EN
Att hålla fuktigheten noga reglerad inom ±1 % rF är kritiskt i halvledarfabriker, eftersom även små svängningar kan orsaka vridning av silicium eller problem under den känsliga litografiprocessen. Ta till exempel TSMCs Fab 18-anläggning där de tillverkar de avancerade 3 nm-chippen. Deras kondenskontrollsystem arbetar hårt och plockar bort en imponerande mängd på 4 200 liter fukt varje enda timme, bara för att hålla nivån stabil vid 45 % relativ fuktighet. För att hantera statiska laddningar som kan skada utrustning används joniserade luftskärmar genom hela anläggningen. Dessa system minskar statiska nivåer till under 10 volt, vilket gör stor skillnad när man hanterar de extremt känsliga 300 mm-waferna. Och inte minst de flerstegs kemiska rengöringssystemen som hanterar avgasning från fotolack. Genom att minska utsläppen till mindre än 1 del per miljard hjälper dessa rengöringssystem att förhindra kostsamma förluster av avkastning under operationer med extrem ultraviolett (EUV) litografi.
Den nya D1X-anläggningen hos Intel är utrustad med cirka 1 200 ULPA-filter som fångar partiklar så små som 0,12 mikrometer med en imponerande effektivitet på 99,9995 % i samtliga ISO 3-renrum. De har implementerat en särskild kaskadluftflödeskonfiguration som cirkulerar mellan 500 och 750 gånger per timme. Det är faktiskt fem gånger snabbare än vad man vanligtvis ser i farmaceutiska renrum, vilket hjälper till att eliminera de irriterande aminföroreningarna från EUV-utrustningen. Enligt nyliga studier från experter inom halvledartillverkning minskar denna avancerade filtreringsmetod partikelrelaterade defekter med ungefär 83 % jämfört med äldre system som fortfarande används i branschen idag.
Avancerade tillverkningsanläggningar använder över 2 000 trådlösa sensorer för att kontinuerligt övervaka kritiska parametrar:
| Parameter | Tröskel | Mätfrekvens |
|---|---|---|
| Partiklar ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | Varannan sekund |
| Vibration | <2 μm/s² | Kontinuerlig |
| Tryckdifferens | +15 Pa minimum | Var 30:e sekund |
Denna realtids-telemetri möjliggör justeringar av HVAC inom 0,8 sekunder efter avvikelser, vilket stödjer produktionsutbyten över 98,5 % i 5 nm-nodeproduktion. Automatiserade system svarar snabbare än manuella ingrepp och upprätthåller stabilitet i högvolymproduktion.
Rengörade rum som används för tillverkning av halvledare följer stränga ISO 14644-1-standarder från klass 4 till 8, vilket innebär att de kontrollerar luftburna partiklar mellan cirka 352 och 35 200 partiklar som mäter 0,5 mikrometer eller större per kubikmeter. Dessa krav beror i hög grad på hur känslig produktionsprocessen är. Jämfört med vad vi ser i farmaceutiska anläggningar som arbetar på ISO-klasser 5 till 8 är dessa specifikationer ungefär 100 gånger mer krävande. Även om den inte längre används officiellt, formar den gamla FS 209E-standarden fortfarande hur utrustning designas, särskilt gällande dess berömda klass 100-nivå som tillät högst 100 sådana partiklar per kubikfot luft, vilket motsvarar ISO-klass 5-specifikationer. Toppnivåtillverkare spar sina högsta kvalitetsområden enligt ISO-klass 4 till 5 specifikt till kritiska processer som litografi och avsättningsarbete. En enda liten partikel så liten som 0,3 mikrometer kan förstöra en siliciumwafer värd nästan 740 000 USD enligt senaste branschrapporter från SEMI år 2023.
SEMI F51-standarden går längre än vad ISO vanligtvis täcker när det gäller kontroll av luftburna molekylära föroreningar (AMC). Den begränsar faktiskt flyktiga organiska föreningar till under en del per miljard, vilket är ganska strängt. I ett annat hänseende kräver SEMI E89 kontinuerlig övervakning av partiklar i realtid. Om avvikelsen från normala nivåer överstiger 5 % aktiveras larm automatiskt. Vad som gör dessa standarder särskilt viktiga för halvledare är hur de hanterar specifika problem som nedbrytning av fotolacker och metallkorrosion – problem som helt enkelt inte uppstår inom bioteknologi eller läkemedelsregleringar. Halvledartillverkare måste därför vara uppmärksamma på dessa krav, eftersom att inte följa dem kan leda till allvarliga produktionsproblem längre fram.
Halvledarrenrum klassificerade som ISO-klass 4 kräver vanligtvis mellan 400 och 600 luftväxlingar per timme. Det är ungefär 12 gånger mer än vad vi ser i standard farmaceutiska miljöer. För att hålla dessa utrymmen lämpliga för avancerad tillverkning under 5 nm förlitar sig anläggningarna på ULPA-filter som fångar upp 99,9995 % av partiklar ner till 0,12 mikrometer. När man arbetar med gate-oxider som endast är cirka 10 atomer tjocka spelar även minsta förorening stor roll. Tänk på att en enda hårstrå kan släppa ut över 600 tusen mikroskopiska partiklar i ett ISO-klass-5-utrymme. Detta visar varför så strikta kontrollstandarder är absolut nödvändiga inom halvledartillverkning.
Nyliga branschundersökningar visar att 93 % av de mest moderna tillverkningsanläggningarna (fabs) nu arbetar på ISO-klass 5 eller renare, driven av kraven från EUV-litografi och 3D NAND-stapling. Detta representerar en ökning med 40 % i antalet anläggningar med ultrarenrum sedan 2018 (FabTech 2023).
