EN
A páratartalom szigorúan ±1% RH körüli tartása kritikus fontosságú a félvezetőgyártó üzemekben, mivel még a legkisebb ingadozás is okozhat szilícium-deformálódást vagy problémákat a finom litográfiai folyamat során. Vegyük például a TSMC Fab 18 létesítményét, ahol az új generációs 3 nm-es chipeket gyártják. Páralecsapási rendszereik folyamatosan működnek, óránként lenyűgöző 4200 liter nedvességet távolítva el pusztán azért, hogy a relatív páratartalmat stabilan 45%-on tartsák. A berendezéseket sérthető elektrosztatikus töltések kezelésére az egész létesítményben ionizált légszellőket alkalmaznak. Ezek a rendszerek az elektrosztatikus feszültséget 10 volt alá csökkentik, ami döntő jelentőségű az extrém érzékeny 300 mm-es lemezek kezelésekor. Ne feledkezzünk meg továbbá a többlépcsős kémiai mosókról sem, amelyek a fényérzékeny anyagok gázkibocsátását kezelik. Ezek a mosók a kibocsátást kevesebb mint 1 résznyi milliárdra csökkentve segítenek megelőzni a költséges selejtességet az extrém ultraviola (EUV) litográfiai műveletek során.
Az Intel új D1X létesítménye körülbelül 1200 ULPA-szűrőt tartalmaz, amelyek 0,12 mikronos részecskéket is képesek elkaptatni, 99,9995%-os hatékonysággal az összes ISO 3 tisztaterem területén. Különleges, egymás után következő légáramlás-rendszert alkalmaztak, amely óránként 500–750 ciklusban működik. Ez valójában ötször gyorsabb, mint amit általában a gyógyszeripari tisztatermekben látni, és segít megszabadulni a bosszantó amin-szennyeződésektől, amelyek az EUV-készülékekből származnak. A félvezetőgyártási szakértők legújabb tanulmányai szerint ez a fejlett szűrési megközelítés körülbelül 83%-kal csökkenti a részecskékkel kapcsolatos hibákat az iparban jelenleg még használatban lévő régebbi rendszerekhez képest.
A fejlett gyárak több mint 2000 vezeték nélküli érzékelőt telepítenek a kritikus paraméterek folyamatos nyomon követésére:
| Paraméter | Küszöb | Mérés frekvencia |
|---|---|---|
| Részecskék ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Minden 6 másodpercben |
| Vibráció | <2 μm/s² | Folyamatos |
| Nyomáskülönbség | +15 Pa minimum | Minden 30 másodpercben |
Ez a valós idejű távérzékelés lehetővé teszi az HVAC-rendszerek 0,8 másodpercen belüli beavatkozását a szabálytalan ingadozások esetén, támogatva ezzel az 5 nm-es gyártási eljárásnál 98,5% feletti kitermelési ráta elérését. Az automatizált rendszerek gyorsabban reagálnak, mint az emberi beavatkozás, így biztosítva a stabilitást nagy létszámú műveletek során.
A félvezetőgyártásban használt tisztaszobák szigorú ISO 14644-1 szabványokat követnek, amelyek a 4-es és 8-as osztály közötti értékeket foglalják magukban, ezzel szabályozva a levegőben lévő részecskék mennyiségét, ami körülbelül 352 és 35 200 darab 0,5 mikronnál nagyobb részecske köbméterenként. Ezek az előírások nagymértékben függenek a gyártási folyamat érzékenységétől. Összehasonlítva a gyógyszeripari létesítményekben alkalmazott ISO 5–8. osztályú követelményekkel, ezek a specifikációk körülbelül 100-szor szigorúbbak. Annak ellenére, hogy már hivatalosan nem használatos, a régi FS 209E szabvány továbbra is befolyásolja a berendezések tervezését, különösen a híres Class 100 minősítést, amely legfeljebb 100 ilyen részecskét engedett meg köbláb levegőnként, ami megegyezik az ISO 5. osztályú előírásokkal. A legkiválóbb gyártók a legmagasabb minőségű, ISO 4–5. osztályúnak megfelelő területeket tartják fenn a kritikus folyamatokhoz, mint például a litográfia és a lemezleválasztás. Már egyetlen, mindössze 0,3 mikrométeres szennyeződés is tönkretehet egy olyan szilíciumlapkát, amelynek értéke a SEMI 2023-as iparági jelentései szerint majdnem 740 000 dollár.
