EN
Kosteuden tiukka säätö noin ±1 %:n suhteellisessa kosteudessa on kriittistä puolijohdevalmistamoiden osalta, sillä jo pienetkin vaihtelut voivat aiheuttaa piin vääntymistä tai ongelmia herkällä litografia-prosessilla. Otetaan esimerkiksi TSMC:n Fab 18 -tehdas, jossa valmistetaan näitä huippuunsa kehittyneitä 3 nm:n piirejä. Niiden kondensaationhallintajärjestelmät toimivat kovasti, poistaen vaikuttavat 4 200 litraa kosteutta joka tunti pelkästään ylläpitääkseen vakautta 45 %:n suhteellisessa kosteudessa. Koska staattiset varaukset voivat vahingoittaa laitteita, tehtaassa käytetään ionisoituja ilmaverhoja kaikkialla. Näillä järjestelmillä staattinen lataus saadaan alle 10 voltin tasolle, mikä on ratkaisevan tärkeää, kun käsitellään näitä erittäin herkkiä 300 mm:n levyjä. Älkäämme unohtako myöskään monivaiheisia kemiallisia puhdistimia, jotka hoitavat valomuovin haihtumisen. Päästöt saadaan vähennetyksi alle yhteen osaan miljardissa, ja näin estetään kalliita tuottavuustappioita äärimmäisen ultraviolettivalon (EUV) litografiatoimenpiteissä.
Intelin uusi D1X-laitos sisältää noin 1 200 ULPA-suodatinta, jotka poimivat hiukkasia, joiden koko on vain 0,12 mikrometriä, tehokkuudella 99,9995 % kaikissa ISO 3 -puhtausluokan tiloissa. Laitoksessa on erityinen kerroskerroksinen ilmavirtajärjestely, jossa ilmanvaihto tapahtuu 500–750 kertaa tunnissa. Tämä on itse asiassa viisi kertaa nopeampaa kuin tyypillisissä lääketeollisuuden puhdistiloissa, ja se auttaa poistamaan hankalat amiini-contaminantit EUV-laitteista. Viimeaikaisten tutkimusten mukaan puolijohdeteollisuuden asiantuntijoiden mukaan tämä edistynyt suodatusmenetelmä vähentää hiukkasiin liittyviä vikoja noin 83 % verrattuna vanhempiin järjestelmiin, joita yhä käytetään teollisuudessa.
Edistyneet valmistamot käyttävät yli 2 000 langatonta anturia jatkuvasti kriittisten parametrien seurantaan:
| Parametri | Arviointi | Mittausfrequenssi |
|---|---|---|
| Hiukkaset ≥0,1 μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Joka 6. sekunti |
| Vibraatio | <2 μm/s² | Jatkuva |
| Painero | +15 Pa vähintään | Joka 30. sekunti |
Tämä reaaliaikainen etämittaus mahdollistaa ilmastointijärjestelmien säädöt alle 0,8 sekunnissa poikkeamien havaitsemisen jälkeen, mikä tukee yli 98,5 %:n tuottoprosenttia 5 nm:n solmun valmistuksessa. Automaattiset järjestelmät reagoivat nopeammin kuin manuaalinen puuttuminen, ja ne ylläpitävät vakautta suurten tuotantomäärien aikana.
Puolijohdeteollisuuden käyttämät puhdistetut tilat noudattavat tiukkoja ISO 14644-1 -standardeja, jotka vaihtelevat luokasta 4–8, mikä tarkoittaa, että ne rajoittavat ilmassa olevia hiukkasia noin 352:een – 35 200:een kappaletta kuutiometrissä, kun hiukkasen koko on 0,5 mikrometriä tai suurempi. Nämä vaatimukset riippuvat paljolti tuotantoprosessin herkkyydestä. Vertailussa lääketeollisuuden ISO-luokkien 5–8 tiloihin nämä vaatimukset ovat noin sata kertaa ankarammat. Vaikka sitä ei enää virallisesti käytetä, vanha FS 209E -standardi vaikuttaa yhä laitteiden suunnittelua, erityisesti sen kuuluisan Class 100 -luokituksen osalta, jossa sallittiin enintään 100 tällaista hiukkasta ilmakuutiota kohti, vastaten ISO:n luokan 5 määräyksiä. Parhaat valmistajat varaa korkealaatuisimmat ISO-luokan 4–5 alueet erityisesti kriittisiin prosesseihin, kuten litografiaan ja pinnoitustyöhön. Ainoastaan yksi pieni 0,3 mikrometrin kokoinen hiukkanen voi vahingoittaa piihöylää, jonka arvo on lähes 740 000 dollaria teollisuusraporttien (SEMI) mukaan vuodelta 2023.