De bästa tillverkningsanläggningarna håller fuktnivåer inom endast en halv procentenhet RF och kan styra temperaturen ner till 0,02 grader Celsius med sina sofistikerade miljökontrollsystem. En stor tillverkare i Asien har infört joniserade luftskenor som håller den statiska elektriciteten under 50 volt, vilket hjälper till att undvika små defekter vid arbete med 3 nm-chip. När dessa metoder kombineras med flerstegskemisk rengöring säkerställs att alla flyktiga föreningar som frigörs från fotolacker hålls väl under en del per miljard. Detta är mycket viktigt för att upprätthålla goda utbyte i processer med extremt ultraviolett litografi.
Filtreringssystem som uppfyller ISO 14644-standarder kan hantera cirka 600 omgångar av luftbyte per timme när de är utrustade med ULPA-filter. Dessa filter fångar upp till 99,999 % av partiklar större än 0,12 mikrometer, vilket faktiskt är ungefär 50 gånger strängare än vad som krävs inom läkemedelsindustrin. Ta en titt på ett forskningscenter som drivs av en större nordamerikansk tillverkare. De har implementerat en kombination av HEPA-taknät tillsammans med perforerade golv som skapar laminära luftflödesmönster. Denna konstruktion håller partikelantalet under 10 per kubikfot under tillverkningen av 5 nanometers komponenter. För ännu högre renhet används molekylära adsorptionsbäddar för att ta bort spår av luftburna syror och dopmedel ner till koncentrationer på delar per miljard.
Sensornätverk integrerade i dessa system övervakar över 15 olika faktorer, inklusive de små partiklarna på 0,1 mikrometer och olika vibrationsfrekvenser, med uppdateringar varannan sekund. Om värdena överskrider ISO-klass 5-standarderna aktiveras automatiska kontroller som justerar luftflödeshastigheten mycket exakt till cirka 0,1 meter per sekund, vilket är långt bättre än vad någon människa skulle kunna åstadkomma manuellt. Hela återkopplingssystemet fungerar så bra att föroreningar endast orsakar en produktionsförlust på ungefär 0,01 procent, trots att man hanterar cirka 150 000 skivor varje månad genom detta system.
När man arbetar med halvledarknopp under 3 nm måste ULPA-filter fånga minst 99,9995 % av partiklar som är 0,12 mikrometer eller större. Många av de främsta tillverkningsanläggningarna har börjat implementera smarta luftflödessystem dessa dagar. Dessa system justerar sig i realtid beroende på hur utrustningen är uppställd i renrummet. Den här metoden minskar döda luftfickor med cirka 40 % jämfört med äldre fasta laminära flödeskonfigurationer. Fördelarna blir särskilt tydliga vid EUV-litografiprocesser. Även minsta partiklar, bara några nanometer stora, kan störa de fina kretsmönster som skapas, så att ha dessa anpassningsbara filtrationssystem gör hela skillnaden när det gäller att bibehålla produktkvaliteten.
Dagens renrum är utrustade med intelligenta trycksystem som håller olika områden åtskilda samtidigt som de sparar på elkostnader. En rapport från Semiconductor Engineering från 2023 avslöjade något intressant angående moderna HVAC-uppgraderingar. De lyckades minska energiförbrukningen med cirka 28 procent utan att påverka de krävda ISO-klass 5-standarderna. Hur gjorde de det? Genom att installera fläktar med varvtalsstyrning och lägga till värmeåtervinningssystem i hela anläggningen. För industrier som hanterar temperaturkänsliga processer såsom atomlagersdeponering (ALD) innebär denna typ av effektivitetsvinster en avgörande skillnad för att upprätthålla produktkvalitet under tillverkningen.
Rengöring av rum förbrukar traditionellt ungefär 30 till 50 procent av all energi som används i tillverkningsanläggningar, vilket placerar tillverkare i en svår situation när de försöker balansera ultrarenliga miljöer med grön omställning. Idag angriper smarta företag detta problem på flera sätt. Vissa installerar fasändringsmaterial som hjälper till att hålla temperaturerna stabila utan att köra klimatanläggningar oavbrutet. Andra har börjat använda elektrostatiska avgasreningssystem, drivna av förnybara energikällor, för sekundär luftfiltrering. Och många förlitar sig nu på artificiell intelligens för prediktiv underhållshantering, vilket minskar slöseri med filter med cirka tjugotvå procent enligt branschrapporter. Genom att kombinera dessa metoder uppnås ungefär fem procent lägre koldioxidutsläpp varje år, samtidigt som partikelhalten hålls under kontroll vid mindre än hälften av en partikel per kubikfot i de särskilt känsliga zonerna där föroreningar inte kan accepteras.
De modulära renrumsplattorna levereras nu med inbyggda IoT-sensorer som gör det möjligt att snabbt justera föroreningskontrollerade områden när det behövs – något som blir väsentligt när verktyg uppdateras varje kvartal. Halvledarfabriker börjar implementera det som kallas "digitala tvillingar för renrum" för att testa hur ny utrustning kommer att passa in i befintliga utrymmen. Den här metoden minskar valideringsperioder avsevärt – många anläggningar rapporterar att de gått från cirka 12 veckor till ungefär 18 dagar istället. Sådana flexibla infrastrukturuppsättningar hjälper tillverkare att hålla jämna steg med utvecklade regler, som den kommande ISO 14644-1-standarden från 2025, vilken kräver strikt övervakning av nanopartiklar i kontrollerade miljöer. Att förbereda sig för dessa förändringar handlar inte bara om pappersarbete – det påverkar faktiskt dagliga operationer inom hela branschen.
