EN
Het nauwkeurig regelen van de vochtigheid op ongeveer ±1% RH is cruciaal in halfgeleiderfabrieken, omdat zelfs kleine schommelingen kunnen leiden tot het kromtrekken van silicium of problemen tijdens het gevoelige litografieproces. Denk aan de Fab 18-faciliteit van TSMC, waar ze die geavanceerde 3nm-chips produceren. Hun condensatiebeheersystemen presteren op hoog niveau en verwijderen indrukwekkende 4.200 liter vocht per uur, puur om de vochtigheid stabiel te houden op 45% relatieve vochtigheid. Om statische ladingen te beheersen die apparatuur zouden kunnen beschadigen, worden ioniserende luchtschermen gebruikt doorheen de gehele faciliteit. Deze systemen reduceren statische niveaus tot onder de 10 volt, wat een groot verschil maakt bij het hanteren van die uiterst gevoelige 300mm wafers. En laten we de meertraps chemische scrubbers niet vergeten die uitgassing van fotolak aanpakken. Door emissies te verlagen tot minder dan 1 deeltje per miljard helpen deze scrubbers kostbare verliezen in productieopbrengst te voorkomen tijdens operaties met extreme ultraviolette (EUV) litografie.
De nieuwe D1X-faciliteit van Intel is uitgerust met ongeveer 1.200 ULPA-filters die deeltjes vangen vanaf 0,12 micron met een indrukwekkende efficiëntie van 99,9995% in alle ISO 3-cleanrooms. Ze hebben een speciale gelaagde luchtstroomopzet geïmplementeerd die tussen de 500 en 750 keer per uur vernieuwt. Dat is zelfs vijf keer sneller dan wat doorgaans wordt aangetroffen in farmaceutische cleanrooms, en helpt om vervelende amineverontreinigingen afkomstig van EUV-apparatuur te elimineren. Volgens recente studies van experts in halfgeleiderproductie vermindert deze geavanceerde filtratieaanpak de door deeltjes veroorzaakte defecten met ongeveer 83% vergeleken met oudere systemen die momenteel nog steeds in gebruik zijn binnen de industrie.
Geavanceerde fabrieken gebruiken meer dan 2.000 draadloze sensoren om continue kritieke parameters te monitoren:
| Parameter | Drempel | Meetfrequentie |
|---|---|---|
| Deeltjes ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Elke 6 seconden |
| Trilling | <2 μm/s² | Doorlopend |
| Drukverschil | +15 Pa minimaal | Elke 30 seconden |
Deze real-time telemetrie maakt aanpassingen van HVAC mogelijk binnen 0,8 seconden na afwijkingen, waardoor opbrengsten boven de 98,5% worden ondersteund bij productie op 5nm-node. Geautomatiseerde systemen reageren sneller dan handmatige ingrepen en behouden stabiliteit tijdens operaties met hoge volumes.
Schone kamers die worden gebruikt voor de productie van halfgeleiders voldoen aan strikte ISO 14644-1-normen, variërend van klasse 4 tot 8, wat betekent dat ze het aantal zwevende deeltjes beheersen tussen ongeveer 352 en 35.200 deeltjes van 0,5 micron of groter per kubieke meter lucht. Deze eisen zijn sterk afhankelijk van de gevoeligheid van het productieproces. In vergelijking met farmaceutische installaties die werken binnen ISO-klassen 5 tot 8, zijn deze specificaties ongeveer 100 keer strenger. Hoewel het oude FS 209E-stelsel niet meer officieel wordt gebruikt, beïnvloedt het nog steeds de ontwerpen van apparatuur, met name de beroemde Class 100-norm, die maximaal 100 dergelijke deeltjes per kubieke voet luchtruim toestond, wat overeenkomt met ISO-klasse 5-specificaties. Fabrikanten van topkwaliteit reserveren hun hoogwaardige ISO-klassen 4 tot 5 specifiek voor kritieke processen zoals lithografie en afzettingswerkzaamheden. Alleen al één klein deeltje van 0,3 micron in de lucht kan een siliciumwafer vernietigen die volgens recente sectorrapporten van SEMI uit 2023 bijna $740.000 waard is.
