EN
Η αυστηρή διατήρηση της υγρασίας σε επίπεδο ±1% ΣΣ είναι κρίσιμη στα εργοστάσια παραγωγής ημιαγωγών, καθώς ακόμη και μικρές διακυμάνσεις μπορούν να προκαλέσουν στρέψη του πυριτίου ή προβλήματα κατά την ευαίσθητη διαδικασία λιθογραφίας. Ας πάρουμε για παράδειγμα την Εγκατάσταση Παραγωγής 18 (Fab 18) της TSMC, όπου κατασκευάζονται τα εξαιρετικά προηγμένα τσιπ 3nm. Τα συστήματα ελέγχου συμπύκνωσης λειτουργούν υπερωρία, απομακρύνοντας εντυπωσιακά 4.200 λίτρα υγρασίας κάθε ώρα, απλώς και μόνο για να διατηρηθεί ο σταθερός επίπεδος υγρασίας στο 45% σχετική υγρασία. Για να αντιμετωπιστούν οι στατικές φορτίσεις που θα μπορούσαν να βλάψουν τον εξοπλισμό, χρησιμοποιούνται κατακόρυφες κουρτίνες ιονισμένου αέρα σε όλη την εγκατάσταση. Αυτά τα συστήματα μειώνουν τα επίπεδα στατικού ηλεκτρισμού σε λιγότερο από 10 βολτ, κάτι που κάνει τη διαφορά όταν χειριζόμαστε τους εξαιρετικά ευαίσθητους δίσκους (wafers) διαμέτρου 300 mm. Και μην ξεχνάμε τους πολυστάδιους χημικούς καθαριστές που αντιμετωπίζουν την εκτόξευση αερίων από τα φωτοαντιστάσεις. Μειώνοντας τις εκπομπές σε λιγότερο από 1 μέρος ανά δισεκατομμύριο, αυτοί οι καθαριστές βοηθούν στην αποφυγή δαπανηρών απωλειών απόδοσης κατά τις επιχειρήσεις λιθογραφίας με υπεριώδη ακτινοβολία εξαιρετικά υψηλής έντασης (EUV).
Η νέα εγκατάσταση D1X της Intel διαθέτει περίπου 1.200 φίλτρα ULPA που αποτρέπουν σωματίδια μεγέθους έως 0,12 μικρομέτρων με εντυπωσιακή απόδοση απόδοσης 99,9995% σε όλες τις περιοχές καθαρών δωματίων ISO 3. Έχει εφαρμοστεί μια ειδική διάταξη κατακόρυφης ροής αέρα που επαναλαμβάνεται από 500 έως 750 φορές την ώρα. Αυτό είναι πέντε φορές πιο γρήγορο από ό,τι συνήθως βλέπουμε σε καθαρά δωμάτια φαρμακευτικών επιχειρήσεων, κάτι που βοηθά στην εξάλειψη των ενοχλητικών ρύπων αμίνης που προέρχονται από τον εξοπλισμό EUV. Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες εμπειρογνωμόνων στην παραγωγή ημιαγωγών, αυτή η προηγμένη μέθοδος φιλτραρίσματος μειώνει τα ελαττώματα που σχετίζονται με σωματίδια κατά περίπου 83% σε σύγκριση με παλαιότερα συστήματα που χρησιμοποιούνται ακόμη στον κλάδο.
Οι προηγμένες εγκαταστάσεις παραγωγής (fabs) χρησιμοποιούν πάνω από 2.000 ασύρματους αισθητήρες για τη συνεχή παρακολούθηση κρίσιμων παραμέτρων:
| Παράμετρος | Πέρασμα | Συχνότητα μέτρησης |
|---|---|---|
| Σωματίδια ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Κάθε 6 δευτερόλεπτα |
| Δόνηση | <2 μm/s² | Συνεχή |
| Διαφορική πίεση | +15 Pa ελάχιστο | Κάθε 30 δευτερόλεπτα |
Αυτή η πραγματικής ώρας τηλεμετρία επιτρέπει ρυθμίσεις του συστήματος κλιματισμού εντός 0,8 δευτερολέπτων από την απόκλιση, υποστηρίζοντας ποσοστά απόδοσης άνω του 98,5% στην παραγωγή κόμβου 5nm. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα ανταποκρίνονται γρηγορότερα από τη χειροκίνητη παρέμβαση, διατηρώντας τη σταθερότητα σε λειτουργίες υψηλού όγκου.
