EN
Підтримання вологості на рівні ±1% відносної вологості є критично важливим у підприємствах з виробництва напівпровідників, оскільки навіть незначні коливання можуть призводити до деформації кремнію або виникнення проблем під час деликатного процесу літографії. Візьмемо, наприклад, виробничий комплекс TSMC Fab 18, де виготовляють передові чіпи за технологією 3 нм. Системи контролю конденсації працюють інтенсивно, видаляючи вражаючі 4200 літрів вологи щогодини лише для того, щоб підтримувати стабільний рівень вологості на позначці 45%. Щоб протидіяти статичним зарядам, які можуть пошкодити обладнання, на всій території підприємства використовуються іонізовані повітряні завіси. Ці системи знижують рівень статичної електрики до менш ніж 10 вольт, що має велике значення під час роботи з надчутливими пластинами діаметром 300 мм. І не варто забувати про багатоступеневі хімічні скрубери, призначені для знешкодження виділень фотополімеру. Знижуючи викиди до менш ніж 1 частка на мільярд, ці скрубери допомагають запобігти дороговажним втратам виходу продукції під час операцій екстремальної ультрафіолетової (EUV) літографії.
Новий об'єкт D1X компанії Intel оснащений близько 1200 фільтрами ULPA, які затримують частинки розміром до 0,12 мкм з вражаючим коефіцієнтом ефективності 99,9995% у всіх чистих кімнатах класу ISO 3. Там реалізовано спеціальну каскадну систему потоку повітря, яка забезпечує циркуляцію від 500 до 750 разів на годину. Це насправді в п'ять разів швидше, ніж у типових фармацевтичних чистих кімнатах, що допомагає позбутися неприємних домішок амінів, які виділяються обладнанням EUV. Згідно з останніми дослідженнями експертів з виробництва напівпровідників, такий передовий підхід до фільтрації зменшує кількість дефектів, пов’язаних із частинками, приблизно на 83% порівняно зі старішими системами, які досі використовуються в галузі.
Сучасні напівпровідникові фабрики використовують понад 2000 бездротових сенсорів для постійного контролю ключових параметрів:
| Параметр | Поріг | Частота вимірювання |
|---|---|---|
| Частинки ≥0,1 мкм | <0,5/см³ (ISO 3) | Кожні 6 секунд |
| Вibrація | <2 мкм/с² | Безперервний |
| Різниця тиску | +15 Па мінімум | Кожні 30 секунд |
Ця телеметрія в реальному часі дозволяє коригувати системи кондиціонування протягом 0,8 секунди після виявлення відхилень, забезпечуючи рівень виходу придатної продукції понад 98,5% при виробництві за техпроцесом 5 нм. Автоматизовані системи реагують швидше, ніж ручне втручання, підтримуючи стабільність у масштабних операціях.
Чисті кімнати, що використовуються для виробництва напівпровідників, дотримуються суворих стандартів ISO 14644-1 класів від 4 до 8, що означає контроль кількості завислих у повітрі частинок у діапазоні приблизно від 352 до 35 200 частинок розміром 0,5 мкм або більше на кубометр. Ці вимоги значною мірою залежать від чутливості виробничого процесу. Порівняно з фармацевтичними об’єктами, які працюють у класах ISO 5–8, ці специфікації приблизно в 100 разів жорсткіші. Навіть попри те, що старий стандарт FS 209E більше не використовується офіційно, саме він досі впливає на проектування обладнання, особливо щодо його відомого рейтингу Клас 100, який передбачав не більше ніж 100 таких частинок на кубічний фут повітряного простору, що відповідає специфікаціям ISO Клас 5. Виробники найвищого рівня виділяють свої найякісніші зони класів ISO 4–5 спеціально для критичних процесів, таких як літографія та операції осадження. За даними звіту організації SEMI за 2023 рік, лише одна крихітна частинка розміром 0,3 мкм може зіпсувати кремнієву пластику, вартість якої наближається до 740 000 доларів США.