Az SEMI F51 szabvány túlmutat azon, amit az ISO általában az atmoszférikus molekuláris szennyeződések (AMC) ellenőrzése tekintetében lefed. Valójában a repülő szerves vegyületek koncentrációját egynél kevesebb rész milliárdnál alacsonyabbra korlátozza, ami meglehetősen szigorú. Egy másik területen az SEMI E89 előírja a részecskék folyamatos, valós idejű monitorozását. Ha a normális szintektől való eltérés több mint 5%, az riasztórendszerek automatikusan aktiválódnak. Ezek a szabványok különösen fontosak a félvezetőgyártás számára, mivel olyan specifikus problémákat is kezelnek, mint a fényérzékeny réteg bomlása vagy a fémek korróziója, amelyek biotechnológiai vagy gyógyszeripari szabályozásokban nem jelentkeznek. A félvezetőgyártóknak külön figyelmet kell fordítaniuk ezekre az előírásokra, mivel a megfelelés hiánya komoly termelési nehézségekhez vezethet később.
A félvezető tisztaszobák, amelyek ISO 4. osztályúnak minősülnek, általában óránként 400 és 600 közötti levegőcserére van szükségük. Ez körülbelül 12-szer több, mint amit a hagyományos gyógyszeripari környezetekben látunk. Ahhoz, hogy ezek a terek alkalmasak maradjanak az újgenerációs, 5 nm alatti gyártási eljárásokra, ULPA-szűrőkre támaszkodnak, amelyek a 0,12 mikronos részecskék 99,9995%-át kiszűrik. Amikor olyan kapuoxid-rétegekkel dolgoznak, amelyek vastagsága mindössze körülbelül 10 atom, még a legkisebb szennyeződések is nagy jelentőséggel bírnak. Gondoljunk csak bele: egyetlen emberi hajszál több mint 600 ezer mikroszkopikus részecskét bocsáthat ki egy ISO 5. osztályú területen. Mindez szemlélteti, miért olyan kritikusan fontos a szigorú kontrollszabványok fenntartása a félvezetőgyártás során.
A legújabb iparági felmérések szerint a korszerű gyártóüzemek 93%-a jelenleg ISO 5-ös vagy annál tisztább osztályban működik, amit az EUV litográfia és a 3D NAND rétegzés követelményei hajtottak előre. Ez 40%-os növekedést jelent az ultra tiszta termelőhelyek alkalmazásában 2018 óta (FabTech 2023).
A legjobb gyártólétesítmények páratartalmát mindössze fél százalék relatív páratartalomban tartják fenn, és kifinomult környezetszabályozó rendszereikkel a hőmérsékletet 0,02 Celsius-fok pontosságig képesek szabályozni. Egy nagy ázsiai gyártó olyan ionizált léghuzatot alkalmaz, amely a statikus elektromosságot 50 volt alatt tartja, így elkerülhetők a mikroszkopikus hibák a 3 nm-es chipek gyártása során. Többfokozatú kémiai mosási eljárásokkal kombinálva ezek a módszerek biztosítják, hogy a fényérzékeny anyagokból felszabaduló illékony vegyületek koncentrációja jól egy milliárdod rész alatt maradjon. Ez különösen fontos a jó kihozatal fenntartása érdekében az extrém ultraviola litográfiai eljárások során.
A ISO 14644 szabványnak megfelelő szűrőrendszerek akár óránként körülbelül 600 légcsere mennyiséget is képesek kezelni ULPA szűrők alkalmazása esetén. Ezek a szűrők lenyűgöző 99,999%-os hatékonysággal tartják vissza a 0,12 mikronnál nagyobb részecskéket, ami valójában mintegy 50-szer szigorúbb követelmény, mint amit a gyógyszeriparban előírnak. Vegyük példának egy észak-amerikai gyártó által üzemeltetett kutatóközpontot. Ők HEPA mennyezeti rácsokat és perforált padlókat alkalmaznak, amelyek lamináris áramlási mintázatot hoznak létre. Ez a rendszer biztosítja, hogy a részecskék száma alacsonyan maradjon, 10 darab köbméterenként, miközben 5 nanométeres alkatrészeket gyártanak. Még nagyobb tisztaság eléréséhez molekuláris adszorpciós ágyakat használnak, amelyek nyomokban jelenlévő levegőben lévő savakat és dopánszereket egymilliárdod (parts per billion) koncentrációig távolítanak el.
A rendszerbe integrált érzékelőhálózat több mint 15 különböző tényezőt figyel, beleértve a 0,1 mikrométeres részecskéket és különféle rezgési frekvenciákat, fél másodpercenként frissítve az adatokat. Amennyiben a feltételek túllépik az ISO 5. osztály szabványait, az automatikus vezérlés pontosan beavatkozik, és körülbelül 0,1 méter per másodperc sebességre állítja be a levegőáramlást – ezzel messze felülmúlva azt, amit egy ember kézzel el tudna érni. A teljes visszajelzési hurok olyan jól működik, hogy a szennyeződés mindössze körülbelül 0,01 százalékos termelési veszteséget okoz, annak ellenére, hogy havi szinten körülbelül 150 ezer lemezt dolgoznak fel ebben a környezetben.
