EN
Siltummitrumu stingra kontrole ap ±1% relatīvās mitruma pakāpes ir ļoti svarīga pusvadītāju ražošanas rūpnīcās, jo pat nelielas svārstības var izraisīt silīcija deformāciju vai radīt problēmas sarežģītajā litogrāfijas procesā. Ņemiet vērā TSMC Fab 18 objektu, kur tiek ražotas šīs jaunās paaudzes 3 nm čipu shēmas. To kondensāta kontroles sistēmas strādā ar pastiprinātu slodzi, katru stundu noņemot ievērojamus 4200 litrus mitruma, lai uzturētu stabilitāti 45% relatīvā mitruma līmenī. Lai tiktos galā ar statiskajiem lādiņiem, kas var sabojāt aprīkojumu, visā objektā tiek izmantoti jonizētas gaisa aizkari. Šīs sistēmas samazina statiskos lādiņus zem 10 voltiem, kas ir būtiski, strādājot ar ārkārtīgi jutīgajiem 300 mm plāksnīšiem. Un nerunāsim par daudzstāvu ķīmiskajiem attīrītājiem, kas novērš fotorezistu izdalīšanos. Samazinot emisijas līdz mazāk kā vienai daļai miljardā, šie attīrītāji palīdz novērst dārgas ražošanas zaudējumus ekstrēmi ultravioletā (EUV) litogrāfijas operācijās.
Jaunajā Intel D1X iekārtā ir aptuveni 1 200 ULPA filtri, kas noķer daļiņas līdz pat 0,12 mikroniem ar ievērojamu efektivitāti 99,9995% visās ISO 3 tīrkamerās. Ieviests īpašs kaskādes gaisa plūsmas izkārtojums, kas ciklē no 500 līdz 750 reizēm stundā. Tas faktiski ir piecas reizes ātrāk nekā parasti novērots farmaceitisko tīrkamerās, kas palīdz novērst nepatīkamos amīnu piesārņotājus no EUV aprīkojuma. Saskaņā ar neseno pētījumu semikonduktoru ražošanas ekspertu vidū, šāda uzlabotā filtrācijas metode samazina ar daļiņām saistītos defektus aptuveni par 83% salīdzinājumā ar vecākām sistēmām, kuras joprojām tiek izmantotas rūpniecībā.
Uzlabotās fabrikas izmanto vairāk nekā 2 000 bezvadu sensoru, lai nepārtraukti kontrolētu kritiskos parametrus:
| Parametrs | Slieksnis | Mērījumu biežums |
|---|---|---|
| Daļiņas ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Katras 6 sekundes |
| Vibrācija | <2 μm/s² | Nepārtraukts |
| Spiediena starpība | +15 Pa minimums | Katras 30 sekundes |
Šis reāllaika telemetrijas dati ļauj HVAC pielāgojumus veikt 0,8 sekundēs pēc novirzēm, nodrošinot ražošanas iznākumu virs 98,5% 5 nm mezgla ražošanā. Automatizētās sistēmas reaģē ātrāk nekā manuāla iejaukšanās, uzturējot stabilitāti lielapjomu darbībās.
Tīras telpas, kas tiek izmantotas pusvadītāju ražošanā, ievēro stingrus ISO 14644-1 standartus no 4. līdz 8. klasei, kas nozīmē, ka tās kontrolē gaisa suspendētas daļiņas — aptuveni no 352 līdz 35 200 daļiņām, kuru izmērs ir 0,5 mikroni vai lielāks, vienā kubikmetrā. Šie nosacījumi lielā mērā ir atkarīgi no ražošanas procesa jutīguma. Salīdzinājumā ar farmaceitiskajās iekārtās sastopamajiem ISO 5. līdz 8. klases standartiem, šie nosacījumi ir aptuveni 100 reizes stingrāki. Kaut arī tas vairs nav oficiāli lietojumā, vecais FS 209E standarts joprojām ietekmē aprīkojuma projektēšanu, jo īpaši tā slaveno 100. klasi, kurā gaisa tilpumā vienā kubikpēdā bija atļauts ne vairāk kā 100 minēto daļiņu, kas atbilst ISO 5. klases specifikācijām. Augstākās klases ražotāji rezervē savas augstākās kvalitātes ISO 4. un 5. klases zonas īpaši kritiskiem procesiem, piemēram, litogrāfijai un nogulsnēšanas darbiem. Tikai viena maza 0,3 mikronu daļiņa, kas brīvi peld gaisā, var sabojāt silīcija plāksni, kuras vērtība pēc 2023. gada SEMI nozares ziņojumiem tuvojas 740 000 ASV dolāriem.
