EN
Održavanje vlažnosti uzroda ±1% RH od presudne je važnosti u tvornicama poluvodiča, jer čak i manje fluktuacije mogu uzrokovati izobličenje silicija ili stvoriti probleme tijekom osjetljivog litografskog procesa. Uzmimo TSMC-ovu Fab 18 tvornicu gdje proizvode one najnovije 3nm čipove. Njihovi sustavi za kontrolu kondenzacije rade prekovremeno, odstranjujući impresivnih 4.200 litara vlage svakog sata kako bi održali stabilnu relativnu vlažnost od 45%. Kako bi se suočili sa statičkim električnim naponima koji bi mogli oštetiti opremu, po cijeloj tvornici koriste se zračni zavjesi s ioniziranim zrakom. Ti sustavi smanjuju statički napon na manje od 10 volti, što je ključno pri radu s izrazito osjetljivim 300mm pločicama. I ne smijemo zaboraviti višestupanjske kemijske pranje koje neutraliziraju isparavanje fotorezista. Smanjenjem emisija na manje od 1 dio na milijardu, ti sustavi pomažu u sprečavanju skupih gubitaka prinosa tijekom operacija ekstremnog ultraljubičastog (EUV) litografskog postupka.
Nova tvornica D1X kod Intela opremljena je s otprilike 1.200 ULPA filtera koji hvataju čestice veličine svega 0,12 mikrona s iznimnom učinkovitošću od 99,9995% na svim područjima ISO 3 čistih prostorija. Uveden je poseban kaskadni sustav protoka zraka koji se obnavlja između 500 i 750 puta na sat. To je zapravo pet puta brže nego što je uobičajeno u farmaceutskim čistim prostorijama, što pomaže u uklanjanju dosadnih aminskih kontaminanata koji nastaju iz EUV opreme. Prema nedavnim istraživanjima stručnjaka za proizvodnju poluvodiča, ovaj napredni pristup filtraciji smanjuje defekte vezane uz čestice otprilike 83% u usporedbi sa starijim sustavima koji se još uvijek koriste u industriji.
Napredne tvornice koriste više od 2.000 bežičnih senzora za neprekidno praćenje ključnih parametara:
| Parametar | Prag | Učestalost mjerenja |
|---|---|---|
| Čestice ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Svakih 6 sekundi |
| Vibracija | <2 μm/s² | Neprekidno |
| Tlak diferencijala | +15 Pa minimum | Svakih 30 sekundi |
Ova telemetrija u stvarnom vremenu omogućuje podešavanje HVAC-a unutar 0,8 sekundi nakon odstupanja, čime se osiguravaju stopa iskorištenosti iznad 98,5% u proizvodnji 5nm čvorova. Automatizirani sustavi reagiraju brže nego ručna intervencija, održavajući stabilnost tijekom operacija velike proizvodnje.
Čiste sobe koje se koriste za proizvodnju poluvodiča slijede stroge standarde ISO 14644-1 koji variraju od klase 4 do 8, što znači da kontrole lebdeće čestice u zraku između otprilike 352 i 35.200 čestica veličine 0,5 mikrona ili većih po kubnom metru. Ovi zahtjevi uvelike ovise o osjetljivosti procesa proizvodnje. U usporedbi s onim što vidimo u farmaceutskim pogonima koji rade u ISO klasama od 5 do 8, ove specifikacije su otprilike 100 puta zahtjevnije. Iako više nije službeno u upotrebi, stari standard FS 209E i dalje oblikuje način projektiranja opreme, posebno u vezi s njegovom poznatom ocjenom Klase 100 koja dopušta najviše 100 takvih čestica po kubnom stopalu zračnog prostora, što odgovara ISO Klasama 5. Proizvođači vrhunskog kvalitete rezerviraju svoje najkvalitetnije prostore ISO klase 4 do 5 posebno za kritične procese poput litografije i taloženja. Samo jedna sićušna čestica veličine 0,3 mikrona koja lebdi u zraku može uništiti silicijevu pločicu vrijednu gotovo 740.000 USD, prema nedavnim izvješćima industrijske grupe SEMI iz 2023. godine.
