EN
Nem seviyesinin ±%1 RH civarında sıkı bir şekilde kontrol edilmesi, yarı iletken üretim tesislerinde çok önemlidir çünkü en küçük dalgalanmalar bile silikonun bükülmesine veya hassas litografi süreci sırasında sorunlara neden olabilir. TSMC'nin 3 nm çipleri ürettiği Fabrika 18 tesisini ele alalım. Nem seviyelerini %45 göreli nemde sabit tutabilmek için bu tesisteki yoğuşma kontrol sistemleri saatte tek başına etkileyici bir şekilde 4.200 litre nem çekerek aşırı kapasiteyle çalışmaktadır. Ekipmanlara zarar verebilecek statik yüklerle başa çıkmak için tesis boyunca iyonize hava perdeleri kullanılmaktadır. Bu sistemler, son derece hassas olan 300 mm'lik wafer'lar işlenirken statik seviyeleri 10 volttan daha düşük seviyelere indirerek büyük fark yaratmaktadır. Ayrıca, fotorezistin gaz salınımını gideren çok kademeli kimyasal scrubber sistemlerini de unutmamak gerekir. Aşırı ultraviyole (EUV) litografi işlemlerinde maliyetli verim kayıplarını önlemeye yardımcı olmak için bu scrubber'lar emisyonları milyarda 1'den daha düşük seviyelere indirmektedir.
Intel'in yeni D1X tesisi, ISO 3 temiz oda alanlarında saatte 500 ila 750 kez döngüye giren ve 0,12 mikron boyutundaki partikülleri %99,9995 verimlilikle yakalayan yaklaşık 1.200 ULPA filtreye sahiptir. EUV ekipmanlarından kaynaklanan sinir bozucu amin kirleticilerin uzaklaştırılmasına yardımcı olan bu sistem, genellikle ilaç sanayisinde görülen temiz odalardakinden beş kat daha hızlıdır. Yarı iletken üretimi uzmanlarının son çalışmalarına göre, bu gelişmiş filtreleme yaklaşımı, sektörde hâlâ kullanılan eski sistemlere kıyasla partikül kaynaklı kusurları yaklaşık olarak %83 oranında azaltmaktadır.
Gelişmiş fabrikalar, kritik parametreleri sürekli olarak izlemek üzere 2.000'den fazla kablosuz sensör kullanmaktadır:
| Parametre | Eşik | Ölçüm sıklığı |
|---|---|---|
| Partiküller ≥0,1μm | <0,5/cm³ (ISO 3) | 6 saniyede bir |
| Titreme | <2 μm/s² | Sürekli |
| Basınç farkı | +15 Pa minimum | 30 saniyede bir |
Bu gerçek zamanlı telemetri, sapmaların 0,8 saniye içinde IKL ayarlamalarına olanak tanır ve 5 nm düğüm üretiminde %98,5'in üzerinde verim oranlarını destekler. Otomatik sistemler, manuel müdahaleden daha hızlı tepki verir ve yüksek hacimli işlemler boyunca istikrarı korur.
Yarı iletken üretiminde kullanılan temiz odalar, metreküp hava başına 0,5 mikron veya daha büyük boyutta yaklaşık 352 ile 35.200 arasında hava partikülü bulunmasını kontrol eden Class 4 ila 8 arası katı ISO 14644-1 standartlarına uyar. Bu gereksinimler, üretim sürecinin ne kadar hassas olduğuna büyük ölçüde bağlıdır. ISO Sınıf 5'ten 8'e kadar çalışan ilaç tesislerinde gördüğümüz koşullarla karşılaştırıldığında, bu özellikler yaklaşık olarak 100 kat daha zordur. Ekipmanın özellikle hava hacmi başına en fazla 100 partiküle izin veren ve ISO Sınıf 5 spesifikasyonlarına denk gelen meşhur Class 100 derecelendirmesi açısından nasıl tasarlandığını hâlâ etkileyen eski FS 209E standardı artık resmen kullanılmıyor olsa da. En üst düzey üreticiler, litografi ve biriktirme işlemleri gibi kritik süreçler için özellikle en yüksek kaliteli ISO Sınıf 4 ila 5 alanlarını ayırır. SEMI'nin 2023 yılı sektör raporlarına göre, etrafta dolaşan sadece 0,3 mikron büyüklüğündeki tek bir küçük partikül, neredeyse 740.000 ABD dolarına mal olan bir silikon wafere zarar verebilir.
