EN
Ohranjanje tesnega nadzora vlažnosti okoli ±1 % v relativni vlažnosti je ključno v tovarnah za izdelavo polprevodnikov, saj lahko tudi majhne nihanja povzročijo upogibanje silicija ali težave med občutljivim litografskim postopkom. Vzemimo primer objekta TSMC Fab 18, kjer izdelujejo novejše čipe s tehnologijo 3 nm. Sistemi za nadzor kondenzacije delujejo neprestano in vsako uro odstranijo kar 4200 litrov vlage, le da bi ohranili stabilnost pri 45 % relativni vlažnosti. Za boj proti statičnim nabojem, ki bi lahko poškodovali opremo, se po celotnem objektu uporabljajo zračne zavese z ioniziranim zrakom. Ti sistemi zmanjšajo raven statičnega naboja na manj kot 10 voltov, kar je odločilnega pomena pri rokovanju z izjemno občutljivimi ploščami premera 300 mm. In ne smemo pozabiti na večstopenjske kemične čistilnike, ki se spopadajo s plinjenjem fotorezistov. Z zmanjševanjem emisij na manj kot 1 del na milijardo ti čistilniki prispevajo k preprečevanju dragih izgub donosa med operacijami ekstremne ultravijolične (EUV) litografije.
Novi objekt D1X pri Intelu vsebuje približno 1.200 ULPA filtrov, ki ujamejo delce velikosti do 0,12 mikrona z izjemno učinkovitostjo 99,9995 % na vseh območjih čistih sob ISO 3. Uvedli so posebno kaskadno ureditev toku zraka, ki se ponavlja med 500 in 750-krat na uro. To je dejansko petkrat hitreje kot običajno v farmacevtskih čistih sobah, kar pomaga odstraniti moteče amine iz opreme EUV. Po nedavnih raziskavah strokovnjakov za proizvodnjo polprevodnikov ta napredna metoda filtracije zmanjša napake, povezane s particlami, približno za 83 % v primerjavi s starejšimi sistemi, ki se še vedno uporabljajo v industriji.
Napredni polprevodniški obrati namestijo več kot 2.000 brezžičnih senzorjev za neprestano spremljanje ključnih parametrov:
| Parameter | Prag | Merilna frekvenca |
|---|---|---|
| Delci ≥0,1 μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Vsakih 6 sekund |
| Vibracije | <2 μm/s² | Neprekinjen |
| Tlak razlika | +15 Pa najmanj | Vsakih 30 sekund |
Ta telemetrija v realnem času omogoča prilagoditve klimatizacije znotraj 0,8 sekunde po odkritju odstopanj in podpira donosnost nad 98,5 % pri proizvodnji s 5nm vozlišči. Avtomatizirani sistemi reagirajo hitreje kot ročni posegi in ohranjajo stabilnost pri visokem obsegu proizvodnje.
Čiste sobe, uporabljene pri proizvodnji polprevodnikov, sledijo strogi standardom ISO 14644-1 razreda od 4 do 8, kar pomeni, da nadzorujejo zračne delce med približno 352 in 35.200 delci velikosti 0,5 mikrona ali več na kubični meter. Te zahteve so močno odvisne od občutljivosti proizvodnega procesa. V primerjavi s tem, kar vidimo na farmacevtskih objektih, ki delujejo v ISO razredih od 5 do 8, so te specifikacije približno 100-krat zahtevnejše. Kljub temu, da star standard FS 209E ni več uradno v uporabi, še vedno vpliva na načrtovanje opreme, zlasti glede na njegov znameniti razred 100, ki je dovoljeval največ 100 takšnih delcev na kubični čevelj zračnega prostora, kar ustreza ISO razredu 5. Proizvajalci vrhnje lige hranijo svoja najkakovostnejša območja ISO razreda 4 do 5 posebej za kritične procese, kot sta litografija in nanos. Samo en sam majhen delec velikosti 0,3 mikrona bi lahko pokvaril silicijev wafer vreden skoraj 740.000 USD, kar poročajo najnovejša industrijska poročila SEMI iz leta 2023.