Οι καθαρές αίθουσες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ημιαγωγών ακολουθούν αυστηρά τα πρότυπα ISO 14644-1, από Κλάση 4 έως 8, γεγονός που σημαίνει ότι ελέγχουν τα αιωρούμενα σωματίδια στον αέρα μεταξύ περίπου 352 και 35.200 σωματιδίων μεγέθους 0,5 μικρομέτρων ή μεγαλύτερων ανά κυβικό μέτρο. Αυτές οι απαιτήσεις εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο ευαίσθητη είναι η διαδικασία παραγωγής. Σε σύγκριση με τα φαρμακευτικά εργοστάσια που λειτουργούν σε κλάσεις ISO 5 έως 8, αυτές οι προδιαγραφές είναι περίπου 100 φορές πιο απαιτητικές. Ακόμα κι αν δεν χρησιμοποιείται πλέον επίσημα, το παλιό πρότυπο FS 209E εξακολουθεί να επηρεάζει τον σχεδιασμό του εξοπλισμού, ειδικά σχετικά με τη διάσημη βαθμολογία Κλάσης 100, η οποία επέτρεπε όχι περισσότερα από 100 τέτοια σωματίδια ανά κυβικό πόδι αέρα, αντιστοιχώντας στις προδιαγραφές ISO Κλάσης 5. Οι κορυφαίοι κατασκευαστές διατηρούν τις περιοχές υψηλότερης ποιότητας (ISO Κλάση 4 έως 5) ειδικά για κρίσιμες διεργασίες, όπως η λιθογραφία και η εναπόθεση. Ένα μόνο μικροσκοπικό σωματίδιο μεγέθους 0,3 μικρομέτρων μπορεί να καταστρέψει έναν πυριτικό δίσκο αξίας σχεδόν 740.000 δολαρίων ΗΠΑ, σύμφωνα με πρόσφατες εκθέσεις της βιομηχανίας από την SEMI το 2023.
Το πρότυπο SEMI F51 επεκτείνεται πέρα από τα όσα καλύπτει συνήθως το ISO όσον αφορά τον έλεγχο της αερομεταφερόμενης μοριακής μόλυνσης (AMC). Περιορίζει πραγματικά τις πτητικές οργανικές ενώσεις σε λιγότερο από ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο, κάτι αρκετά αυστηρό. Από άλλη πλευρά, το SEMI E89 επιβάλλει τη συνεχή παρακολούθηση σωματιδίων σε πραγματικό χρόνο. Εάν υπάρξει απόκλιση από τα κανονικά επίπεδα κατά περισσότερο από 5%, τα συστήματα συναγερμού ενεργοποιούνται αυτόματα. Αυτό που καθιστά αυτά τα πρότυπα ιδιαίτερα σημαντικά για τους ημιαγωγούς είναι ο τρόπος με τον οποίο αντιμετωπίζουν συγκεκριμένα ζητήματα, όπως η διάσπαση φωτοαντιστάσεων και τα προβλήματα διάβρωσης μετάλλων, τα οποία απλώς δεν εμφανίζονται στους κανονισμούς βιοτεχνολογίας ή φαρμακευτικών. Οι κατασκευαστές ημιαγωγών πρέπει να δίνουν ιδιαίτερη προσοχή σε αυτές τις απαιτήσεις, καθώς η μη συμμόρφωση μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρά προβλήματα παραγωγής στο μέλλον.