SEMI F51 standardı, havadaki moleküler kirliliği (AMC) kontrol konusunda ISO'nun genellikle kapsadığından daha ileri gider. Uçucu organik bileşikleri bir milyarda birin altına sınırlar ki bu oldukça katıdır. Bir başka alanda ise, SEMI E89 gerçek zamanlı olarak partiküllerin sürekli izlenmesini zorunlu kılar. Normal seviyelerden %5'ten fazla sapma olması durumunda alarm sistemleri otomatik olarak devreye girer. Bu standartların yarı iletkenler için özellikle önemli olmasının nedeni, biyoteknoloji ya da ilaç sektörü yönetmeliklerinde yer almayan fotorezist bozulması ve metal korozyonu gibi özel sorunlara doğrudan ele alınarak yaklaşmalarıdır. Yarı iletken üreticilerinin bu gerekliliklere dikkat etmeleri gerekir çünkü bunlara uymamak ileride ciddi üretim aksaklıklarına yol açabilir.
ISO Sınıf 4'e göre sınıflandırılan yarı iletken temiz odaları, saatte 400 ile 600 arasında hava değişimine ihtiyaç duyar. Bu, standart ilaç ortamlarında gördüğümüzün yaklaşık 12 katıdır. Bu alanları 5 nm'nin altındaki son teknoloji üretim için uygun tutabilmek amacıyla tesisler, 0,12 mikrona kadar olan partiküllerin %99,9995'ini yakalayan ULPA filtrelerine güvenir. Sadece yaklaşık 10 atom kalınlığında olan kapı oksitleriyle çalışırken bile küçük safsızlıklar büyük önem taşır. Şunu düşünün: bir insan saçının tek bir teli, ISO Sınıf 5 alanına 600 binden fazla mikroskobik parçacık salabilir. Bu, yarı iletken üretimi sırasında bu kadar katı kontrol standartlarının neden mutlaka korunmasının gerektiğini açıkça gösterir.
Son sektör anketleri, EUV litografi ve 3D NAND istiflemenin gereksinimleri doğrultusunda günümüzdeki en gelişmiş fabrikaların %93'ünün ISO Sınıf 5 veya daha temiz ortamlarda çalıştığını göstermektedir. Bu durum, 2018'den bu yana (FabTech 2023) ultra temiz oda benimsenmesinde %40'lık bir artışa işaret etmektedir.
En iyi üretim tesisleri, gelişmiş çevre kontrol sistemleri sayesinde nem seviyelerini yalnızca yüzde yarım RH içinde tutabilir ve sıcaklığı 0,02 santigrat dereceye kadar hassas şekilde kontrol edebilir. Asya'daki büyük bir fabrika, 3nm çipler üzerinde çalışılırken minik hataları önlemeye yardımcı olan, statik elektriği 50 volttan düşük tutan iyonize hava perdeleri uygulamıştır. Fotopolimerlerden salınan uçucu bileşiklerin düzeyinin parts per billion (milyarda bir) değerinin çok altında kalmasını sağlamak için kimyasal temizlemenin birkaç aşamasıyla birlikte bu yöntemler bir araya getirilmiştir. Bu durum, son derece yüksek dalga boylu litografi süreçlerinde verimliliği korumak açısından gerçekten önemlidir.
ISO 14644 standartlarını karşılayan filtreleme sistemleri, ULPA filtrelerle donatıldığında saatte yaklaşık 600 hava değişimi sağlayabilir. Bu filtreler, 0,12 mikrondan büyük partiküllerin etkileyici bir şekilde %99,999'unu tutar ve bu değer aslında ilaç sektöründe aranan gereksinimlerden yaklaşık 50 kat daha katıdır. Kuzey Amerika'daki büyük bir üreticinin işlettiği bir araştırma tesisine bakalım. 5 nanometre bileşenlerin üretim sırasında kübik ayaktaki partikül sayısını 10'un altına düşüren, HEPA tavan ızgaralarıyla delikli zeminlerin birleşiminden oluşan laminar hava akımı desenleri uygulamışlar. Daha yüksek saflık için, hava içindeki asitlerin ve katkı maddelerinin iz miktarlarını milyarda bir seviyelere kadar uzaklaştırmak amacıyla moleküler adsorpsiyon yatakları kullanılmaktadır.
Bu sistemlere entegre edilmiş sensör ağları, 0,1 mikrometrelik parçacıklar ve çeşitli titreşim frekansları da dahil olmak üzere 15'ten fazla farklı faktörü her yarım saniyede bir güncellenerek izler. ISO Sınıf 5 standartlarının dışına çıkıldığında, otomatik kontrol sistemi hava akış hızını kişi eliyle yapabileceğinden çok daha doğru bir şekilde saniyede yaklaşık 0,1 metre civarında ayarlar. Geri bildirim döngüsü o kadar etkilidir ki, bu sistemde aylık yaklaşık 150 bin adet wafer işlenmesine rağmen kontaminasyon üretimin yalnızca yaklaşık %0,01'lik bir verim kaybına neden olur.