Standard SEMI F51 sega dlje od tega, kar običajno zajema ISO, ko gre za nadzor zrakom prenašane molekularne onesnaženosti (AMC). Dejansko omejuje hlapne organske spojine na manj kot en del na milijardo, kar je precej strogo. Na drugem področju SEMI E89 zahteva neprekinjen nadzor delcev v realnem času. Če pride do odstopanja od normalnih ravni za več kot 5 %, se alarmni sistemi samodejno vklopijo. To, kar te standarde še posebej pomembne za proizvodnjo polprevodnikov, je to, da obravnavajo specifične probleme, kot so razgradnja fotorezistov in korozija kovin, s katerimi se pravila za biotehnologijo ali farmacevtsko industrijo sploh ne ukvarjajo. Proizvajalci polprevodnikov morajo tem zahtevam posvetiti posebno pozornost, saj lahko njihovo neupoštevanje vodi do resnih težav v proizvodnji.
Polprevodniške čistilnice, uvrščene v ISO razred 4, običajno potrebujejo med 400 in 600 zamenjav zraka na uro. To je približno 12-krat več kot v standardnih farmacevtskih okoljih. Da bi ti prostori ostali primerni za napredno proizvodnjo pod 5 nm, se zanašajo na ULPA filtre, ki zadržijo 99,9995 % delcev do velikosti 0,12 mikrona. Ko delaš s prevleko vratarne oksida, ki meri le približno 10 atomov debeline, imajo celo najmanjše onesnaženje velik pomen. Zamislite si: en sam las iz človeškega lasišča lahko v ISO razredu 5 sprosti več kot 600 tisoč mikroskopskih delcev. To kaže, zakaj je ohranjanje tako strogih standardov nadzora popolnoma nujno pri izdelavi polprevodnikov.
Najnovejše raziskave v industriji kažejo, da 93 % najnaprednejših polprevodniških tovarn trenutno deluje na ISO razredu 5 ali bolj čisto, kar je posledica zahtev litografije z ekstremnim ultravijolčnim žarkom (EUV) in 3D NAND slojev. To predstavlja 40-odstotkovno povečanje uporabe ultračistih prostorov od leta 2018 (FabTech 2023).
Najboljše proizvodne ustanove ohranjajo ravni vlažnosti znotraj pol odstotka relativne vlažnosti in lahko nadzorujejo temperature do 0,02 stopinj Celzija s pomočjo svojih sofisticiranih sistemov za nadzor okolja. Ena večja pogodbeno proizvajalska družba v Aziji je uvedla ionizirane zračne zavese, ki omejujejo statično elektriko na manj kot 50 voltov, kar pomaga izogniti se majhnim napakam pri izdelavi čipov s tehnologijo 3 nm. Kombinirano z večstopnjskim kemičnim čiščenjem zadržijo te metode hlapne spojine, ki se sproščajo iz fotorezistov, znatno pod eno delco na milijardo. To je zelo pomembno za ohranjanje visoke izkoristka pri postopkih litografije z ekstremnim ultravijolčnim žarkom.
Sistemi filtracije, ki izpolnjujejo standarde ISO 14644, lahko ob uporabi filtra ULPA obravnavajo okoli 600 zamenjav zraka na uro. Ti filtri zadržijo impresivnih 99,999 % delcev večjih od 0,12 mikrona, kar je dejansko približno 50-krat bolj strog standard kot v farmacevtskih okoljih. Oglejte si raziskovalni center, ki ga upravlja večji severnoameriški proizvajalec. Uvedel je kombinacijo rešetk HEPA na stropu in perforiranih tal, ki ustvarjajo laminarne vzorce pretoka zraka. Ta nastavitev ohranja število delcev pod 10 na kubično čevelj med proizvodnjo komponent 5 nanometrov. Za še višjo čistost se uporabljajo adsorpcijska postelja za odstranjevanje sledov kislin in dopantov v zraku do koncentracij na ravni delcev na milijardo.
Senzorska omrežja, vgrajena v te sisteme, spremljajo več kot 15 različnih dejavnikov, vključno s temi majhnimi delci velikosti 0,1 mikrometra in različnimi frekvencami vibracij, pri čemer posodobitve potekajo vsakih pol sekunde. Če se vrednosti znajdejo izven standardov ISO Class 5, samodejna krmiljenja vklopijo in natančno prilagodijo hitrost zračnega toka okoli 0,1 metra na sekundo, kar je bistveno bolje od katerega koli ročnega posega. Celoten povratni zanki deluje tako učinkovito, da onesnaženje povzroči le približno 0,01-odstotno izgubo proizvodnih donosov, kljub temu da skozi ta sistem mesečno potekata približno 150 tisoč ploščic.
