EN
Menținerea umidității strâns controlate în jurul valorii ±1% RH este esențială în fabricile de semiconductori, deoarece chiar și mici fluctuații pot provoca încovoierea siliciului sau pot crea probleme în timpul procesului delicat de litografie. Luați în considerare instalația Fab 18 a companiei TSMC, unde se produc acei cipuri de ultimă generație de 3nm. Sistemele lor de control al condensului funcționează în regim de suprasolicitare, eliminând impresionante 4.200 de litri de umiditate în fiecare oră doar pentru a menține stabilitatea la 45% umiditate relativă. Pentru a gestiona sarcinile statice care ar putea deteriora echipamentele, în întreaga instalație sunt utilizate perdele de aer ionizat. Aceste sisteme reduc nivelul sarcinilor statice sub 10 volți, ceea ce face o diferență majoră atunci când se manipulează acele wafer-e extrem de sensibile de 300mm. Și să nu uităm de scruberele chimice cu mai multe trepte care combat emisiile de vapori provenite de la stratul fotoactiv. Prin reducerea emisiilor la mai puțin de 1 parte pe miliard, aceste scrubere contribuie la prevenirea pierderilor costisitoare de randament în timpul operațiunilor de litografie cu rază ultravioletă extremă (EUV).
Noua instalație D1X de la Intel include aproximativ 1.200 de filtre ULPA care captează particule de mărimea de 0,12 microni cu o eficiență impresionantă de 99,9995% în toate zonele de sală curată ISO 3. A fost implementată o configurație specială de flux de aer în cascadă care face schimburi între 500 și 750 de ori pe oră. Aceasta este de fapt de cinci ori mai rapidă decât ceea ce vedem în mod obișnuit în sălile curate farmaceutice, ajutând astfel la eliminarea contaminanților amine proveniți de la echipamentele EUV. Conform unor studii recente realizate de experți în fabricarea semiconductorilor, această abordare avansată de filtrare reduce defectele legate de particule cu aproximativ 83% în comparație cu sistemele mai vechi încă utilizate în prezent în industrie.
Fabricile avansate utilizează peste 2.000 de senzori fără fir pentru a urmări în mod continuu parametrii critici:
| Parametru | Prag | Frecvența de măsurare |
|---|---|---|
| Particule ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | La fiecare 6 secunde |
| Vibratie | <2 μm/s² | Continuă |
| Diferența de presiune | +15 Pa minim | La fiecare 30 de secunde |
Această telemetrie în timp real permite ajustări ale sistemului HVAC în termen de 0,8 secunde de la apariția abaterilor, susținând rate de randament peste 98,5% în producția de noduri de 5 nm. Sistemele automate răspund mai rapid decât intervenția manuală, menținând stabilitatea în operațiunile de mare volum.
Sălile curate utilizate pentru fabricarea semiconductorilor respectă standardele stricte ISO 14644-1, care variază de la Clasa 4 la 8, ceea ce înseamnă că controlează particulele aeriene între aproximativ 352 și 35.200 de particule măsurând 0,5 microni sau mai mari pe metru cub. Aceste cerințe depind în mare măsură de sensibilitatea procesului de producție. În comparație cu ceea ce observăm în instalațiile farmaceutice care funcționează la clasele ISO 5 până la 8, aceste specificații sunt de aproximativ 100 de ori mai exigente. Deși nu mai este oficial utilizat, vechiul standard FS 209E continuă să influențeze modul în care este proiectată echipamentul, în special în jurul celebrei clasificări Class 100, care permitea maximum 100 de astfel de particule pe picior cub de spațiu aerian, corespunzând specificațiilor ISO Clasa 5. Producătorii de top își rezervă zonele de calitate superioară, ISO Clasele 4–5, în mod special pentru procese critice precum litografia și depunerea. O singură particulă minusculă, de doar 0,3 microni, plutind în aer, ar putea distruge o placă de siliciu în valoare de aproape 740.000 USD, conform rapoartelor recente ale industriei din 2023 ale SEMI.