3nm'den küçük yarı iletken düğümleriyle çalışırken, ULPA filtrelerin 0,12 mikron veya daha büyük boyuttaki partiküllerin en az %99,9995'ini tutması gerekir. Günümüzde birçok üst düzey üretim tesisi, temiz odadaki ekipmanların yerleşimine göre anında ayarlamalar yapan akıllı hava akışı yönetim sistemlerini uygulamaya başlamıştır. Bu yaklaşım, eski sabit laminar akış düzeneklerine kıyasla ölü hava bölgelerini yaklaşık %40 oranında azaltır. Bu fayda özellikle EUV litografi süreçlerinde çok belirgin hale gelir. Sadece birkaç nanometre büyüklüğündeki minik parçacıklar bile oluşturulan hassas devre desenlerini bozabilir; bu nedenle ürün kalitesini korumak açısından bu uyarlanabilir filtrasyon sistemleri büyük fark yaratır.
Günümüzün temiz odaları, farklı alanları birbirinden ayırt ederken aynı zamanda enerji maliyetlerinden tasarruf etmeyi sağlayan akıllı basınç sistemleriyle donatılmıştır. 2023 yılında Semiconductor Engineering tarafından yayımlanan son bir rapor, modern iklimlendirme (HVAC) yükseltmeleri hakkında ilginç bir bulgu ortaya koymuştur. Gerekli ISO Sınıf 5 standartlarını bozmadan enerji kullanımını yaklaşık %28 oranında azaltmayı başarmışlardır. Bunu nasıl yapmışlar? Tesis boyunca değişken hızlı fanlar kurarak ve ısı geri kazanım mekanizmaları ekleyerek. Atomik tabaka biriktirme (ALD) gibi sıcaklık duyarlı işlemlerle uğraşan endüstriler için bu tür verimlilik kazançları, üretim sırasında ürün kalitesini korumada büyük fark yaratmaktadır.
Temiz odalar geleneksel olarak üretim tesislerinde kullanılan tüm enerjinin yaklaşık %30 ila %50'sini tüketir ve bu da üreticileri ultra temiz ortamlar ile yeşil girişimler arasında denge kurmaya zorlar. Akıllı şirketler şu günlerde bu soruna birkaç farklı şekilde çözüm buluyor. Bazıları HVAC sistemlerini sürekli çalıştırmadan sıcaklıkları sabit tutmaya yardımcı olan faz değişimli malzemeler kuruyor. Diğerleri ikincil hava filtreleme ihtiyaçları için yenilenebilir kaynaklarla çalışan elektrostatik çökelticiler kullanmaya başladı. Birçok şirket artık tahmini bakım görevleri için yapay zekâya güveniyor ve sektör raporlarına göre boşa harcanan filtreleri yaklaşık yüzde yirmi iki oranında azaltıyor. Bu yaklaşımlar bir araya getirildiğinde, özellikle kirlenmenin kesinlikle kabul edilemediği hassas bölgelerde partikül sayısını her ayak küp için yarım partikülden daha düşük tutarken, yılda yaklaşık yüzde beş oranında daha az karbon emisyonu elde ediliyor.
Modüler temiz oda panelleri artık, herhangi bir anda kirlilik kontrol alanlarının hızlıca ayarlanmasını sağlayan entegre IoT sensörleriyle donatılmış durumda; bu özellik çeyreklik aralıklarla araçların güncellendiği durumlarda hayati hale geliyor. Yarı iletken üretim tesisleri, yeni ekipmanların mevcut alanlara nasıl oturacağını test etmek amacıyla "dijital ikiz temiz odalar" olarak adlandırılan yapıları uygulamaya başlıyorlar. Bu yaklaşım, doğrulama sürelerini büyük ölçüde kısaltıyor ve birçok tesis, doğrulama süresinin yaklaşık 12 haftadan yaklaşık 18 güne düştüğünü bildiriyor. Bu tür esnek altyapı düzenlemeleri, kontrollü ortamlarda nanopartiküllerin sıkı şekilde izlenmesini gerektiren 2025 yılında yürürlüğe girmesi planlanan ISO 14644-1 standardı gibi değişen yönetmeliklere karşı üreticilerin önünde kalmasına yardımcı oluyor. Bu değişikliklere hazırlanmak yalnızca kağıt üzerinde bir işlem değil; aslında sektör genelindeki günlük operasyonlara doğrudan etki ediyor.