Pri delu s polprevodniškimi vozlišči pod 3 nm morajo filtri ULPA zajeti vsaj 99,9995 % delcev, ki so veliki 0,12 mikrona ali več. Mnoge vrhunske proizvodne tovarne so v zadnjem času začele uveljavljati pametne sisteme upravljanja zračnega toka. Ti sistemi se prilagajajo v letu glede na razpored opreme po čisti sobi. Ta pristop zmanjša mrtve cone zraka za približno 40 % v primerjavi s starejšimi fiksnimi laminarnimi sistemi. Prednosti so še posebej očitne pri procesih litografije z EUV žarki. Že najmanjši delci, merjeni le v nekaj nanometrih, lahko motijo občutljive krožne vzorce, ki se ustvarjajo, zato ti prilagodljivi filtracijski sistemi naredijo vso razliko pri ohranjanju kakovosti izdelkov.
Današnje čiste sobe so opremljene z inteligentnimi sistemi tlaka, ki ohranjajo ločene različne cone, hkrati pa prihranijo stroške električne energije. Nedavno poročilo iz leta 2023 od podjetja Semiconductor Engineering je razkrilo nekaj zanimivega o sodobnih nadgradnjah sistemov prezračevanja, ogrevanja in hlajenja (HVAC). Uspele so zmanjšati porabo energije za približno 28 odstotkov, ne da bi pri tem poslabšale zahtevane standarde ISO razreda 5. Kako so to dosegli? Z namestitvijo ventilatorjev s spremenljivo hitrostjo ter dodajanjem mehanizmov za rekuperacijo toplote po celotni napravi. Za industrije, ki opravljajo temperaturno občutljive postopke, kot je nanašanje atomskih plasti (ALD), imajo takšne učinkovitostne izboljšave ključen pomen pri ohranjanju kakovosti izdelkov med proizvodnjo.
Čiste sobe tradicionalno porabijo približno 30 do 50 odstotkov vse energije, uporabljene v proizvodnih obratih, kar postavlja proizvajalce v težko situacijo pri uravnoteženju ultračistih okolij z ekološkimi pobudami. Pametne podjetja danes ta problem rešujejo na več načinov. Nekatera namestijo materiale za fazni prehod, ki pomagajo ohraniti stabilne temperature brez neprestanka delujočih sistemo HVAC. Druga so za sekundarno filtracijo zraka začela uporabljati elektrostatične lovilce, napajane iz obnovljivih virov. Mnogi pa sedaj uporabljajo umetno inteligenco za naloge prediktivnega vzdrževanja, s čimer zmanjšajo porabo filtrov za približno dvanajst odstotkov, kot navajajo industrijska poročila. Kombinacija teh pristopov vsako leto prinese približno pet odstotkov manj emisij ogljikovega dioksida, hkrati pa ohranja število delcev pod nadzorom – manj kot polovico delca na kubično čevelj – v tistih zelo občutljivih conah, kjer onesnaženje popolnoma ni dopustno.
Modularne plošče za čiste sobe so sedaj opremljene z vgrajenimi senzorji IoT, ki omogočajo hitro prilagajanje območij za nadzor kontaminacije kadar koli je to potrebno – kar postane bistveno, ko se orodja posodabljajo vsak trimester. Proizvodne tovarne polprevodnikov začenjajo uveljavljati tako imenovane »digitalne dvojnike čistih sob«, s katerimi testirajo, kako nova oprema bo ustrezala obstoječim prostorom. Ta pristop znatno skrajša obdobja validacije – mnoge objekte poročajo o zmanjšanju s približno 12 tednov na okoli 18 dni. Takšne fleksibilne infrastrukturne nastavitve pomagajo proizvajalcem ostati pred spremembami evoluirajočih predpisov, kot je prihajajoči standard ISO 14644-1 za leto 2025, ki zahteva strogo spremljanje nanodelcev v nadzorovanih okoljih. Priprava na te spremembe ni samo vprašanje papirja – dejansko vpliva na vsakodnevne operacije v celotni industriji.