Οι καθαρές αίθουσες ημιαγωγών που ταξινομούνται ως ISO Class 4 συνήθως χρειάζονται μεταξύ 400 και 600 αλλαγών αέρα κάθε ώρα. Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 12 φορές περισσότερο από ό,τι βλέπουμε σε τυπικά φαρμακευτικά περιβάλλοντα. Για να διατηρηθούν αυτοί οι χώροι κατάλληλοι για την εξαιρετικά προηγμένη παραγωγή sub-5nm, οι εγκαταστάσεις βασίζονται σε φίλτρα ULPA που απορροφούν το 99,9995% των σωματιδίων μέχρι 0,12 μικρά. Όταν εργαζόμαστε με λεπτά οξείδια πύλης που μετρούν περίπου 10 άτομα πάχος, ακόμη και οι μικρότεροι μολυσματικοί παράγοντες έχουν μεγάλη σημασία. Σκεφτείτε το εξής: μία μόνο τρίχα ανθρώπινου τριχώματος μπορεί να απελευθερώσει πάνω από 600 χιλιάδες μικροσκοπικά σωματίδια σε μία περιοχή ISO Class 5. Αυτό δείχνει γιατί η διατήρηση τόσο αυστηρών προτύπων ελέγχου είναι απολύτως κρίσιμη στην κατασκευή ημιαγωγών.
Πρόσφατες έρευνες της βιομηχανίας δείχνουν ότι το 93% των προηγμένων εγκαταστάσεων λειτουργεί σήμερα σε ISO Class 5 ή καθαρότερο περιβάλλον, κάτι που οφείλεται στις απαιτήσεις της λιθογραφίας EUV και της στοίβαξης 3D NAND. Αυτό αντιπροσωπεύει αύξηση 40% στην υιοθέτηση υπερ-καθαρών χώρων από το 2018 (FabTech 2023).
Οι καλύτερες εγκαταστάσεις παραγωγής διατηρούν επίπεδα υγρασίας εντός μισού τοις εκατό RH και μπορούν να ελέγχουν τη θερμοκρασία μέχρι και σε 0,02 βαθμούς Κελσίου χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα συστήματα ελέγχου περιβάλλοντος. Μια μεγάλη foundry στην Ασία έχει εφαρμόσει κουρτίνες ιονισμένου αέρα που διατηρούν το στατικό ηλεκτρισμό κάτω από 50 βολτ, γεγονός που βοηθά στην αποφυγή μικροσκοπικών ελαττωμάτων κατά την εργασία σε τσιπ 3nm. Όταν συνδυάζεται με πολλαπλά στάδια χημικής εκκαθάρισης, αυτές οι μέθοδοι εξασφαλίζουν ότι οποιεσδήποτε πτητικές ενώσεις που εκλύονται από φωτοαντιστάσεις παραμένουν πολύ κάτω από ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τη διατήρηση υψηλών ποσοστών απόδοσης σε διεργασίες λιθογραφίας με ακραίο υπεριώδες φως.
Τα συστήματα φιλτραρίσματος που πληρούν τα πρότυπα ISO 14644 μπορούν να αντιμετωπίσουν περίπου 600 αλλαγές αέρα ανά ώρα όταν είναι εξοπλισμένα με φίλτρα ULPA. Αυτά τα φίλτρα εγκλωβίζουν εντυπωσιακό ποσοστό 99,999% σωματιδίων μεγαλύτερων των 0,12 μικρομέτρων, που είναι στην πραγματικότητα περίπου 50 φορές πιο αυστηρό από το απαιτούμενο σε φαρμακευτικά περιβάλλοντα. Εξετάστε μια ερευνητική εγκατάσταση που λειτουργεί ένας μεγάλος βιομηχανικός παραγωγός της Βόρειας Αμερικής. Έχουν εφαρμόσει συνδυασμό οροφής με πλέγματα HEPA και διάτρητων δαπέδων που δημιουργούν παράλληλα πρότυπα ροής αέρα. Αυτή η διάταξη διατηρεί τον αριθμό των σωματιδίων κάτω από τα 10 ανά κυβικό πόδι κατά την παραγωγή εξαρτημάτων 5 νανομέτρων. Για ακόμη μεγαλύτερη καθαρότητα, χρησιμοποιούνται κρεβάτια μοριακής απορρόφησης για την απομάκρυνση ίχνους αερίων οξέων και υλικών νόθευσης σε συγκεντρώσεις parts per billion.
