De oude manier: behandel het cleanroom als een checkbox
In de fotonica-industrie beschermt de cleanroom doos niet alleen het product. Hij bepaalt ook of het proces überhaupt werkt.
Photonische chips leiden licht door microscopische kanalen die waveguides worden genoemd, met afmetingen die worden gemeten in honderden nanometer. Een enkele deeltje dat tijdens de fabricage op een van deze kanalen terechtkomt, veroorzaakt een permanente defect waardoor het licht wordt verspreid en de signaaloverdracht wordt verstoord. Dit kan niet worden gecorrigeerd na het feit dat het defect is ontstaan. Een trilling tijdens de lithografie verschuift het patroon. Een temperatuurverschil tijdens de afzetting verandert de filmdikte. Geen van deze verschijnselen kan worden teruggedraaid.
Dit zijn geen uitzonderlijke gevallen. Het zijn de dagelijkse praktijk van de fotonica-industrie en gebeuren ze wanneer de cleanroom omgeving niet specifiek is ontworpen voor dit proces.
De meeste cleanrooms zijn dat niet. Ze zijn ontworpen op basis van generieke ISO-classificaties en standaard hypotheseën voor HVAC. Voor fotonica is dat niet voldoende.
Wat cleanroom moet worden gecontroleerd
Deeltjeszuiverheid
Kritische fabricageprocessen, zoals de vorming van golfgeleiders, lithografie, etsen en optische koppeling, vereisen een ISO-klasse van 1 tot ISO-klasse 5. Verpakking en testen kunnen worden uitgevoerd met een ISO-klasse van 6 of ISO-klasse 7. Maar alleen de classificatie zegt nog niet alles.
Naast luchtverontreiniging is de oppervlakkeiligheid op moleculair niveau even belangrijk. Sporen van organische verontreiniging op optische oppervlakken verminderen de hechting van coatings, zorgen voor absorptieverliezen en beïnvloeden de uniformiteit van de gedeponeerde films. Een chemische beheersstrategie en de keuze van het materiaal maken deel uit van het plan voor de controle van verontreiniging en zijn niet los van elkaar.
Trillingen
Lithografiegereedschappen en optische uitlijningsstations hebben een nultolerantie voor geluidsoverlast van de vloer. Geluidsoverlast van HVAC-apparatuur, pompen of de constructie van het gebouw veroorzaakt uitlijningsfouten bij het patroon van golfgeleiders en verschuwt verbonden onderdelen uit hun positie op submicroniveau.
De vibratiestrategie moet op bouwwaardepunt en cleanroom ontwerpniveau worden gedefinieerd. Het alleen aanpakken op het niveau van de apparatuur is te laat en te beperkt.
Temperatuurstabiliteit
De optische eigenschappen van silicium, siliciumnitride en indiumfosfide veranderen allemaal met de temperatuur. Tijdens het afdichten en etsen zorgt de instabiliteit van de temperatuur voor variaties in de filmdikte en de etsdiepte die de prestaties van de golfgeleiders verschuiven van de beoogde doelwaarden. Tijdens de optische montage leiden thermische schommelingen in bevestigingsmiddelen en componenten tot signaalverliezen die niet meer kunnen worden gecorrigeerd na het aanbrengen van de verbinding.
Temperatuurregeling tot binnen ±0,5°C is over het algemeen vereist in het productieomgeving, met een strengere controle in de lithografie- en depositiezones.
Vochtigheid
Te hoog en de fotoreactiemiddel absorbeert vocht, waardoor de nauwkeurigheid van het patroon tijdens de lithografie afneemt. Te laag en het risico op elektrostatische ontlading neemt toe, waardoor gevoelige detector- en modulatorstructuren worden beschadigd. De luchtvochtigheid moet tussen de 40 en 55 procent relatieve luchtvochtigheid blijven, met een strengere controle in de fotoreactiemiddelcoating en de belichtingzones.
