktisk daglige driftsprocesser på tværs af industrien.
