EN
Udržiavanie vlhkosti prísne kontrolovanej na úrovni ±1 % RH je kritické v závodoch na výrobu polovodičov, pretože aj malé kolísania môžu spôsobiť skreslenie kremíka alebo problémy počas citlivého procesu litografie. Vezmite si napríklad závod TSMC Fab 18, kde vyrábajú tie najmodernejšie 3nm čipy. Ich systémy kontroly kondenzácie pracujú na plné obrátky a každú hodinu odstraňujú pôsobivých 4 200 litrov vlhkosti len pre udržanie stabilnej relatívnej vlhkosti na úrovni 45 %. Aby sa vyrovnali so statickými nábojmi, ktoré by mohli poškodiť zariadenia, sú vo zariadení používané iónové vzduchové clony. Tieto systémy znížia úroveň elektrostatického náboja pod 10 voltov, čo robí veľký rozdiel pri manipulácii s týmito extrémne citlivými 300mm platňami. A nesmieme zabudnúť ani na viacstupňové chemické odsávače, ktoré eliminujú výpar fotorezistu. Znížením emisií na menej ako 1 časť na miliardu tieto odsávače pomáhajú predchádzať nákladným stratám výrobnosti počas operácií extremskej ultrafialovej (EUV) litografie.
Nové zariadenie D1X od Intelu obsahuje približne 1 200 filtračných zariadení ULPA, ktoré zachytávajú častice veľkosti až 0,12 mikrometra s úžasnou účinnosťou 99,9995 % vo všetkých čistých miestnostiach ISO 3. Boli implementované špeciálne kaskádové usporiadanie prúdenia vzduchu, ktoré sa obnovuje medzi 500 až 750-krát za hodinu. To je v skutočnosti päťkrát rýchlejšie ako bežne vidíme v farmaceutických čistých miestnostiach, čo pomáha eliminovať otravné amínové kontaminanty pochádzajúce z EUV zariadení. Podľa najnovších štúdií odborníkov na výrobu polovodičov tento pokročilý prístup k filtrácii zníži poruchy súvisiace s časticami približne o 83 % v porovnaní so staršími systémami, ktoré sa stále používajú v priemysle.
Pokročilé fabriky nasadzujú viac ako 2 000 bezdrôtových snímačov na nepretržité sledovanie kritických parametrov:
| Parameter | Prah | Meracia frekvencia |
|---|---|---|
| Častice ≥0,1 μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Každé 6 sekundy |
| Vibrácia | <2 μm/s² | Kontinuálne |
| Rozdiel tlaku | +15 Pa minimum | Každých 30 sekúnd |
Táto telemetria v reálnom čase umožňuje úpravy klimatizácie do 0,8 sekundy od odchýlok, čo podporuje výrobné výnosy nad 98,5 % pri výrobe s technológiou 5 nm. Automatizované systémy reagujú rýchlejšie ako zásah človeka a udržiavajú stabilitu pri vysokozdružnej výrobe.
Čisté miestnosti používané pri výrobe polovodičov dodržiavajú prísne normy ISO 14644-1 v triedach od 4 do 8, čo znamená, že kontrolujú množstvo vo vzduchu suspendovaných častíc v rozmedzí približne 352 až 35 200 častíc s veľkosťou 0,5 mikrometra alebo väčších na kubický meter. Tieto požiadavky závisia do značnej miery od citlivosti výrobného procesu. V porovnaní s farmaceutickými zariadeniami pracujúcimi v triedach ISO 5 až 8 sú tieto špecifikácie približne 100-krát náročnejšie. Hoci už nie je oficiálne používaná, stará norma FS 209E stále ovplyvňuje návrh vybavenia, najmä v súvislosti s jej známym hodnotením Triedy 100, ktoré umožňovalo najviac 100 takýchto častíc na kubickú stopu vzduchového priestoru, čo zodpovedá špecifikáciám ISO Triedy 5. Výrobcovia najvyššej úrovne vyhradzujú svoje najkvalitnejšie oblasti ISO Triedy 4 až 5 konkrétne pre kritické procesy, ako je litografia a depozícia. Podľa najnovších správ odvetvia SEMI z roku 2023 by jediná malá častica veľkosti 0,3 mikrometra mohla poškodiť kremíkovú platňu v hodnote takmer 740 000 USD.