SEMI F51 standard ide dalje od onoga što ISO obično pokriva kada je riječ o kontroli zagađenja zraka molekularnim onečišćenjima (AMC). On zapravo ograničava isparljive organske spojeve na manje od jedne dijela na milijardu, što je prilično strogo. S druge strane, SEMI E89 zahtijeva kontinuirano praćenje čestica u stvarnom vremenu. Ako dođe do odstupanja od normalnih razina za više od 5%, alarmni sustavi se automatski aktiviraju. Ono što ove standarde posebno važnima za proizvodnju poluvodiča jest to što rješavaju specifične probleme poput razgradnje fotorezista i korozije metala, problemi koji se jednostavno ne pojavljuju u biotehnološkim ili farmaceutskim propisima. Proizvođači poluvodiča moraju obratiti posebnu pozornost na ove zahtjeve jer neispunjavanje istih može dovesti do ozbiljnih poteškoća u proizvodnji kasnije.
Poluvodičke čistionice koje su klasificirane kao ISO razred 4 obično zahtijevaju između 400 i 600 izmjena zraka svakog sata. To je otprilike 12 puta više nego u standardnim farmaceutskim okruženjima. Kako bi ova područja ostala pogodna za naprednu proizvodnju ispod 5 nm, objekti se oslanjaju na ULPA filtre koji zadržavaju 99,9995% čestica veličine do 0,12 mikrona. Kada se radi s oksidima vrata debljine od samo oko 10 atoma, čak i najmanji onečišćivači imaju veliki značaj. Zamislite: jedna nit ljudske kose može u prostoru ISO klase 5 otpustiti više od 600 tisuća mikroskopskih čestica. Ovo ilustrira zašto je održavanje tako strogih standarda kontrole apsolutno kritično u proizvodnji poluvodiča.
Nedavne industrijske ankete pokazuju da 93% naprednih tvornica sada radi na ISO klasi 5 ili čistijim uvjetima, što je posljedica zahtjeva EUV litografije i 3D NAND slaganja. To predstavlja povećanje od 40% u usvajanju ultračistih prostorija od 2018. godine (FabTech 2023).
Najbolje radionice održavaju razine vlažnosti unutar pola posto relativne vlažnosti i mogu kontrolirati temperature do 0,02 stupnja Celzijevih koristeći svoje sofisticirane sustave za kontrolu okoline. Jedna veća pogonska tvornica u Aziji implementirala je zavjese od ioniziranog zraka koje drže statički elektricitet ispod 50 volti, što pomaže u izbjegavanju sitnih nedostataka pri radu na 3nm čipovima. Kada se kombiniraju s više stupnjeva kemijskog pranja, ove metode osiguravaju da bilo koji letljivi spojevi oslobođeni iz fotorezista ostanu daleko ispod jednog dijela na milijardu. To je iznimno važno za održavanje dobrih prinosa u procesima ekstremne ultraljubičaste litografije.
Sustavi filtracije koji zadovoljavaju ISO 14644 standarde mogu izvoditi oko 600 izmjena zraka po satu kada su opremljeni ULPA filterima. Ovi filteri zadržavaju impresivnih 99,999% čestica većih od 0,12 mikrona, što je zapravo otprilike 50 puta stroži zahtjev nego onaj potreban u farmaceutskim uvjetima. Pogledajte istraživački objekt kojeg vodi veliki sjevernoamerički proizvođač. Oni su primijenili kombinaciju HEPA rešetki na stropu uz perforirane podove kako bi stvorili laminarne uzorke strujanja zraka. Ova postava održava broj čestica ispod 10 po kubičnom stopalu tijekom proizvodnje komponenti od 5 nanometara. Za još veću čistoću koriste se molekularni adsorpcijski slojevi za uklanjanje tragova zrakom nosivih kiselina i dopanata sve do koncentracija dijelova po milijardi.
