De halfgeleiderindustrie is een van de industrieën waar de hoeveelheid verontreiniging het grootst is. Een enkel, voor het menselijk oog onzichtbaar deeltje dat op een siliciumplaat terechtkomt, kan een volledige partij chips vernietigen. Terwijl de componenten steeds kleiner worden tot op nanometerniveau, is het cleanroom niet alleen de infrastructuur die wordt ondersteund, maar ook de winstgevendheid en de kwaliteit.
In tegenstelling tot farmaceutische producten cleanrooms, die voornamelijk gericht zijn op microbiologische contaminatie, cleanroom moet een halfgeleider tegelijkertijd luchtdeeltjes, moleculaire contaminatie, elektrostatische ontlading, temperatuur, vochtigheid en trillingen controleren. Een storing in één van deze factoren leidt direct tot productverlies. Dit complexiteitsspeelgoed vormt namelijk de basis voor onze benadering van een halfgeleiderproject vanaf het eerste moment: niet als een enkel vast ontwerp, maar als een systeem van bouwstenen die elk kunnen worden geconfigureerd naar hun eigen tolerantie.
ISO-classificaties
Semiconductor cleanrooms voldoet aan ISO 14644 deel 1, die omgevingen categoriseert op basis van de maximale toegelaten concentratie aan luchtverontreinigende deeltjes per kubieke meter. De vereiste klasse hangt af van het specifieke proces dat wordt uitgevoerd.
De meest veeleisende processen, met name fotolithografie en etsen, vereisen een ISO-klasse van 1 tot en met 3. De productiefaciliteiten voor de voorbewerking werken meestal met een ISO-klasse van 3 tot en met 5. Assemblage, verpakking en testen kunnen worden uitgevoerd met een ISO-klasse van 7 of 8.
Een enkele installatie kan vaak meerdere ISO-klassen bevatten die gelijktijdig worden gebruikt, elk afgestemd op de besmettingsgevoeligheid van het proces in die zone.
Subsectoren en hoe hun vereisten verschillen
Semiconductor is een brede industrie. De Cleanroom vereisten verschuiven afhankelijk van het onderdeel van de waardeketen waarin u werkt.
Waferfabricage
Ruw silicium wordt omgezet in functionele chips door honderden opeenvolgende processtappen, waaronder afzetting, fotolithografie, etsen en ionenimplantatie. Dit is de meest veeleisende fase in de toeleveringsketen, waarbij de vereisten variëren van ISO Klasse 1 tot ISO Klasse 5, afhankelijk van de specifieke stap. Fotolithografie in geavanceerde nodes maakt gebruik van extreem ultraviolet licht met een golflengte van 13,5 nm, waardoor ISO Klasse 1 vereist is om interferentie met de optische path van deeltjes te voorkomen.
MEMS en gecombineerde halfgeleiders
Apparaten zoals componenten van galliumarsenide en galliumnitride worden vervaardigd volgens vergelijkbare processen als siliciumwafels, maar op een minder extreme schaal. Deze installaties werken meestal volgens ISO-klasse 4 tot ISO-klasse 6, waarbij de vereisten worden bepaald door de breedte van de lijn en de gevoeligheid van het apparaat.
Geavanceerde verpakking
Technieken zoals flip-chip bonding, fan-out wafer-level packaging en 3D stacking zijn minder bestand tegen deeltjes dan front-end fabricage, maar vereisen nog steeds ISO-klassen 5 tot ISO-klasse 7 om elektrische contacten en interconnecties te beschermen.
Onderzoek en ontwikkeling
Het proces van R&D- cleanrooms ondersteuning omvat innovatie en prototyping. Ze zijn kleiner, flexibeler en zijn ontworpen om frequente procesveranderingen aan te kunnen, zonder de milieuprestaties in gevaar te brengen. Deze flexibiliteit is precies wat een modulair Configure-to-Order+ systeem is ontworpen voor: zones kunnen worden aangepast aan de ontwikkelingen van de processen, zonder de volledige installatie opnieuw te moeten ontwerpen.
Kritische milieuvereisten
Deeltjeszuiverheid en filtratie
De ISO-classificatie moet worden gehandhaafd onder volledige operationele omstandigheden, inclusief actieve apparatuur, proceschemicaliën en personeel. HEPA-filtratie is de minimumvereiste. Omgevingen met ISO-klassen 1 tot en met 3 vereisen ULPA-filters met een efficiëntie van 99,9995 procent bij 0,12 micron. De luchtstroom in kritische proceszones is eenrichtingsverkeer, met een stroomrichting van het plafond naar de verhoogde toegangsverdieping in een laminaire beweging die deeltjes wegzuigt van het waferoppervlak. De luchtverversingssnelheden in fotolithografiezones kunnen oplopen tot 400 luchtverversingen per uur.