Štandard SEMI F51 ide ďaleko za rámec toho, čo bežne pokrýva ISO, pokiaľ ide o kontrolu molekulárneho znečistenia ovzdušia (AMC). Skutočne obmedzuje prítomnosť týchto zlúčenín na menej ako jednu časť na miliardu, čo je dosť prísne. Na inom fronte SEMI E89 vyžaduje nepretržité sledovanie častíc v reálnom čase. Ak dôjde k odchýlke od normálnych hodnôt o viac ako 5 %, alarmové systémy sa automaticky aktivujú. To, čo robí tieto štandardy obzvlášť dôležitými pre výrobu polovodičov, je ich schopnosť riešiť špecifické problémy, ako je rozklad fotorezistu alebo korózia kovov, s ktorými sa v regulačných predpisoch pre biotechnológiu alebo farmaceutický priemysel nestretávame. Výrobcovia polovodičov musia týmto požiadavkám venovať maximálnu pozornosť, pretože ich nedodržanie môže viesť k vážnym komplikáciám vo výrobe.
Polovodičové čisté miestnosti zaradené do ISO triedy 4 zvyčajne vyžadujú medzi 400 a 600 výmen vzduchu každú hodinu. To je približne 12-krát viac ako v bežných farmaceutických prostrediach. Aby boli tieto priestory vhodné pre najmodernejšiu výrobu pod 5 nm, spoliehajú sa prevádzky na filtre ULPA, ktoré zachytia 99,9995 % častíc veľkosti až 0,12 mikrometra. Pri práci s hradlovými oxidmi hrubými približne len asi 10 atómov, majú aj najmenšie nečistoty veľký význam. Zamyslite sa nad týmto: jediný vlákno ľudského vlasu môže uvoľniť do ISO triedy 5 viac ako 600 tisíc mikroskopických častíc. Práve to ilustruje, prečo je tak dôležité dodržiavať tak prísne štandardy kontroly pri výrobe polovodičov.
Najnovšie prieskumy odvetvia ukazujú, že 93 % najmodernejších polovodičových závodov dnes pracuje v čistosti podľa ISO triedy 5 alebo vyššej, čo je spôsobené požiadavkami EUV litografie a 3D NAND vrstvenia. Od roku 2018 došlo k nárastu využívania ultračistých miestností o 40 % (FabTech 2023).
Najlepšie výrobné zariadenia udržiavajú úroveň vlhkosti s presnosťou na pol percenta RH a dokážu regulovať teplotu až na 0,02 stupňa Celsia pomocou svojich sofistikovaných systémov environmentálnej kontroly. Jeden z hlavných polovodičových závodov v Ázii implementoval ionizované vzduchové clony, ktoré udržiavajú úroveň elektrostatického nabitia pod 50 voltmi, čím sa predchádza vzniku drobných chýb pri výrobe čipov s technológiou 3 nm. V kombinácii s viacstupňovým chemickým čistením tieto metódy zabezpečujú, že únik prchavých látok z fotorezistov zostáva ďaleko pod jednou časticou na miliardu. To je mimoriadne dôležité pre udržanie vysokého výrobného výkonu pri procesoch extremskej ultrafialovej litografie.
Filtračné systémy, ktoré spĺňajú normy ISO 14644, dokážu zvládnuť približne 600 výmen vzduchu za hodinu, ak sú vybavené ULPA filtrami. Tieto filtre zachytia úctyhodných 99,999 % častíc väčších ako 0,12 mikrometra, čo je v skutočnosti približne 50-krát prísnejšie ako požiadavky v farmaceutickom prostredí. Pozrite sa na výskumné zariadenie prevádzkované jedným z najväčších severoamerických výrobcov. Implementovali kombináciu HEPA mriežok na strope spolu s perforovanými podlahami, ktoré vytvárajú laminárne vzduchové prúdy. Toto usporiadanie udržiava počet častíc pod hranicou 10 na kubickú stopu počas výroby komponentov s technológiou 5 nanometrov. Pre ešte vyššiu čistotu sa používajú molekulárne adsorpčné ložiská na odstraňovanie stopových množstiev kyselín vo vzduchu a dopantov až na koncentrácie v miliardtinách.