Mreže senzora integrirane u ove sustave prate više od 15 različitih čimbenika, uključujući one sitne čestice veličine 0,1 mikrometra i različite frekvencije vibracija, s ažuriranjima koja se događaju svakih pola sekunde. Ako vrijednosti prijeđu ISO razred 5 standarde, automatska upravljanja se aktiviraju kako bi točno prilagodila brzinu protoka zraka oko 0,1 metra u sekundi, što je znatno bolje od bilo čega što bi osoba mogla ručno postići. Cijeli povratni krug funkcionira tako dobro da onečišćenje uzrokuje gubitak proizvodnje od svega 0,01 posto, unatoč tome što se kroz ovaj sustav obrađuje otprilike 150 tisuća pločica svaki mjesec.
Kada se radi s poluvodičkim čvorovima ispod 3 nm, ULPA filteri moraju zadržati najmanje 99,9995% čestica veličine 0,12 mikrona ili većih. Mnogi od vodećih proizvodnih pogona danas počinju implementirati pametne sustave upravljanja protokom zraka. Ovi sustavi prilagođavaju se u letu ovisno o rasporedu opreme unutar čiste sobe. Takav pristup smanjuje mrtve točke zraka za oko 40% u usporedbi s ranijim fiksnim laminarnim postavkama. Prednosti postaju osobito vidljive tijekom EUV litografskih procesa. Čak i sićušne čestice veličine samo nekoliko nanometara mogu poremetiti nježne uzorke sklopova koji se izrađuju, pa ovi adaptivni sustavi filtracije imaju ključnu ulogu u održavanju kvalitete proizvoda.
Današnje čiste sobe opremljene su inteligentnim sustavima tlaka koji odvajaju različite područja, a istovremeno štede na troškovima energije. Nedavno izvješće portala Semiconductor Engineering iz 2023. godine otkrilo je nešto zanimljivo u vezi s modernizacijama HVAC sustava. Uspjeli su smanjiti potrošnju energije za oko 28 posto, bez narušavanja potrebnih ISO klasa 5. Kako su to postigli? Instaliranjem ventilatora s varijabilnom brzinom i dodavanjem mehanizama povrata topline diljem objekta. Za industrije koje se bave operacijama osjetljivima na temperaturu, poput atomske depozicije slojeva (ALD), ovakve uštede u učinkovitosti imaju ključnu ulogu u održavanju kvalitete proizvoda tijekom proizvodnje.
Čiste sobe tradicionalno troše oko 30 do 50 posto ukupne energije u proizvodnim pogonima, što stavlja proizvođače u tešku situaciju jer moraju uskladiti ultračiste okoline s ekološkim inicijativama. Pametne kompanije danas suočavaju ovaj problem na nekoliko načina. Neki instaliraju materijale za promjenu faze koji pomažu u održavanju stabilnih temperatura bez neprestanog rada sustava grijanja i klimatizacije. Drugi su počeli koristiti elektrostatske taložnike napajane obnovljivim izvorima energije za sekundarnu filtraciju zraka. A mnogi se sada oslanjaju na umjetnu inteligenciju za prediktivne održavateljske zadatke, smanjujući otpad filtera za otprilike dvadeset dva posto, prema izvješćima iz industrije. Kombinacija ovih pristupa rezultira otprilike pet posto manjim emisijama ugljičnog dioksida svake godine, sve dok broj čestica ostaje pod kontrolom, ispod pola čestice po kubičnom stopalu u onim vrlo osjetljivim zonama gdje onečišćenje nije dopušteno.
Modularne ploče za čiste sobe sada dolaze s ugrađenim IoT senzorima koji omogućuju brzu prilagodbu područja kontrole onečišćenja kad god je to potrebno, što postaje ključno kada se alati ažuriraju svakog kvartala. Postrojenja za proizvodnju poluvodiča počinju implementirati ono što se naziva "digitalni blizanci čistih soba" kako bi testirali kako će nova oprema stati u postojeće prostore. Ovaj pristup drastično skraćuje razdoblja validacije – mnoga postrojenja prijavljuju smanjenje s otprilike 12 tjedana na približno 18 dana. Takve fleksibilne infrastrukturne postavke pomažu proizvođačima da ostanu ispred promjena u propisima, poput nadolazećeg standarda ISO 14644-1 koji stupa na snagu 2025. godine, a koji zahtijeva strogo praćenje nanočestica u kontroliranim okruženjima. Priprema za ove promjene nije samo pitanje papira – zapravo utječe na svakodnevne operacije u cijeloj industriji.