SEMI F51 standarts iet tālāk par to, ko parasti aptver ISO, kontrolējot gaisa molekulāro piesārņojumu (AMC). Tas faktiski ierobežo organiskos piesārņotājus zem viena daļiņas miljarddaļā, kas ir diezgan stingri. Savukārt SEMI E89 nosaka nepārtrauktu daļiņu uzraudzību reāllaikā. Ja novirze no normāliem līmeņiem pārsniedz 5%, brīdinājuma sistēmas automātiski aktivizējas. Šie standarti ir īpaši svarīgi pusvadītājiem tieši tāpēc, ka tie risina konkrētas problēmas, piemēram, fotorezistenta sadalīšanos un metālu koroziju, kuras neuzrodas biotehnoloģiju vai farmaceitisko produktu noteikumos. Pusvadītāju ražotājiem rūpīgi jāievēro šie prasījumi, jo to neievērošana var izraisīt nopietnas ražošanas problēmas nākotnē.
Pusvadītāju tīrkamerām, kas klasificētas kā ISO klase 4, parasti nepieciešamas no 400 līdz 600 gaisa apmaiņas katru stundu. Tas ir aptuveni 12 reizes vairāk nekā standarta farmaceitiskajās vidēs. Lai šīs telpas saglabātu piemērotas jaunākās paaudzes apakš 5 nm ražošanai, iekārtas balstās uz ULPA filtriem, kas noķer 99,9995% daļiņu līdz 0,12 mikroniem. Strādājot ar vārstu oksīdiem, kuru biezums ir aptuveni 10 atomu, pat mazākās piesmietes lielā mērā ir svarīgas. Tikai iedomājieties: viens cilvēka matiņš var izplatīt vairāk nekā 600 tūkstošus mikroskopisku daļiņu ISO klases 5 zonā. Tas parāda, kāpēc pusvadītāju ražošanā ir absolūti būtiski uzturēt tik stingrus kontroles standartus.
Pēdējie nozares aptaujas dati liecina, ka 93 % jaunākajos tipa pusvadītāju ražošanas uzņēmumos tagad darbojas ISO klases 5 vai tīrākā vidē, ko veicina EUV litogrāfijas un 3D NAND slāņu uzstādīšanas prasības. Salīdzinājumā ar 2018. gadu tas ir par 40 % lielāka ultratīru telpu pieņemšana (FabTech 2023).
Labākās ražošanas iekārtas uztur mitruma līmeni ietvaros tikai pustiksim procentu no relatīvā mitruma un, izmantojot sarežģītas vides kontroles sistēmas, var regulēt temperatūru līdz pat 0,02 grādiem Celsija. Viens no lielākajiem ražotājiem Āzijā ir ieviesis jonizētu gaisa aizkarus, kas uztur statisko elektrību zem 50 voltiem, kas palīdz izvairīties no sīkām kļūdām, strādājot pie 3 nm čipiem. Kombinējot šīs metodes ar vairākām ķīmiskās attīrīšanas stadijām, tiek nodrošināts, ka no fotorezistiem izdalītie mainīgie savienojumi paliek ievērojami zem viena daļiņa miljarddaļā. Tas ir ļoti svarīgi, lai uzturētu labu iznākumu ekstrēmās ultravioletās litogrāfijas procesos.
Filtrēšanas sistēmas, kas atbilst ISO 14644 standartiem, var nodrošināt aptuveni 600 gaisa maiņas stundā, ja tajās ir uzstādīti ULPA filtri. Šie filtri aizkavē ievērojami 99,999% daļiņu, kuru izmērs ir lielāks par 0,12 mikroniem, kas patiesībā ir aptuveni 50 reizes stingrāk nekā farmaceitiskajos apstākļos prasītais. Aplūkojiet pētniecības centru, ko uztur liels Ziemeļamerikas ražotājs. Tie piemērojis HEPA griestu režģu kombināciju ar perforētām grīdām, kas rada lamināras gaisa plūsmas modeļus. Šāda iekārta nodrošina, ka daļiņu skaits paliek zem 10 daļiņām kubikpēdā, ražojot 5 nanometru komponentus. Vēl augstākai tīrībai tiek izmantotas molekulārās adsorbcijas gultnes, lai no gaisa noņemtu sērskābes un dopantu pēdas līdz koncentrācijām ar miljarddaļām.
Šajās sistēmās integrētas sensoru tīklu sistēmas uzrauga vairāk nekā 15 dažādus faktorus, tostarp mikroskopiskas 0,1 mikrometru daļiņas un dažādas vibrācijas frekvences, ar atjauninājumiem ik pēc pussekundes. Ja parametri pārsniedz ISO klases 5 standartus, automātiskā vadība precīzi regulē gaisa plūsmas ātrumu aptuveni par 0,1 metriem sekundē, kas ir ievērojami labāk nekā jebkurš cilvēks spētu manuāli. Visa atgriezeniskās saites cilka darbojas tik efektīvi, ka piesārņojums rada tikai aptuveni 0,01 procentu zaudējumus ražošanas iznākumos, pat tad, ja caur šo sistēmu tiek apstrādāti aptuveni 150 tūkstoši plastinām katru mēnesi.
