EN
Поддержание влажности на уровне ±1% ОВ имеет критическое значение на заводах по производству полупроводников, поскольку даже незначительные колебания могут вызвать деформацию кремния или проблемы в ходе деликатного литографического процесса. Возьмем, к примеру, объект Fab 18 компании TSMC, где выпускаются передовые чипы по 3-нм техпроцессу. Системы контроля конденсации работают в усиленном режиме, удаляя впечатляющие 4200 литров влаги каждый час, лишь для того, чтобы поддерживать стабильный уровень влажности на отметке 45%. Чтобы справиться со статическими зарядами, которые могут повредить оборудование, по всему объекту используются ионизированные воздушные завесы. Эти системы снижают уровень статического электричества до менее чем 10 вольт, что имеет огромное значение при работе с исключительно чувствительными 300-мм пластинами. И, конечно, нельзя забывать о многоступенчатых химических скрубберах, предназначенных для нейтрализации выделений фоторезиста. Снижая выбросы до уровня менее 1 части на миллиард, эти скрубберы помогают предотвратить дорогостоящие потери выхода годных изделий во время операций экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии.
Новый объект D1X компании Intel оснащен примерно 1200 фильтрами ULPA, которые улавливают частицы размером до 0,12 мкм с впечатляющим показателем эффективности 99,9995% во всех чистых помещениях класса ISO 3. Там реализована специальная каскадная система воздушного потока, которая обеспечивает циркуляцию от 500 до 750 раз в час. Это в пять раз быстрее, чем обычно наблюдается в фармацевтических чистых помещениях, что помогает избавиться от надоедливых аминовых загрязнений, возникающих при работе оборудования EUV. Согласно недавним исследованиям экспертов по производству полупроводников, такой передовой подход к фильтрации снижает количество дефектов, вызванных частицами, примерно на 83% по сравнению со старыми системами, которые до сих пор используются в отрасли.
Передовые литейные производства используют более 2000 беспроводных датчиков для непрерывного контроля критически важных параметров:
| Параметры | Порог | Частота измерения |
|---|---|---|
| Частицы ≥0,1 мкм | <0,5/см³ (ISO 3) | Каждые 6 секунд |
| Вибрация | <2 мкм/с² | Непрерывный |
| Разность давлений | +15 Па минимум | Каждые 30 секунд |
Эта телеметрия в реальном времени позволяет корректировать параметры систем вентиляции и кондиционирования в течение 0,8 секунды после отклонений, обеспечивая уровень выхода годных изделий выше 98,5 % при производстве по норме 5 нм. Автоматизированные системы реагируют быстрее, чем ручное вмешательство, поддерживая стабильность в условиях массового производства.
Чистые помещения, используемые для производства полупроводников, строго соответствуют стандарту ISO 14644-1 классов с 4 по 8, что означает контроль количества воздушных частиц в диапазоне примерно от 352 до 35 200 частиц размером 0,5 мкм и более на кубический метр. Эти требования во многом зависят от степени чувствительности производственного процесса. По сравнению с фармацевтическими объектами, работающими в классах чистоты ISO с 5 по 8, данные спецификации примерно в 100 раз строже. Несмотря на то, что старый стандарт FS 209E больше не используется официально, он до сих пор влияет на проектирование оборудования, особенно в отношении известного класса 100, который допускал не более 100 таких частиц на кубический фут воздуха, что соответствует требованиям ISO класса 5. Ведущие производители выделяют зоны высочайшего качества — классов ISO 4–5 — специально для критически важных процессов, таких как литография и осаждение. Согласно отчету SEMI за 2023 год, всего одна крошечная частица размером 0,3 мкм может испортить кремниевую пластику стоимостью почти 740 000 долларов США.
Стандарт SEMI F51 выходит за рамки того, что обычно охватывает ISO, в части контроля молекулярного загрязнения воздуха (AMC). Он фактически ограничивает содержание летучих органических соединений менее чем одной частью на миллиард, что является довольно строгим требованием. С другой стороны, стандарт SEMI E89 предписывает непрерывный мониторинг частиц в режиме реального времени. Если отклонение от нормальных уровней превышает 5%, автоматически срабатывают сигнализации. Особую важность этих стандартов для полупроводниковой промышленности определяет то, как они решают специфические проблемы, такие как разрушение фоторезиста и коррозия металлов, которые не встречаются в биотехнологических или фармацевтических нормативах. Производителям полупроводников необходимо тщательно соблюдать эти требования, поскольку их невыполнение может привести к серьёзным сбоям в производстве в дальнейшем.
Полупроводниковые чистые помещения, классифицируемые как ISO Class 4, как правило, требуют от 400 до 600 обменов воздуха каждый час. Это примерно в 12 раз больше, чем в стандартных фармацевтических средах. Чтобы поддерживать условия, пригодные для передового производства на уровне менее 5 нм, предприятия используют ULPA-фильтры, улавливающие 99,9995% частиц размером до 0,12 микрон. При работе с затворными оксидами толщиной всего около 10 атомов даже мельчайшие загрязнения имеют большое значение. Представьте: одна прядь человеческих волос может выделять более 600 тысяч микроскопических частиц в зону класса ISO Class 5. Это показывает, почему соблюдение столь строгих стандартов контроля абсолютно критично в производстве полупроводников.
Согласно последним отраслевым исследованиям, 93% передовых фабрик сейчас работают на уровне чистоты ISO Class 5 или выше, что обусловлено требованиями литографии с использованием EUV и технологией 3D NAND-стекинга. Это означает рост внедрения сверхчистых помещений на 40% с 2018 года (FabTech 2023).