Стандарт SEMI F51 виходить за межі того, що зазвичай охоплює ISO, коли йдеться про контроль молекулярного забруднення повітря (AMC). Він фактично обмежує рівень летких органічних сполук менше ніж одним частиною на мільярд, що є досить суворим. З іншого боку, SEMI E89 передбачає безперервний моніторинг частинок у реальному часі. Якщо відхилення від нормальних рівнів перевищує 5%, автоматично спрацьовують системи сигналізації. Особливу важливість цих стандартів для виробництва напівпровідників полягає в тому, що вони вирішують специфічні проблеми, такі як руйнування фоточутливих матеріалів і корозія металів, які не виникають у біотехнологічних чи фармацевтичних нормах. Виробникам напівпровідників необхідно уважно стежити за виконанням цих вимог, оскільки їх невиконання може призвести до серйозних перебоїв у виробництві в майбутньому.
Підприємства з виробництва напівпровідників, які мають чисті кімнати класу ISO 4, зазвичай потребують від 400 до 600 повних обмінів повітря щогодини. Це приблизно в 12 разів більше, ніж у типових фармацевтичних середовищах. Щоб підтримувати ці приміщення придатними для передового виробництва за нормами менше 5 нм, підприємства використовують ULPA-фільтри, які затримують 99,9995% частинок розміром до 0,12 мікронів. Працюючи з оксидами затвору товщиною лише близько 10 атомів, навіть найдрібніші забруднювачі мають велике значення. Задумайтесь: один волосся людини може виділити понад 600 тисяч мікроскопічних частинок у зону класу ISO 5. Це пояснює, чому дотримання таких суворих стандартів контролю є абсолютно критичним у виробництві напівпровідників.
Останні дослідження галузі показують, що 93% сучасних підприємств з виробництва напівпровідників тепер працюють на рівні ISO класу 5 або вище, що зумовлено вимогами EUV-літографії та тривимірної компонування NAND. Це свідчить про 40% зростання впровадження ультрачистих приміщень з 2018 року (FabTech 2023).
Найкращі виробничі об'єкти підтримують рівень вологості всього лише в межах пів відсотка відносної вологості та можуть контролювати температуру з точністю до 0,02 градуса Цельсія завдяки своїм складним системам клімат-контролю. Один із великих майданчиків в Азії впровадив іонізовані повітряні завіси, які утримують рівень статичної електрики нижче 50 вольт, що допомагає уникнути мікродефектів під час роботи з 3-нм чіпами. У поєднанні з багатоступеневим хімічним очищенням ці методи забезпечують, що будь-які леткі сполуки, що виділяються фотополімерами, залишаються значно нижче одного частинки на мільярд. Це має важливе значення для підтримання високого виходу придатної продукції в процесах літографії в екстремальному ультрафіолеті.
Системи фільтрації, що відповідають стандартам ISO 14644, можуть забезпечувати близько 600 повних обмінів повітря на годину при використанні фільтрів ULPA. Ці фільтри затримують вражаючі 99,999% частинок розміром понад 0,12 мікронів, що насправді приблизно в 50 разів суворіше, ніж вимоги до фармацевтичних установ. Розгляньте науково-дослідний центр, який належить великому північноамериканському виробнику. Там реалізовано поєднання стельових решіток HEPA з перфорованими підлогами, що створюють ламінарні потоки повітря. Така конструкція підтримує кількість частинок на рівні менше 10 на кубічний фут під час виробництва компонентів 5 нм. Для ще вищого ступеня чистоти використовуються молекулярні адсорбційні шари, щоб видалити слідові кількості повітряних кислот і легуючих домішок до концентрацій у частинках на мільярд.