SEMI F51 -standardi menee pidemmälle kuin ISO tyypillisesti lentoon pääsevän molekulaarisen saastumisen (AMC) osalta. Se rajoittaa haihtuvia orgaanisia yhdisteitä alle yhden osan miljardissa, mikä on melko tiukka vaatimus. Toisella rintamalla SEMI E89 edellyttää hiukkasten jatkuvaa reaaliaikaisvalvontaa. Jos poikkeama normaalista tasosta on yli 5 %, hälytysjärjestelmät käynnistyvät automaattisesti. Näiden standardien erityinen merkitys puolijohteille juontuu siitä, miten ne ratkaisevat tiettyjä ongelmia, kuten valomaskin hajoamista ja metallien korroosiota, joita ei esiinny bioteknologian tai lääketeollisuuden säädöksissä. Puolijohdeteollisuuden on kiinnitettävä erityistä huomiota näihin vaatimuksiin, sillä niiden noudattamisen epäonnistuminen voi aiheuttaa vakavia tuotanto-ongelmia myöhemmin.
Puolijohdepuhalluskammioissa, jotka on luokiteltu ISO-luokan 4 mukaan, tarvitaan tyypillisesti 400–600 ilmanvaihtoa tunnissa. Tämä on noin 12 kertaa enemmän kuin standardipuhallusympäristöissä lääketeollisuudessa. Näiden tilojen ylläpitoon sopivina edistyneiden alle 5 nm:n valmistusteknologioiden vaatimusten mukaisesti käytetään ULPA-suodattimia, jotka poistavat 99,9995 % hiukkasista aina 0,12 mikrometrin kokoon saakka. Kun kyseessä ovat vain noin 10 atomikerroksen paksuiset porttieroisteet, jopa pienet epäpuhtaudet ovat erittäin merkityksellisiä. Ajatelkaa vaikka tätä: yksi ihmisen hiussiima voi vapauttaa yli 600 000 mikroskooppista hiukkasta ISO-luokan 5 -alueelle. Tämä osoittaa, miksi näin tiukkojen ohjausstandardien ylläpitäminen on ehdottoman tärkeää puolijohdevalmistuksessa.
Viimeisimmät teollisuustutkimukset osoittavat, että 93 % nykyaikaisista valmistamotiloista toimii nyt ISO-luokassa 5 tai siistimmässä luokassa, mikä johtuu EUV-litografian ja 3D NAND-kerrosten vaatimuksista. Tämä tarkoittaa 40 %:n kasvua erittäin puhdisten tilojen käytössä vuodesta 2018 lähtien (FabTech 2023).
Parhaat valmistustilat pitävät kosteuspitoisuuden alle puolen prosenttiyksikön RH:n sisällä ja voivat säätää lämpötilaa jopa 0,02 celsiusasteeseen asti kehittyneiden ympäristönsäätöjärjestelmiensä avulla. Aasian suuri valmistaja on otanut käyttöön ionisoituja ilmaverhoja, jotka pitävät staattisen sähkövarauksen alle 50 voltissa, mikä auttaa välttämään pieniä virheitä 3 nm piirejä käsiteltäessä. Kun nämä menetelmät yhdistetään useisiin kemiallisen puhdistuksen vaiheisiin, varmistetaan, että valomuoveista vapautuvat haihtuvat yhdisteet pysyvät selvästi alle yhden osan miljardissa. Tämä on erittäin tärkeää hyvien tuottoprosenttien ylläpitämiseksi ääri-ultraviolettivalon litografiamenetelmissä.
Filtraatiojärjestelmät, jotka täyttävät ISO 14644 -standardit, voivat käsitellä noin 600 ilmanvaihtokertaa tunnissa, kun niissä on ULPA-suodattimet. Nämä suodattimet poimivat tehoa 99,999 % hiukkasista, jotka ovat suurempia kuin 0,12 mikrometriä, mikä on itse asiassa noin 50 kertaa tiukempaa kuin vaaditaan lääketeollisuudessa. Tarkastellaan tutkimuslaitosta, jota toiminta johtaa suuri pohjoisamerikkalainen valmistaja. He ovat toteuttaneet yhdistelmän HEPA-kattohilojen ja reikäisten lattioiden kanssa, jotka luovat laminaarivirtausmalleja. Tämä järjestely pitää hiukkasmäärän alle 10 hiukkasta kuutiosessa tuotettaessa 5 nanometrin komponentteja. Entistä korkeampaa puhdastasoa varten käytetään molekyyliadsorptiopatteja, jotka poistavat ilmassa olevia jälkiä hapon ja dopanttien pitoisuuksista osana miljardia tasolle.
Näihin järjestelmiin integroidut anturiverkot seuraavat yli 15 eri tekijää, mukaan lukien pienten 0,1 mikrometrin hiukkasten ja erilaisten värähtelytaajuuksien, ja päivittävät tietoja puolen sekunnin välein. Jos asiat ylittävät ISO-luokan 5 standardit, automaattiohjaukset käynnistyvät säätämään ilmavirran nopeutta erittäin tarkasti noin 0,1 metriä sekunnissa, mikä on huomattavasti parempi kuin mitä kukaan ihminen voisi tehdä manuaalisesti. Koko takaisinkytkentäsilmukka toimii niin hyvin, että saaste aiheuttaa tuotantotuloksissa vain noin 0,01 prosentin menetyksen, vaikka tämän järjestelmän kautta käsitellään noin 150 tuhatta piilevyä kuukaudessa.