Τα δίκτυα αισθητήρων που είναι ενσωματωμένα σε αυτά τα συστήματα παρακολουθούν πάνω από 15 διαφορετικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των μικροσκοπικών σωματιδίων 0,1 μικρομέτρων και διαφόρων συχνοτήτων ταλάντωσης, με ενημερώσεις που γίνονται κάθε μισό δευτερόλεπτο. Αν οι τιμές ξεπεράσουν τα πρότυπα ISO Class 5, τα αυτόματα συστήματα ελέγχου ενεργοποιούνται για να ρυθμίσουν με ακρίβεια την ταχύτητα ροής αέρα περίπου στα 0,1 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, κάτι που υπερτερεί κατά πολύ από οποιαδήποτε χειροκίνητη παρέμβαση. Όλος ο βρόχος ανατροφοδότησης λειτουργεί τόσο καλά, ώστε η μόλυνση προκαλεί απώλεια παραγωγής μόλις 0,01 τοις εκατό, παρά το γεγονός ότι χειρίζονται περίπου 150 χιλιάδες πλακίδια κάθε μήνα μέσω αυτής της διάταξης.
Όταν εργαζόμαστε με ημιαγωγικούς κόμβους κάτω από 3nm, τα φίλτρα ULPA πρέπει να αποτρέπουν τουλάχιστον 99,9995% των σωματιδίων που είναι 0,12 μικρά ή μεγαλύτερα. Πολλά από τα κορυφαία εργοστάσια παραγωγής έχουν αρχίσει να εφαρμόζουν συστήματα έξυπνης διαχείρισης ροής αέρα αυτές τις μέρες. Αυτά τα συστήματα προσαρμόζονται σε πραγματικό χρόνο βάσει του τρόπου με τον οποίο είναι διατεταγμένος ο εξοπλισμός σε όλο τον καθαρό χώρο. Αυτή η προσέγγιση μειώνει τις νεκρές ζώνες αέρα κατά περίπου 40% σε σύγκριση με τα παλαιότερα σταθερά συστήματα λεπτορρεύματος. Τα οφέλη γίνονται πραγματικά αισθητά κατά τις διεργασίες λιθογραφίας EUV. Ακόμη και μικρά σωματίδια μεγέθους μόλις μερικών νανομέτρων μπορούν να διαταράξουν τα ευαίσθητα πρότυπα κυκλωμάτων που δημιουργούνται, οπότε η ύπαρξη αυτών των προσαρμοστικών συστημάτων φιλτραρίσματος κάνει τη διαφορά για τη διατήρηση της ποιότητας του προϊόντος.
Οι σημερινοί καθαροί χώροι είναι εξοπλισμένοι με έξυπνα συστήματα πίεσης που διατηρούν τις διάφορες περιοχές χωριστά, εξοικονομώντας παράλληλα ενέργεια. Μια πρόσφατη έκθεση του Semiconductor Engineering το 2023 αποκάλυψε κάτι ενδιαφέρον σχετικά με τις σύγχρονες βελτιώσεις των συστημάτων κλιματισμού (HVAC). Κατάφεραν να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας κατά περίπου 28 τοις εκατό, χωρίς να επηρεαστούν τα απαιτούμενα πρότυπα ISO Class 5. Πώς το έκαναν; Τοποθετώντας ανεμιστήρες μεταβλητής ταχύτητας και προσθέτοντας μηχανισμούς ανάκτησης θερμότητας σε όλη την εγκατάσταση. Για βιομηχανίες που ασχολούνται με ευαίσθητες ως προς τη θερμοκρασία διεργασίες, όπως η εναπόθεση ατομικού στρώματος (ALD), αυτού του είδους οι κερδώσεις σε απόδοση κάνουν τη διαφορά στη διατήρηση της ποιότητας του προϊόντος κατά τη διαδικασία παραγωγής.
