EN
Manter a humidade estritamente controlada arredor de ±1 % HR é fundamental nas fábricas de semicondutores porque incluso pequenas fluctuacións poden provocar deformación do silicio ou causar problemas durante o delicado proceso de litografía. Tome por exemplo a instalación Fab 18 da TSMC, onde fabrican eses avanzados chips de 3 nm. Os seus sistemas de control de condensación traballan ao máximo, extraendo un impresionante volume de 4.200 litros de humidade cada hora simplemente para manter as condicións estables no 45 % de humidade relativa. Para facer fronte ás cargas estáticas que poderían danar os equipos, empréganse cortinas de aire ionizado en toda a instalación. Estes sistemas reducen os niveis de estática a menos de 10 voltios, o que supón unha gran diferenza cando se manipulan esas ultra-sensibles obleas de 300 mm. E non habería que esquecer os depuradores químicos de múltiples etapas que combaten a desgasificación dos fotorrexisivos. Ao reducir as emisións a menos dunha parte por billón, estes depuradores axudan a previr perdas onerosas na produción durante as operacións de litografía de ultravioleta extrema (EUV).
A nova instalación D1X de Intel conta con arredor de 1.200 filtros ULPA que capturan partículas tan pequenas como 0,12 micróns cunha eficiencia impresionante do 99,9995 % en todas as áreas de sala limpa ISO 3. Implementaron unha configuración especial de fluxo de aire en cascada que se renova entre 500 e 750 veces por hora. Isto é en realidade cinco veces máis rápido do que o habitual en salas limpas farmacéuticas, o que axuda a eliminar os molestos contaminantes de aminas que emanan dos equipos EUV. De acordo con estudos recentes de expertos en fabricación de semicondutores, esta aproximación avanzada de filtración reduce os defectos relacionados con partículas nun 83 % aproximadamente en comparación cos sistemas máis antigos aínda en uso actualmente na industria.
As fábricas avanzadas despregan máis de 2.000 sensores inalámbricos para rastrexar continuamente parámetros críticos:
| Parámetro | Umbral | Frecuencia de medición |
|---|---|---|
| Partículas ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Cada 6 segundos |
| Vibración | <2 μm/s² | Continuo |
| Diferencial de presión | +15 Pa como mínimo | Cada 30 segundos |
Esta telemetría en tempo real permite axustes no CAQ dentro de 0,8 segundos tras desviacións, apoiando taxas de rendemento por encima do 98,5 % na produción de nodos de 5 nm. Os sistemas automatizados respostan máis rápido que a intervención manual, mantendo a estabilidade en operacións de alto volume.
As salas limpas utilizadas na fabricación de semicondutores seguen normas estrictas ISO 14644-1 que van desde a Clase 4 ata a 8, o que significa que controlan as partículas en suspensión entre aproximadamente 352 e 35.200 partículas de 0,5 micróns ou máis por metro cúbico. Estes requisitos dependen en gran medida da sensibilidade do proceso de produción. En comparación co que vemos nas instalacións farmacéuticas que traballan con clases ISO de 5 a 8, estas especificacións son uns cen veces máis exigentes. Aínda que xa non está oficialmente en uso, a antiga norma FS 209E segue influíndo no deseño dos equipos, especialmente no seu coñecido rango Clase 100, que permitía non máis de 100 destas partículas por pé cúbico de espazo aéreo, o que corresponde ás especificacións ISO Clase 5. Os fabricantes de primeira liña reservan as súas áreas de maior calidade, ISO Clase 4 a 5, especificamente para procesos críticos como a litografía e os traballos de deposición. Unha única partícula minúscula de tan só 0,3 micróns podería estragar un wafer de silicio valorado en case 740.000 dólares segundo informes recentes da industria de SEMI en 2023.
A norma SEMI F51 vai máis alá do que normalmente abarca a ISO no que se refire ao control da contaminación molecular aerotransportada (AMC). De feito, restrinxe os compostos orgánicos volátiles por debaixo dunha parte por billón, o cal é bastante estrito. Noutro fronte, a SEMI E89 obriga á monitorización continua de partículas en tempo real. Se hai unha desviación dos niveis normais superior ao 5%, os sistemas de alarma actívanse automaticamente. O que fai que estas normas sexan particularmente importantes para os semicondutores é o xeito en que abordan problemas específicos como a degradación do fotorexisto e a corrosión de metais, cuestións que non aparecen nas regulacións de biotecnoloxía ou farmacéuticas. Os fabricantes de semicondutores deben prestar especial atención a estes requisitos, xa que incumprilos pode provocar graves contratempos na produción no futuro.
As salas limpas para semicondutores clasificadas como ISO Clase 4 normalmente requiren entre 400 e 600 renovacións de aire cada hora. Isto é case 12 veces máis do que vemos nos entornos farmacéuticos estándar. Para manter estes espazos axeitados para a fabricación de última xeración de sub-5 nm, as instalacións dependen de filtros ULPA que capturan o 99,9995% das partículas ata 0,12 micróns. Ao traballar con óxidos de porta que miden só uns 10 átomos de grosor, incluso os contaminantes máis pequenos importan moito. Pense neló: un único fío de cabelo humano pode liberar máis de 600.000 partículas microscópicas nunha zona ISO Clase 5. Isto ilustra por que manter normas de control tan estritas é absolutamente crítico na fabricación de semicondutores.
As últimas enquisas do sector indican que o 93% das fábricas de vangarda xa operan nunha clase ISO 5 ou superior, impulsadas polas demandas da litografía EUV e do apilamento 3D NAND. Isto representa un aumento do 40% na adopción de salas ultra limpas desde 2018 (FabTech 2023).