Amikor 3 nm-nél kisebb félvezető csomópontokkal dolgoznak, az ULPA-szűrőknek legalább 99,9995%-át kell elkapniuk a 0,12 mikronnál nagyobb részecskéknek. Napjainkban számos vezető gyártóüzem elkezdte bevezetni az okos légáramlás-irányító rendszereket, amelyek valós időben alkalmazkodnak a tisztateremben elhelyezett berendezések elrendezéséhez. Ez a megközelítés körülbelül 40%-kal csökkenti a stagnáló levegő zónákat az előző generációs, fix lamináris áramlású rendszerekhez képest. A javulás különösen az EUV litográfiai folyamatok során válik nyilvánvalóvá. Már néhány nanométeres méretű, apró részecskék is zavarhatják a létrehozott érzékeny áramkörök mintázatát, ezért az ilyen adaptív szűrőrendszerek döntő fontosságúak a termékminőség fenntartásában.
A mai tisztaszobák intelligens nyomásszabályozó rendszerekkel vannak felszerelve, amelyek külön tartják a különböző területeket, miközben csökkentik az energia költségeket. Egy 2023-as jelentés a Semiconductor Engineeringtől érdekes dolgot fedezett fel a modern HVAC-rendszerek fejlesztése kapcsán. Sikerült körülbelül 28 százalékkal csökkenteniük az energiafogyasztást anélkül, hogy megbontották volna a szükséges ISO 5-ös osztályú előírásokat. Hogyan érték ezt el? Változtatható fordulatszámú ventilátorok beépítésével és hővisszanyerő mechanizmusok hozzáadásával az egész létesítményen belül. Olyan iparágak számára, amelyek hőmérsékletérzékeny műveletekkel foglalkoznak, mint például az atomi réteglerakódás (ALD), ezek az efficiencianyereségek döntő fontosságúak a termékminőség fenntartásában a gyártás során.
A tisztaterek hagyományosan a gyártóüzemek összes energiájának körülbelül 30–50 százalékát fogyasztják el, ami nehéz helyzetbe hozza a gyártókat, akiknek egyensúlyt kell teremteniük az ultratiszta környezet és a környezetbarát kezdeményezések között. A korszerű vállalatok napjainkban többféleképpen is megközelítik ezt a problémát. Néhány cég olyan hőtároló anyagokat (fázisváltó anyagokat) telepít, amelyek segítenek a hőmérséklet stabil tartásában anélkül, hogy folyamatosan üzemelne a légkondicionáló rendszer. Mások másodlagos légtisztítási igényeikhez már megújuló energiaforrásokkal működő elektrosztatikus leválasztókat használnak. Számos cég pedig ma már mesterséges intelligenciára támaszkodik a prediktív karbantartási feladatokhoz, amely az iparági jelentések szerint körülbelül huszonkét százalékkal csökkenti a szűrők pazarlását. Ezeknek a módszereknek az együttes alkalmazása évente körülbelül öt százalékkal csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást, miközben a részecskeszámot hatékonyan ellenőrzik, biztosítva, hogy a különösen érzékeny zónákban – ahol a szennyeződés teljesen elfogadhatatlan – a részecskék száma köbméterenként kevesebb legyen mint fél darab.
A moduláris tisztatéri panelek mostantól beépített IoT-érzékelőkkel vannak ellátva, amelyek lehetővé teszik a szennyeződés-ellenőrzési területek gyors módosítását, amikor csak szükséges – ez különösen fontossá válik, amikor a berendezéseket negyedévente frissítik. A félvezetőgyártó üzemek elkezdték bevezetni az úgynevezett „tisztatér digitális ikreket”, amelyek segítségével tesztelhető, hogyan illeszkedik az új felszerelés a meglévő terekbe. Ez az eljárás drasztikusan lerövidíti az érvényesítési időszakot: sok létesítmény azt jelenti, hogy a korábbi kb. 12 hetes időszakot kb. 18 napra sikerült csökkenteni. Az ilyen rugalmas infrastruktúra-kialakítások segítik a gyártókat abban, hogy lépést tartsanak a változó előírásokkal, mint például a 2025-re tervezett ISO 14644-1 szabvány, amely szigorú nanorészecskék figyelését írja elő kontrollált környezetekben. Ezekre a változásokra való felkészülés nem csupán papírmunka kérdése, hanem közvetlen hatással van az iparág napi működésére.