Standardul SEMI F51 merge dincolo de ceea ce acoperă în mod obișnuit ISO atunci când vine vorba de controlul contaminării moleculare aeropurtate (AMC). Acesta limitează efectiv compușii organici volatili la sub o parte pe miliard, ceea ce este destul de strict. Pe o altă front, SEMI E89 impune monitorizarea continuă a particulelor în timp real. Dacă există o abatere de la nivelurile normale cu mai mult de 5%, sistemele de alarmă se activează automat. Ceea ce face ca aceste standarde să fie deosebit de importante pentru semiconductori este modul în care abordează probleme specifice, cum ar fi degradarea fotorezistului și coroziunea metalelor, probleme care pur și simplu nu apar în reglementările de biotehnologie sau farmaceuticale. Producătorii de semiconductori trebuie să acorde o atenție deosebită acestor cerințe, deoarece nerespectarea lor poate duce la setbackuri serioase în producție pe termen lung.
Sălile curate pentru semiconductori clasificate ca ISO Clasa 4 necesită de obicei între 400 și 600 schimburi de aer la fiecare oră. Acesta este aproximativ de 12 ori mai mult decât în mediile farmaceutice standard. Pentru a menține aceste spații potrivite pentru fabricarea de ultimă generație sub-5nm, instalațiile se bazează pe filtre ULPA care rețin 99,9995% din particulele cu dimensiunea până la 0,12 microni. Atunci când se lucrează cu oxizi de poartă care măsoară doar aproximativ 10 atomi grosime, chiar și contaminanții minuscui sunt foarte importanți. Gândiți-vă că o singură fir de păr uman poate elibera peste 600.000 de particule microscopice într-o zonă ISO Clasa 5. Acest lucru ilustrează de ce menținerea unor astfel de standarde stricte de control este absolut esențială în fabricarea semiconductorilor.
Sondajele recente din industrie indică faptul că 93% dintre fabricile de ultimă generație funcționează acum în clasa ISO 5 sau mai curat, datorită cerințelor litografiei EUV și stivuirii 3D NAND. Aceasta reprezintă o creștere cu 40% a adoptării camerelor ultra-curate începând din 2018 (FabTech 2023).
Cele mai bune instalații de fabricație mențin nivelurile de umiditate în limite de doar jumătate de procent RH și pot controla temperaturile până la 0,02 grade Celsius folosind sisteme sofisticate de control al mediului. Un producător major din Asia a implementat perdele de aer ionizat care mențin electricitatea statică sub 50 de volți, ceea ce ajută la evitarea defectelor minuscule atunci când se lucrează la cipurile de 3nm. În combinație cu mai multe etape de epurare chimică, aceste metode asigură faptul că orice compuși volatili eliberați din materialele fotosensibile rămân considerabil sub o parte pe miliard. Acest lucru este esențial pentru menținerea unor randamente bune în procesele de litografie cu rază ultravioletă extremă.
Sistemele de filtrare care respectă standardele ISO 14644 pot gestiona aproximativ 600 de schimburi de aer pe oră atunci când sunt echipate cu filtre ULPA. Acestea rețin impresionant 99,999% din particulele mai mari de 0,12 microni, ceea ce este de fapt de aproximativ 50 de ori mai sever decât cerințele din domeniul farmaceutic. Luați în considerare o instalație de cercetare operată de un important producător nord-american. Aceștia au implementat o combinație de grile tavanate HEPA împreună cu podele perforate care creează modele de flux laminar. Această configurație menține numărul de particule sub 10 pe picior cub în timpul producției componentelor de 5 nanometri. Pentru o puritate și mai mare, sunt utilizate paturi de adsorbție moleculară pentru eliminarea urmelor de acizi și dopanți din aer, reducând concentrația la nivel de părți pe miliard.
Rețelele de senzori integrate în aceste sisteme urmăresc peste 15 factori diferiți, inclusiv particulele minuscule de 0,1 micrometri și diverse frecvențe ale vibrațiilor, cu actualizări care au loc la fiecare jumătate de secundă. Dacă valorile depășesc standardele ISO Clasa 5, comenzile automate intervin pentru a ajusta cu precizie viteza fluxului de aer în jurul valorii de 0,1 metri pe secundă, ceea ce întrece cu mult ceea ce ar putea face orice operator manual. Întregul ciclu de reacție funcționează atât de bine încât contaminarea provoacă doar o pierdere de aproximativ 0,01 procente din randamentul producției, chiar dacă se prelucrează aproximativ 150.000 de plăci wafer în fiecare lună prin această instalație.