Sieťami snímačov integrovanými do týchto systémov sa sleduje viac ako 15 rôznych faktorov vrátane mikroskopických častíc veľkosti 0,1 mikrometra a rôznych frekvencií vibrácií, pričom aktualizácie prebiehajú každých pol sekundy. Ak hodnoty presiahnu štandardy ISO triedy 5, automatické ovládanie zasiahne a presne upraví rýchlosť prúdenia vzduchu okolo 0,1 metra za sekundu, čo výrazne prevyšuje výkon akéhokoľvek manuálneho zásahu človeka. Spätná väzba funguje tak efektívne, že kontaminácia spôsobuje iba približne 0,01 percenta strát v produkčných výťažkoch, aj napriek tomu, že cez tento systém prejde približne 150-tisíc waferov každý mesiac.
Pri práci s polovodičovými uzlami pod 3 nm musia filtre ULPA zachytiť aspoň 99,9995 % častíc s veľkosťou 0,12 mikrometra alebo väčších. Mnohé najlepšie výrobné závody už dnes začínajú implementovať inteligentné systémy riadenia prúdenia vzduchu. Tieto systémy sa prispôsobujú v reálnom čase na základe rozmiestnenia zariadení po celej čistej miestnosti. Tento prístup zníži vznik miest s nehybným vzduchom približne o 40 % voči starším pevným laminárnym systémom. Výhody sa najviac prejavia pri procesoch EUV litografie. Dokonca aj najmenšie častice niekoľko nanometrov veľké môžu narušiť jemné obvodové vzory, ktoré sa vytvárajú, a preto tieto adaptívne filtračné systémy robia rozhodujúci rozdiel pri udržiavaní kvality výrobkov.
Súčasné čisté miestnosti sú vybavené inteligentnými systémami tlaku, ktoré udržiavajú jednotlivé zóny oddelené a zároveň šetria náklady na energiu. Nedávna správa od spoločnosti Semiconductor Engineering z roku 2023 odhalila zaujímavé informácie o modernizácii systémov HVAC. Podarilo sa im znížiť spotrebu energie približne o 28 percent bez porušenia požiadaviek noriem ISO Class 5. Ako to dokázali? Inštaláciou ventilátorov s premenlivou rýchlosťou a pridaním mechanizmov na rekuperáciu tepla po celom zariadení. Pre priemysel, ktorý sa zaoberá operáciami citlivými na teplotu, ako je napríklad atómová vrstvová depozícia (ALD), majú takéto zlepšenia efektivity rozhodujúci vplyv na udržanie kvality výrobkov počas výroby.
Čisté miestnosti tradične spotrebujú približne 30 až 50 percent celej energie používanej vo výrobných závodoch, čo dostáva výrobcov do ťažkej pozície pri snahe vyvážiť ultračisté prostredia s ekologickými iniciatívami. Mnohé inteligentné spoločnosti riešia tento problém viacerými spôsobmi. Niektoré inštalujú materiály s fázovou zmenou, ktoré pomáhajú udržiavať stabilné teploty bez nepretržitého chodu klimatizačných systémov. Iné začali používať elektrostatické odlučovače napájané z obnoviteľných zdrojov na sekundárne filtračné účely. A mnohé dnes využívajú umelú inteligenciu na prediktívnu údržbu, čím podľa odvetvových správ znížili odpad filtračných materiálov približne o dvanásť percent. Kombinácia týchto prístupov vedie každoročne k približne päťpercentnému zníženiu emisií oxidu uhličitého, a to pri zachovaní počtu častíc pod kontrolou – menej ako polovicu častice na kubickú stopu – v najcitlivejších zónach, kde kontaminácia nie je možná.
Modulárne panely čistých miestností sú teraz vybavené integrovanými IoT snímačmi, ktoré umožňujú rýchlo upraviť oblasti kontroly kontaminácie vždy, keď je to potrebné – čo je nevyhnutné, keď sa zariadenia aktualizujú každý štvrťrok. Výrobné závody polovodičov postupne zavádzajú tzv. „digitálne dvojčatá čistých miestností“ na testovanie, ako sa nové zariadenia zmestia do existujúcich priestorov. Tento prístup výrazne skracuje obdobie validácie – mnohé zariadenia uvádzajú zníženie z približne 12 týždňov na zhruba 18 dní. Takéto flexibilné infraštruktúrne usporiadania pomáhajú výrobcom zostať pred evolúciou predpisov, ako napríklad nadchádzajúci štandard ISO 14644-1 pre rok 2025, ktorý vyžaduje prísne monitorovanie nanočastíc v regulovaných prostrediach. Príprava na tieto zmeny nie je len otázkou dokumentácie – ovplyvňuje to skutočne každodenné prevádzkové procesy v celom odvetví.