Strādājot ar pusvadītāju mezgliem zem 3 nm, ULPA filtriem jāizolē vismaz 99,9995 % daļiņu, kuru izmērs ir 0,12 mikroni vai lielāks. Daudzas vadošās ražošanas iekārtas šodien jau sākušas ieviest gudras gaisa plūsmas pārvaldības sistēmas. Šīs sistēmas dinamiski pielāgojas atkarībā no tā, kā aprīkojums izvietots tīrkamerā. Salīdzinājumā ar vecajām fiksētajām laminārajos plūsmas sistēmām šis pieeja samazina mirgojošās gaisa zonas aptuveni par 40 %. Ieguvumi kļūst īpaši acīmredzami EUV litogrāfijas procesos. Pat ļoti mazas daļiņas, kuru izmērs ir tikai daži nanometri, var traucēt precīzi izveidojamajiem shēmas modeļiem, tāpēc šādas adaptīvās filtrācijas sistēmas ir būtisks faktors produkta kvalitātes uzturēšanā.
Mūsdienu tīrkambari ir aprīkoti ar inteligentiem spiediena sistēmām, kas nodrošina dažādu zonu atdalīšanu, vienlaikus ietaupot enerģijas izmaksas. Pētījums, ko 2023. gadā publicēja "Semiconductor Engineering", atklāja interesantu informāciju par mūsdienu HVAC modernizācijām. Tās panāca aptuveni 28 procentu samazinājumu enerģijas patēriņā, nekompromitējot nepieciešamos ISO klases 5 standartus. Kā tie to paveica? Ievienojot mainīgas ātruma ventilatorus un objektā integrējot siltuma atgūves mehānismus. Nozarēm, kas darbojas ar temperatūras jutīgām operācijām, piemēram, atomslāņa nogulsnēšanu (ALD), šāda veida efektivitātes uzlabojumi ir būtiski, lai ražošanas procesā uzturētu produkta kvalitāti.
Tīras telpas tradicionāli patērē aptuveni 30 līdz 50 procentus no kopējās enerģijas, ko izmanto ražošanas rūpnīcās, kas rada grūtības ražotājiem, kuri cenšas saskaņot ultratīras vides uzturēšanu ar zaļajiem pasākumiem. Gudras uzņēmējsabiedrības šobrīd risina šo problēmu dažādos veidos. Dažas uzstāda fāzes maiņas materiālus, kas palīdz uzturēt stabili temperatūru, nepalaipot HVAC sistēmas nepārtraukti. Citi ir sākuši izmantot elektrostatiskos nosēdētājus, kas darbināti ar atjaunojamiem energoresursiem un paredzēti sekundārai gaisa filtrācijai. Un daudzas tagad balstās uz mākslīgo intelektu prognozēšanas uzturēšanas uzdevumiem, samazinot izšķiestos filtrus par aptuveni divdesmit diviem procentiem, kā liecina nozares ziņojumi. Šo pieeju kombinācija rezultātā dod aptuveni piecus procentus mazākas oglekļa emisijas katru gadu, vienlaikus noturējot daļiņu skaitu kontrolētā līmenī — mazāk nekā puse daļiņas kubikpēdā tajās īpaši jutīgajās zonās, kur piesārņojums nav pieļaujams.
Modulārās tīrkameras paneļi tagad ir aprīkoti ar iebūvētiem IoT sensoriem, kas ļauj ātri regulēt piesārņojuma kontroles zonas, kad vien nepieciešams – kas kļūst būtiski, kad rīki tiek atjaunināti katru ceturksni. Pusvadītāju fabrikas sāk ieviest tā saucamos "digitālos tīrkameras dubultņus", lai pārbaudītu, kā jaunās iekārtas iederēsies esošajās telpās. Šis pieejas veids dramatiski saīsina validācijas periodus – daudzas iekārtas ziņo, ka laiks samazinājies no aptuveni 12 nedēļām līdz aptuveni 18 dienām. Tāda elastīga infrastruktūras izkārtojums palīdz ražotājiem palikt priekšā attīstošajām normām, piemēram, gaidāmajai ISO 14644-1 standarta versijai 2025. gadam, kas prasa stingru nanopiedevu uzraudzību kontrolētās vidēs. Sagatavošanās šādām izmaiņām nav tikai papīru jautājums – tā faktiski ietekmē ikdienas darbības visā nozarē.