Atunci când se lucrează cu noduri semiconductoare sub 3nm, filtrele ULPA trebuie să rețină cel puțin 99,9995% din particulele de 0,12 microni sau mai mari. În prezent, multe dintre cele mai importante fabrici de semiconductori au început să implementeze sisteme inteligente de gestionare a fluxului de aer. Acestea se ajustează în timp real în funcție de modul în care echipamentele sunt aranjate în interiorul camerei curate. Această abordare reduce zonele moarte de aer cu aproximativ 40% în comparație cu vechile configurații fixe cu flux laminar. Beneficiile devin cu adevărat evidente în timpul proceselor de litografie EUV. Chiar și particule minuscule, măsurând doar câțiva nanometri, pot perturba modelele delicate ale circuitelor create, astfel că aceste sisteme adaptive de filtrare fac o diferență esențială în menținerea calității produsului.
Sălile curate de astăzi sunt echipate cu sisteme inteligente de presiune care mențin separate diferitele zone, economisind în același timp energie electrică. Un raport recent al Semiconductor Engineering din 2023 a evidențiat un aspect interesant legat de modernizările moderne ale sistemelor HVAC. Acestea au reușit să reducă consumul de energie cu aproximativ 28 la sută fără a compromite standardele ISO Clasa 5 necesare. Cum au realizat acest lucru? Prin instalarea unor ventilatoare cu viteză variabilă și adăugarea de mecanisme de recuperare a căldurii în întreaga instalație. Pentru industriile care desfășoară operațiuni sensibile la temperatură, cum ar fi depunerea stratului atomic (ALD), astfel de câștiguri de eficiență fac o diferență esențială în menținerea calității produsului în timpul procesului de fabricație.
Camerele curate consumă în mod tradițional aproximativ 30-50 la sută din toată energia utilizată în fabricile de producție, ceea ce pune producătorii într-o poziție dificilă atunci când încearcă să echilibreze mediile ultra-curate cu inițiativele ecologice. În prezent, companiile inteligente abordează această problemă în mai multe feluri. Unele instalează materiale cu schimbare de fază care ajută la menținerea temperaturilor stabile fără a funcționa neîntrerupt sistemele HVAC. Altele au început să utilizeze precipitatori electrostatici alimentați de surse regenerabile pentru nevoile secundare de filtrare a aerului. Iar multe dintre ele se bazează acum pe inteligența artificială pentru sarcini de întreținere predictivă, reducând astfel filtrele risipite cu aproximativ douăzeci și două la sută, conform rapoartelor din industrie. Combinarea acestor abordări duce la o scădere de aproximativ cinci la sută a emisiilor de carbon în fiecare an, totul în timp ce numărul particulelor este menținut sub control, la mai puțin de jumătate de particulă pe picior cub, în acele zone extrem de sensibile unde contaminarea pur și simplu nu este acceptabilă.
Panourile modulare pentru sali curate sunt acum echipate cu senzori IoT integrati care permit ajustarea rapidă a zonelor de control al contaminării ori de câte ori este necesar, lucru esențial atunci când echipamentele sunt actualizate la fiecare trimestru. Fabricile de semiconductori încep să implementeze ceea ce se numește «gemeni digitali ai salii curate» pentru a testa cum se vor integra noile echipamente în spațiile existente. Această abordare reduce drastic perioadele de validare — multe facilități raportează o scurtare de la aproximativ 12 săptămâni la doar 18 zile. Astfel de configurații flexibile ale infrastructurii ajută producătorii să rămână în avans față de reglementările în continuă schimbare, cum ar fi noul standard ISO 14644-1 programat pentru 2025, care impune monitorizarea strictă a nanoparticulelor în mediile controlate. Pregătirea pentru aceste schimbări nu este doar o problemă de documente — afectează în mod direct operațiunile zilnice din întreaga industrie.