Specialiseerde verlichting
Fotorezist is gevoelig voor ultraviolet licht en licht met korte golflengten. Elke zone waar fotorezist wordt gebruikt moet worden verlicht met gele of ambergele licht. Dit moet vanaf het begin voor de juiste zones zijn aangegeven. Het is niet mogelijk om dit later toe te passen zonder storingen.
Wat maakt fotonica cleanrooms moeilijker te realiseren dan halfgeleiders cleanrooms
De productie van fotonica en halfgeleiders delen veel processen. Maar een fotonica-installatie heeft infrastructuur die niet bestaat in een conventionele halfgeleider cleanroom:
- Optische afstelling- en teststations vereisen vibratie-isolerende oppervlakken en stabiele thermische omgevingen binnen het systeem cleanroom zelf, niet in een afzonderlijke testruimte.
- Multiplatformverwerking betekent dat een enkele installatie vaak silicium-fotonica, siliciumnitride en indiumfosfidewafels verwerkt, elk met verschillende chemische vereisten en een verschillende gevoeligheid voor verontreiniging.
- De voorbereiding van de uiteindelijke oppervlakken en de koppeling van de vezels vereisen een speciale reinigingszone vrij van deeltjes die de optische interface zouden kunnen verontreinigen.
- De actieve integratie van apparaten, waarbij III-V-laserchips aan silicium-fotonische wafers worden bevestigd, vereist gecontroleerde kleefprocessen en optische alignering onder bepaalde cleanroom omstandigheden.
Een fotonica kan cleanroom niet een halfgeleider zijn cleanroom met toegevoegde optische testapparatuur. Het ontwerp, de indeling, de chemische management, het plan voor trillingsisolatie en de lichtstrategie moeten vanaf het begin worden ontworpen op basis van de specifieke processen.
Waar cleanroom standaardontwerpen het bij fotonica-fabrikanten niet redden
- Het meest voorkomende probleem is te veel vertrouwen op de ISO-classificatie als belangrijkste ontwerpfactor. Een kamer van ISO-klasse 5 die geen rekening houdt met vloerverstoringen, luchtverontreiniging of zone-specifieke luchtvochtigheidsregeling, zal de processen nog steeds niet betrouwbaar ondersteunen.
- De tweede meest voorkomende storing is ontwerpen cleanroom zonder te begrijpen welke processtappen het meest gevoelig zijn en waar deze zich voordoen in de installatie. Een generieke indeling waarbij alle zones gelijk worden behandeld, zorgt voor onnodige kosten in gebieden met een lage gevoeligheid en voor onvoldoende controle in gebieden met een hoge gevoeligheid.
- De derde mislukking is ontwerpen voor het huidige proces zonder rekening te houden met de manier waarop het zal veranderen. Photonics is een snelgroeiende sector. Het platform dat vandaag nog in gebruik is, is misschien niet het enige dat nog drie jaar later in gebruik zal zijn. Een platform cleanroom dat niet kan worden bijgewerkt of opnieuw geconfigureerd zonder grote verstoringen, vormt een beperking voor het bedrijf.
Hoe ABN Cleanroom Technology bouwen we hieromheen
ABN Cleanroom Technology ontwerpt, onderhoudt en bouwt het bedrijf cleanrooms voor fotonica-fabrikanten en onderzoekinstellingen in heel Europa. Met Configure-to-Order Plus worden alle parameters vooraf gedefinieerd rondom het daadwerkelijke proces voordat een bepaald onderdeel wordt gekozen.
Vervolgens worden vooraf ontworpen en gevalideerde bouwblokken van het ADAPTUS platform aangepast aan deze inputgegevens. ABN’s gedecentraliseerde VIX systeem regelt de luchtstroom en de classificatie op zoneniveau, afgestemd op de werkelijke procesbelasting, zodat gevoelige lithografie- en aligneringszones de benodigde hoeveelheid krijgen zonder overcapaciteit elders.
Het resultaat is een systeem dat is cleanroom gebouwd voor het proces, kan worden verbeterd naarmate het proces zich ontwikkelt en de prestaties vanaf dag één voorspelbaar zijn.