De SEMI F51-norm gaat verder dan wat ISO doorgaans dekt op het gebied van controle op luchtgedragen moleculaire verontreiniging (AMC). Deze norm beperkt vluchtige organische stoffen tot minder dan één deeltje per miljard, wat vrij streng is. Daarnaast vereist SEMI E89 continue, realtime monitoring van deeltjes. Als de waarden meer dan 5% afwijken van het normale niveau, schakelen alarmsystemen automatisch in. Wat deze normen bijzonder belangrijk maakt voor de halfgeleiderindustrie, is dat ze specifieke problemen aanpakken zoals het afbreken van fotoresist en metalen corrosie, problemen die in de biotechnologie of farmaceutische sector niet voorkomen. Halfgeleiderfabrikanten moeten deze eisen zorgvuldig naleven, omdat het negeren ervan later tot ernstige productieproblemen kan leiden.
Semiconductorcleanrooms die zijn geclassificeerd als ISO-klasse 4, hebben doorgaans tussen de 400 en 600 luchtwisselingen per uur nodig. Dat is ongeveer 12 keer meer dan wat we zien in standaard farmaceutische omgevingen. Om deze ruimtes geschikt te houden voor geavanceerde productie op sub-5nm-niveau, vertrouwen fabrieken op ULPA-filters die 99,9995% van deeltjes tot 0,12 micron vasthouden. Bij gate-oxiden die slechts ongeveer 10 atomen dik zijn, spelen zelfs minuscule verontreinigingen een grote rol. Bedenk het volgende: één haar kan meer dan 600 duizend microscopische deeltjes vrijgeven in een ISO-klasse 5-omgeving. Dit laat duidelijk zien waarom het handhaven van dergelijke strikte controlestandaarden absoluut kritiek is in de fabricage van semiconductors.
Uit recente branche-onderzoeken blijkt dat 93% van de meest geavanceerde fabrieken nu op ISO-klasse 5 of schoner werkt, gedreven door de eisen van EUV-lithografie en 3D NAND-stacking. Dit vertegenwoordigt een stijging van 40% in de adoptie van ultra-schone ruimtes sinds 2018 (FabTech 2023).
De beste productiefaciliteiten houden vochtigheidsniveaus binnen slechts een halve procent RH en kunnen temperaturen tot op 0,02 graden Celsius nauwkeurig regelen met behulp van hun geavanceerde klimaatregelsystemen. Een grote foundry in Azië heeft geïoniseerde luchtschermen geïmplementeerd die statische elektriciteit onder de 50 volt houden, wat helpt om minuscule defecten te voorkomen bij het werken aan 3nm-chips. In combinatie met meerdere trappen chemische reiniging zorgen deze methoden ervoor dat vluchtige verbindingen die vrijkomen uit fotolakken, ver onder één deeltje per miljard blijven. Dit is erg belangrijk voor het behoud van goede opbrengsten in processen voor extreme ultraviolette lithografie.
Filtersystemen die voldoen aan ISO 14644-normen kunnen ongeveer 600 luchtverversingen per uur verwerken wanneer uitgerust met ULPA-filters. Deze filters vangen indrukwekkend 99,999% van deeltjes groter dan 0,12 micron af, wat eigenlijk ongeveer 50 keer strenger is dan wat vereist is in farmaceutische omgevingen. Neem bijvoorbeeld een onderzoeksfaciliteit die wordt beheerd door een grote Noord-Amerikaanse fabrikant. Zij hebben een combinatie geïmplementeerd van HEPA-plafondroosters samen met geperforeerde vloeren die laminaire luchtstromingspatronen creëren. Deze opstelling houdt het aantal deeltjes onder de 10 per kubieke voet tijdens de productie van 5 nanometer componenten. Voor nog hogere zuiverheid worden moleculaire adsorptiebedden gebruikt om sporen van luchtgedragen zuren en dopanten te verwijderen tot concentraties in de orde van miljardsten (parts per billion).
Sensornetwerken die in deze systemen zijn geïntegreerd, houden meer dan 15 verschillende factoren bij, waaronder die kleine 0,1 micrometer grote deeltjes en diverse trillingsfrequenties, met updates die elke halve seconde plaatsvinden. Als de waarden buiten de ISO-klasse 5-normen komen, grijpen de automatische regelsystemen in om de luchtsnelheid zeer nauwkeurig aan te passen, op ongeveer 0,1 meter per seconde, wat aanzienlijk beter is dan wat een persoon handmatig zou kunnen doen. De volledige terugkoppelingslus werkt zo goed dat verontreiniging slechts zorgt voor ongeveer 0,01 procent productieverlies, zelfs terwijl ongeveer 150.000 wafers per maand via deze opstelling worden verwerkt.