Kun työskennellään puolijohdesolmujen kanssa, jotka ovat alle 3 nm, ULPA-suodattimien on saatava kiinni vähintään 99,9995 % hiukkasista, joiden koko on 0,12 mikrometriä tai suurempi. Monet parhaat valmistamokasvit ovat nykyisin alkaneet ottaa käyttöön älykkäitä ilmavirtauksen hallintajärjestelmiä. Nämä järjestelmät säätävät ilmavirtausta reaaliaikaisesti sen mukaan, miten laitteet on sijoitettu siistiluokkatilassa. Tämä lähestymistapa vähentää kuollutta ilmavyöhykettä noin 40 % verrattuna vanhempiin kiinteisiin laminaarivirtausjärjestelmiin. Hyödyt tulevat erityisen selviksi EUV-litografian prosesseissa. Jo muutaman nanometrin kokoiset hiukkaset voivat häiritä luotavia herkkiä piirikuvioita, joten näillä sopeutuvilla suodatusjärjestelmillä on ratkaiseva merkitys tuotelaadun ylläpitämisessä.
Nykyään puhdistamot on varustettu älykkäillä painejärjestelmillä, jotka pitävät eri alueet erillään toisistaan säästäen samalla sähkökustannuksissa. Semiconductor Engineeringin vuonna 2023 julkaistu raportti paljasti mielenkiintoisen asian modernista ilmanvaihtojärjestelmien päivityksistä. Niillä onnistuttiin vähentämään energiankulutusta noin 28 prosenttia vaarantamatta vaadittuja ISO-luokan 5 standardeja. Miten tämä saavutettiin? Muuttuvanopeusisten puhaltimien asennuksella ja lämmöntalteenottomekanismien lisäämisellä koko laitoksessa. Teollisuudenaloilla, jotka käsittelevät lämpötilalle herkkiä prosesseja, kuten atomikerroskasvatusta (ALD), tällaiset tehokkuusparannukset tekevät kaiken erotuksen tuotelaadun ylläpitämisessä valmistuksen aikana.
Puhtaat tilat kuluttavat perinteisesti noin 30–50 prosenttia kaikista valmistustehdasten käyttämistä energioista, mikä asettaa valmistajat vaikeaan asemaan yhdistettäessä erittäin puhtaita ympäristöjä vihreisiin aloitteisiin. Älykkäät yritykset ratkaisevat tätä ongelmaa nykyisin useilla tavoilla. Jotkut asentavat vaiheenmuutosmateriaaleja, jotka auttavat pitämään lämpötilat vakiona ilman, että ilmastointijärjestelmiä käytetään koko ajan. Toiset ovat ryhtyneet käyttämään uusiutuvista lähteistä saatavalla energialla toimivia sähköstaattisia suodattimia toissijaisessa ilmansuodatuksessa. Monet luottavat nyt tekoälyyn ennakoivassa kunnossapidossa, mikä vähentää hukkaan meneviä suodattimia noin kahdenviidenneksen verran alan raporttien mukaan. Näiden menetelmien yhdistäminen johtaa noin viiden prosentin pienempiin hiilipäästöihin vuosittain samalla kun hiukkasmäärät pysytään hallinnassa alle puolessa hiukkasessa kuutiopedissä niissä erityisen herkillä alueilla, joissa saastuminen ei ole sallittua.
Modulaariset puhdasilman huonepaneelit sisältävät nyt sisäänrakennettuja IoT-antureita, jotka mahdollistavat saastumisen hallintavyöhykkeiden nopean säätämisen aina tarvittaessa – ominaisuus, joka on erityisen tärkeää, kun työkalut päivitetään neljännesvuosittain. Puolijohdevalmistamot alkavat ottaa käyttöön niin kutsuttuja 'digitaalisia kaksosten' ratkaisuja testatakseen, miten uudet laitteet sopivat olemassa oleviin tiloihin. Tämä menetelmä lyhentää validointijaksoja merkittävästi: monet laitokset raportoivat ajan vähentyneen noin 12 viikosta noin 18 päivään. Näin joustavat infrastruktuuriratkaisut auttavat valmistajia pysymään etulyöntiasemassa muuttuvien säännösten, kuten vuonna 2025 voimaan tulevan ISO 14644-1 -standardin, edellä, mikä edellyttää tiukkaa nanohiukkasten seurantaa kontrolloiduissa ympäristöissä. Näihin muutoksiin varautuminen ei ole pelkkää paperityötä – se vaikuttaa teollisuuden päivittäisiin toimintoihin.