As mellores instalacións de fabricación manteñen os niveis de humidade dentro dunha metade de porcento de HR e poden controlar as temperaturas ata 0,02 graos Celsius grazas aos seus sofisticados sistemas de control ambiental. Un importante fabricante en Asia implementou cortinas de aire ionizado que mantén a electricidade estática por debaixo dos 50 voltios, o que axuda a evitar os pequenos defectos ao traballar con chips de 3 nm. Cando se combina con varias etapas de depuración química, estes métodos aseguran que os compostos volátiles liberados polos fotorrexeitivos permanezan ben por debaixo dunha parte por billón. Isto é moi importante para manter bons rendementos nos procesos de litografía de raios ultravioleta extremos.
Os sistemas de filtración que cumpren coas normas ISO 14644 poden realizar arredor de 600 renovacións de aire por hora cando están equipados con filtros ULPA. Estes filtros atrapan un impresionante 99,999 % das partículas maiores de 0,12 micrómetros, o que é en realidade uns 50 veces máis rigoroso do que se require nos entornos farmacéuticos. Considere unha instalación de investigación operada por un importante fabricante norteamericano. Implementaron unha combinación de reixas de teito HEPA xunto con chan perforado que crean patróns de fluxo laminar. Esta configuración mantén os niveis de partículas por debaixo de 10 por pé cúbico durante a produción de compoñentes de 5 nanómetros. Para unha maior pureza, empréganse leitos de adsorción molecular para eliminar trazas de ácidos e dopantes do aire ata concentracións de partes por billón.
As redes de sensores integradas nestes sistemas rexistran máis de 15 factores diferentes, incluídas partículas minúsculas de 0,1 micrómetros e varias frecuencias de vibración, con actualizacións cada medio segundo. Se as condicións superan os estándares ISO Clase 5, os controles automáticos entran en funcionamento para axustar con precisión a velocidade do fluxo de aire arredor de 0,1 metros por segundo, o que supera con diferencia calquera manipulación manual que poida facer unha persoa. Todo o bucle de realimentación funciona tan ben que a contaminación provoca apenas unha perda de produción dun 0,01 por cento, aínda que se procesan uns 150.000 obleas cada mes neste sistema.
Cando se traballa con nodos semicondutores por debaixo de 3 nm, os filtros ULPA deben capturar polo menos o 99,9995 % das partículas que miden 0,12 micrómetros ou máis. Moitas das principais fábricas comezaron a implementar sistemas intelixentes de xestión do fluxo de aire en días recentes. Estes sistemas axústanse sobre a marcha segundo a disposición dos equipos no interior da sala limpa. Este enfoque reduce as bolsas de aire morto nun 40 % aproximadamente en comparación cos antigos sistemas de fluxo laminar fixo. Os beneficios son especialmente evidentes durante os procesos de litografía EUV. Incluso partículas minúsculas de tan só algúns nanómetros poden estragar os delicados patróns de circuítos que se están creando, polo que contar con estes sistemas de filtrado adaptativos marca toda a diferenza na manutención da calidade do produto.
As salas limpas de hoxe veñen equipadas con sistemas intelixentes de presión que manteñen separadas as diferentes áreas aínda aforrando nos custos de enerxía. Un informe recente de Semiconductor Engineering de 2023 atopou algo interesante sobre as actualizacións modernas de climatización. Conseguiron reducir o consumo de enerxía en torno ao 28 por cento sen comprometer os estándares ISO Clase 5 requiridos. Como o fixeron? Instalando ventiladores de velocidade variable e engadindo mecanismos de recuperación de calor en toda a instalación. Para industrias que teñan operacións sensibles á temperatura, como a deposición en capas atómicas (ALD), este tipo de ganancias en eficiencia marcan toda a diferenza para manter a calidade do produto durante a fabricación.
As salas limpas tradicionalmente consomen entre o 30 e o 50 por cento de toda a enerxía empregada nas plantas de fabricación, o que coloca aos fabricantes nunha situación difícil ao intentar equilibrar ambientes ultra limpos con iniciativas verdes. Hoxe en día, as empresas intelixentes están abordando este problema de varias maneiras. Algúns instalan materiais de cambio de fase que axudan a manter temperaturas estables sen ter que facer funcionar os sistemas de climatización de xeito continuo. Outros comezaron a usar precipitadores electrostáticos alimentados por fontes renovábeis para as necesidades de filtración secundaria do aire. E moitos agora confían na intelixencia artificial para tarefas de mantemento preditivo, reducindo os filtros desperdiciados en arredor dun vinte e dous por cento segundo informes do sector. Xuntar estas aproximacións resulta nunhas emisións de carbono cinco por cento inferiores cada ano, todo iso mantendo os contas de partículas baixo control, con menos da metade dunha partícula por pé cúbico, nas zonas especialmente sensibles onde a contaminación non é admisible.
Os paneis modulares das salas brancas agora inclúen sensores IoT integrados que permiten axustar rapidamente as zonas de control de contaminación sempre que sexa necesario, algo esencial cando as ferramentas se actualizan cada trimestre. As plantas de fabricación de semicondutores están comezando a implementar o que se chama "gemelos dixitais de sala branca" para probar como se adaptarán os novos equipos aos espazos existentes. Este enfoque reduce enormemente os períodos de validación: moitas instalacións informan dunha diminución de aproximadamente 12 semanas a uns 18 días. Estas configuracións de infraestrutura flexibles axudan aos fabricantes a manterse á cabeza das normativas en evolución, como a futura norma ISO 14644-1 prevista para 2025, que require un control estrito de nanopartículas en ambientes controlados. Prepararse para estes cambios non é só cuestión de papeleo; afecta realmente ás operacións diárias en toda a industria.