Bij het werken met halfgeleidernodes onder de 3 nm moeten ULPA-filters minstens 99,9995% van de deeltjes van 0,12 micron of groter afvangen. Veel toonaangevende fabricagefabrieken passen tegenwoordig slimme luchtstroombeheersystemen toe. Deze systemen passen zich dynamisch aan op basis van de indeling van apparatuur in de cleanroom. Deze aanpak vermindert dode luchthoeveelheden met ongeveer 40% in vergelijking met oudere vaste laminaire stroomsystemen. De voordelen worden vooral duidelijk tijdens EUV-lithografieprocessen. Zelfs minuscule deeltjes van slechts enkele nanometers kunnen de delicate circuitpatronen verstoren die worden gecreëerd, waardoor deze adaptieve filtratiesystemen een groot verschil maken voor het behoud van productkwaliteit.
De moderne cleanrooms zijn uitgerust met intelligente druksystemen die verschillende gebieden gescheiden houden en tegelijkertijd energiekosten besparen. Uit een recent rapport van Semiconductor Engineering uit 2023 kwam een interessant inzicht naar voren over moderne HVAC-upgrades. Zij slaagden erin het energieverbruik met ongeveer 28 procent te verlagen, zonder de vereiste ISO-klasse 5-normen in gevaar te brengen. Hoe wisten ze dit te bereiken? Door variabel snelheidsregelende ventilatoren te installeren en warmterecuperatie-systemen door de hele installatie te integreren. Voor industrieën die te maken hebben met temperatuurgevoelige processen zoals atoomlaagdepositie (ALD), betekenen dit soort efficiëntiewinsten een groot verschil bij het behoud van productkwaliteit tijdens de productie.
Schoonkamers verbruiken traditioneel ongeveer 30 tot 50 procent van alle energie die in fabrieken wordt gebruikt, wat producenten in een lastige positie brengt bij het nastreven van zowel ultrareine omgevingen als groene initiatieven. Slimme bedrijven pakken dit probleem tegenwoordig op verschillende manieren aan. Sommigen installeren faseveranderingsmaterialen die helpen de temperatuur stabiel te houden zonder dat de klimaatbeheersing continu hoeft te draaien. Anderen beginnen elektrostatische afzonders te gebruiken die worden aangedreven door hernieuwbare bronnen voor secundaire luchtfiltratiebehoeften. En velen zijn nu afhankelijk van kunstmatige intelligentie voor voorspellend onderhoud, waardoor verspilde filters volgens sectorrapporten ongeveer tweeëntwintig procent minder worden. Het combineren van deze aanpakken leidt tot ongeveer vijf procent minder CO2-uitstoot per jaar, terwijl tegelijkertijd het aantal deeltjes onder controle wordt gehouden op minder dan de helft van een deeltje per kubieke voet in die zeer gevoelige zones waar verontreiniging absoluut niet toegestaan is.
De modulaire cleanroompanelen zijn nu uitgerust met ingebouwde IoT-sensoren waarmee het mogelijk is om de contaminatiebeheersingszones snel aan te passen wanneer dat nodig is, iets wat essentieel wordt wanneer gereedschappen elk kwartaal worden bijgewerkt. Halfgeleiderfabrieken beginnen met het implementeren van zogeheten "digitale tweelingen van cleanrooms" om te testen hoe nieuwe apparatuur in bestaande ruimtes past. Deze aanpak verkort de validatieperiodes sterk; veel bedrijven melden een vermindering van ongeveer 12 weken tot zo'n 18 dagen. Dergelijke flexibele infrastructuuroppervlakken helpen fabrikanten vóór te blijven op evoluerende regelgeving zoals de komende ISO 14644-1-standaard voor 2025, die strenge monitoring vereist van nanodeeltjes in gecontroleerde omgevingen. Zich voorbereiden op deze veranderingen gaat niet alleen over papierwerk, maar heeft daadwerkelijk invloed op de dagelijkse operaties in de sector.