Мережі сенсорів, інтегровані в ці системи, відстежують понад 15 різних факторів, включаючи частинки розміром 0,1 мікрометра та різні частоти вібрацій, оновлення даних відбувається кожні пів секунди. Якщо параметри перевищують стандарти ISO класу 5, автоматичні системи керування активуються, точно регулюючи швидкість повітряного потоку навколо 0,1 метра на секунду, що значно перевершує можливості будь-якої людини при ручному регулюванні. Увесь контур зворотного зв’язку працює настільки ефективно, що забруднення призводить лише до втрат у виробництві близько 0,01 відсотка, навіть попри те, що через цю систему щомісяця проходить близько 150 тисяч пластин.
При роботі з напівпровідниковими технологічними процесами менш ніж 3 нм фільтри ULPA повинні затримувати принаймні 99,9995% частинок розміром 0,12 мкм або більше. Багато провідних виробничих підприємств у цей час почали впроваджувати розумні системи управління потоком повітря. Ці системи динамічно адаптуються залежно від розташування обладнання в чистій кімнаті. Такий підхід зменшує зони застою повітря приблизно на 40% порівняно зі старими стаціонарними системами ламінарного потоку. Переваги особливо помітні під час процесів літографії з використанням EUV-випромінювання. Навіть найдрібніші частинки розміром лише в кілька нанометрів можуть порушити формування тонких схем, тому наявність таких адаптивних систем фільтрації має вирішальне значення для забезпечення якості продукції.
Сучасні чисті кімнати оснащені інтелектуальними системами тиску, які забезпечують розділення різних зон і при цьому економлять електроенергію. Згідно з нещодавнім звітом видання Semiconductor Engineering за 2023 рік, модернізація сучасних систем вентиляції, опалення та кондиціонування повітря дозволила скоротити споживання енергії приблизно на 28 відсотків, не порушуючи при цьому необхідних стандартів ISO Class 5. Як їм це вдалося? Шляхом встановлення вентиляторів зі змінною швидкістю та додаванням механізмів утилізації тепла по всьому об'єкту. Для галузей, що займаються технологічними процесами, чутливими до температури, такими як атомно-шарове осадження (ALD), такі покращення ефективності мають вирішальне значення для підтримання якості продукції під час виробництва.
Чисті кімнати традиційно споживають близько 30–50 відсотків усієї енергії, що використовується на виробничих підприємствах, що ставить виробників у складне становище через необхідність поєднувати ультрачисте середовище з ініціативами збереження довкілля. У даний час розумні компанії вирішують цю проблему кількома способами. Деякі встановлюють матеріали з фазовим переходом, які допомагають підтримувати стабільну температуру без постійного використання систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Інші почали використовувати електростатичні осаджувачі, що працюють від відновлюваних джерел енергії, для вторинного очищення повітря. Багато компаній тепер покладаються на штучний інтелект для передбачуваного технічного обслуговування, що скорочує витрати фільтрів приблизно на двадцять два відсотки, згідно з галузевими звітами. Поєднання цих підходів дає щороку приблизно на п'ять відсотків менше викидів вуглекислого газу, одночасно підтримуючи кількість частинок на контролюваному рівні — менше половини частинки на кубічний фут у тих особливо чутливих зонах, де забруднення неприпустиме.
Модульні панелі чистих кімнат тепер оснащено вбудованими IoT-датчиками, що дозволяє швидко коригувати зони контролю забруднення за необхідності — особливо це важливо, коли обладнання оновлюється щокварталу. Підприємства з виготовлення напівпровідників починають впроваджувати так званих «цифрових двійників чистих кімнат», щоб перевірити, як нове обладнання впишеться в існуючі приміщення. Цей підхід значно скорочує терміни валідації: багато об’єктів повідомляють про скорочення з приблизно 12 тижнів до близько 18 днів. Такі гнучкі інфраструктурні рішення допомагають виробникам випереджати зміни у нормативних вимогах, таких як майбутній стандарт ISO 14644-1, який заплановано на 2025 рік і передбачає суворий контроль наночастинок в контрольованих середовищах. Підготовка до цих змін — це не лише документальна робота, вона безпосередньо впливає на повсякденні операції в усій галузі.