Лучшие производственные объекты поддерживают уровень влажности с отклонением всего в половину процента ОВ и могут регулировать температуру с точностью до 0,02 градуса Цельсия с помощью своих сложных систем контроля окружающей среды. Крупный производитель в Азии внедрил ионизированные воздушные завесы, которые поддерживают уровень статического электричества ниже 50 вольт, что помогает избегать мельчайших дефектов при работе с 3 нм чипами. В сочетании с многоступенчатой химической очисткой эти методы обеспечивают концентрацию летучих соединений, выделяемых фоторезистами, значительно ниже одного частицы на миллиард. Это имеет решающее значение для поддержания высокого выхода годных изделий в процессах литографии с экстремальным ультрафиолетовым излучением.
Системы фильтрации, соответствующие стандарту ISO 14644, могут обеспечивать около 600 обменов воздуха в час при использовании фильтров ULPA. Эти фильтры задерживают впечатляющие 99,999% частиц размером более 0,12 микрон, что примерно в 50 раз строже требований, предъявляемых к фармацевтическим помещениям. Рассмотрим исследовательский центр, эксплуатируемый крупным североамериканским производителем. Там была реализована комбинация потолочных решёток HEPA с перфорированными полами, создающими ламинарные потоки воздуха. Такая конструкция поддерживает концентрацию частиц на уровне менее 10 штук на кубический фут во время производства компонентов с нормой 5 нанометров. Для ещё большей чистоты применяются молекулярные адсорбционные слои, удаляющие следовые количества кислот и легирующих примесей из воздуха до концентраций в пределах нескольких частей на миллиард.
Сети датчиков, интегрированные в эти системы, отслеживают более чем 15 различных факторов, включая частицы размером 0,1 микрометра и различные частоты вибрации, с обновлением данных каждые полсекунды. Если параметры выходят за пределы стандарта ISO Class 5, автоматические системы управления активируются и точно корректируют скорость воздушного потока примерно на уровне 0,1 метра в секунду, что значительно превосходит возможности ручной регулировки. Благодаря высокой эффективности всей системы обратной связи, загрязнение приводит всего к потерям в производственных показателях около 0,01 процента, несмотря на то, что через эту систему ежемесячно проходит порядка 150 тысяч пластин.
При работе с полупроводниковыми техпроцессами менее 3 нм фильтры ULPA должны задерживать не менее 99,9995% частиц размером 0,12 мкм и более. В настоящее время многие ведущие производственные предприятия начали внедрять интеллектуальные системы управления воздушным потоком. Эти системы динамически адаптируются в зависимости от размещения оборудования в чистой комнате. Такой подход позволяет сократить зоны застойного воздуха примерно на 40% по сравнению с устаревшими стационарными системами ламинарного потока. Преимущества особенно заметны при процессах литографии с использованием EUV-излучения. Даже мельчайшие частицы размером всего в несколько нанометров могут нарушить формирование тонких схем, поэтому использование таких адаптивных систем фильтрации играет решающую роль в обеспечении качества продукции.
Современные чистые помещения оснащены интеллектуальными системами давления, которые обеспечивают разделение различных зон, одновременно экономя электроэнергию. Недавний отчет издания Semiconductor Engineering за 2023 год выявил интересную информацию о модернизации современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Им удалось сократить потребление энергии примерно на 28 процентов, не нарушая при этом требуемых стандартов ISO Class 5. Как им это удалось? За счёт установки вентиляторов с переменной скоростью и внедрения систем рекуперации тепла по всему объекту. Для отраслей, осуществляющих технологические процессы, чувствительные к температуре, таких как атомарное нанесение слоёв (ALD), подобные улучшения эффективности имеют решающее значение для поддержания качества продукции в ходе производства.
Очистные помещения традиционно потребляют около 30–50 процентов всей энергии, используемой на производственных предприятиях, что ставит производителей в сложное положение при попытке сбалансировать сверхчистые среды и экологические инициативы. В настоящее время умные компании решают эту проблему несколькими способами. Некоторые устанавливают материалы с фазовым переходом, которые помогают поддерживать стабильную температуру без непрерывной работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Другие начали использовать электрофильтры, работающие на возобновляемых источниках энергии, для вторичной очистки воздуха. Многие теперь полагаются на искусственный интеллект для прогнозирования технического обслуживания, что позволяет сократить расход фильтров примерно на двадцать два процента, согласно отраслевым отчётам. Комплексное применение этих подходов приводит к снижению выбросов углекислого газа примерно на пять процентов в год, при этом количество частиц остаётся под контролем — менее половины частицы на кубический фут — в особо чувствительных зонах, где загрязнение недопустимо.
Модульные панели чистых помещений теперь оснащены встроенными датчиками Интернета вещей, что позволяет быстро корректировать зоны контроля загрязнений по мере необходимости — это становится особенно важным, когда оборудование обновляется каждый квартал. Предприятия по производству полупроводников начинают внедрять так называемые «цифровые двойники чистых комнат» для проверки того, как новое оборудование будет вписываться в существующие пространства. Такой подход значительно сокращает сроки валидации: многие объекты сообщают о сокращении времени с примерно 12 недель до приблизительно 18 дней. Подобные гибкие инфраструктурные решения помогают производителям опережать изменения в нормативных требованиях, таких как предстоящий стандарт ISO 14644-1 на 2025 год, который требует строгого контроля наночастиц в контролируемых средах. Подготовка к этим изменениям — это не просто бумажная работа, она напрямую влияет на повседневную деятельность во всей отрасли.