Οι καθαρές αίθουσες παραδοσιακά καταναλώνουν περίπου 30 έως 50 τοις εκατό όλης της ενέργειας που χρησιμοποιείται σε εργοστάσια παραγωγής, γεγονός που βάζει τους κατασκευαστές σε δύσκολη θέση όσον αφορά την εξισορρόπηση υπερκαθαρών περιβαλλόντων με πρωτοβουλίες προστασίας του περιβάλλοντος. Σήμερα, οι έξυπνες εταιρείες αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα με διάφορους τρόπους. Κάποιες εγκαθιστούν υλικά αλλαγής φάσης που βοηθούν στη διατήρηση σταθερών θερμοκρασιών χωρίς να λειτουργούν συνεχώς τα συστήματα κλιματισμού. Άλλες έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν ηλεκτροστατικούς συλλέκτες που τροφοδοτούνται από ανανεώσιμες πηγές για δευτερεύουσες ανάγκες φιλτραρίσματος αέρα. Και πολλές σήμερα βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη για εργασίες προληπτικής συντήρησης, μειώνοντας τη σπατάλη φίλτρων κατά περίπου είκοσι δύο τοις εκατό, σύμφωνα με βιομηχανικές αναφορές. Η εφαρμογή αυτών των προσεγγίσεων οδηγεί σε περίπου πέντε τοις εκατό λιγότερες εκπομπές άνθρακα κάθε χρόνο, διατηρώντας παράλληλα τα επίπεδα σωματιδίων υπό έλεγχο, σε λιγότερο από το μισό σωματίδιο ανά κυβικό πόδι, σε εκείνες τις ιδιαίτερα ευαίσθητες ζώνες όπου η μόλυνση απλώς δεν επιτρέπεται.
Τα μοντύλα καθαρών δωματίων πλέον είναι εξοπλισμένα με ενσωματωμένους αισθητήρες IoT, οι οποίοι επιτρέπουν τη γρήγορη ρύθμιση των περιοχών ελέγχου μόλυνσης όποτε χρειαστεί — κάτι που γίνεται απαραίτητο όταν τα εργαλεία αναβαθμίζονται κάθε τρίμηνο. Οι εγκαταστάσεις παραγωγής ημιαγωγών αρχίζουν να εφαρμόζουν αυτό που ονομάζεται «ψηφιακά δίδυμα καθαρών δωματίων» για να δοκιμάσουν πώς θα ενταχθεί νέος εξοπλισμός στους υπάρχοντες χώρους. Αυτή η προσέγγιση μειώνει δραματικά τις περιόδους επαλήθευσης· πολλές εγκαταστάσεις αναφέρουν ότι ο χρόνος μειώνεται από περίπου 12 εβδομάδες σε περίπου 18 ημέρες. Τέτοιες ευέλικτες υποδομές βοηθούν τους κατασκευαστές να προλαμβάνουν τις εξελισσόμενες ρυθμίσεις, όπως το επερχόμενο πρότυπο ISO 14644-1 για το 2025, το οποίο απαιτεί αυστηρή παρακολούθηση νανοσωματιδίων σε ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Η προετοιμασία για αυτές τις αλλαγές δεν αφορά μόνο την τεκμηρίωση, αλλά επηρεάζει πραγματικά τις καθημερινές λειτουργίες σε όλο τον κλάδο.