Aardolie-moleculaire verontreiniging
De concentraties van zuur, base, condensabel koolwaterstof en dopanten kunnen reageren met fotoresistmaterialen, de etsheid beïnvloeden en de afzetprocessen verstoren. Geavanceerde processen hebben de AMC-tolerantie tot een niveau van één op een biljoen verminderd. De standaard van SEMI F21-1102 verdeelt AMC in vier categorieën: zuur, base, condensabel koolwaterstof en dopant en definieert de chemische filtratievereisten voor elk van deze stoffen.
Temperatuurstabiliteit
De temperatuur moet binnen ±0,1°C worden gecontroleerd in de fotolithografische zones, waar de thermische uitzetting van de reticle-stand en het wafer-chuck rechtstreeks invloed heeft op de nauwkeurigheid van het patroonopstelling. In minder kritische gebieden is een tolerantie van ±0,5°C vereist om verlies van de procesnauwkeurigheid te voorkomen. Toleranties op dit niveau zijn slechts zo betrouwbaar als de gegevens die daarachter staan. Daarom werkt ons ADAPTUS productplatform volledig op basis van data: van de eerste configuratie tot de levering.
Regeling van de luchtvochtigheid
De luchtvochtigheid moet tussen de 40 en 50 procent relatieve luchtvochtigheid blijven. Een lage luchtvochtigheid verhoogt het risico op ESD. Een hoge luchtvochtigheid zorgt ervoor dat fotolichamen vocht absorberen, waardoor de opbrengst afneemt. Beide uitersten hebben een directe invloed op de procesprestaties en de productkwaliteit.
Regeling van elektrostatische ontlading
Een enkel ESD-incident kan chipfuncties permanent beschadigen zonder dat er zichtbare sporen van overschrijding van de grenswaarden zichtbaar zijn. De controle op ESD is een systeemniveauvereiste:
- Statisch-dissipatieve vloeren en wandpanelen
- Ionisatieapparaten geïntegreerd in ventilatieluchtfilters en procesapparatuur
- Aardingsriemen voor alle personeel en apparatuur
- ESD-beschermende kleding
- Continu monitoring van statische niveaus op cruciale procespunten
Trillingsregeling
Fotolithografische scanners en stempels zijn uiterst gevoelig voor trillingen op de vloer. Trillingen van HVAC-apparatuur, pompen of externe verkeer kunnen uitlijningsfouten veroorzaken op nanometerniveau. Trillingsisolatie wordt toegepast op kritieke apparatuur en de plaatsing van ondersteuningssystemen in de subfabriek zijn standaard vereisten in het ontwerp.
De structuur van een halfgeleiderfabriek
Door te begrijpen hoe een halfgeleiderfabriek fysiek is georganiseerd, wordt het gemakkelijker om te begrijpen waarom het cleanroom ontwerp zo complex is en waarom we het als een systeem van met elkaar verbonden, gestandaardiseerde componenten ontwerpen.
- De cleanroom danszaal: de belangrijkste productiefaciliteit waar het wafer-verwerkingsproces plaatsvindt. De apparatuur is zodanig geplaatst dat de luchtstroom zo efficiënt mogelijk wordt verstuurd. De natte werkbanken en procesgereedschappen zijn langs de muren geplaatst om te voorkomen dat de centrale laminaire luchtstroom wordt verstoord.
- De subfab: ondersteuningssystemen zoals pompen en gaslevering bevinden zich buiten het cleanroom gebouw. Koelers worden buiten het gebouw geïnstalleerd. Deze afscheiding houdt warmte, trillingen en onderhoudswerkzaamheden buiten de productieomgeving.
- Mini-omgevingen en FOUPsModerne fabs isoleren wafers van de omgeving door ze in afgesloten, front-openingen bevattende units te vervoeren tussen de procesapparatuur. Tijdens het verwerken komt het wafer alleen in contact met de apparatuur, waardoor er een ISO-klasse 1-omgeving ontstaat op het waferoppervlak, zelfs binnen een ruimere ISO-klasse 3- of ISO-klasse 5-ruimte.
ABN Cleanroom Technology
Als marktleider op het gebied van Configure-to-Order+ cleanroom oplossingen, ABN Cleanroom Technology ontwerpen, bouwen, valideren en onderhouden cleanrooms voor fabrikanten van halfgeleiders in heel Europa. Voor waferfabricage, MEMS, geavanceerde verpakking en R&D-omgevingen gaat de vereisten veel verder dan een standaard cleanroom brief.
Via Configure-to-Order Plus configureert ABN op basis cleanrooms van vooraf ontworpen en gevalideerde bouwblokken binnen het ADAPTUS platform. Elke parameter, van de ISO-klasse en de AMC-besturing tot de ESD-bescherming en de trillingsstrategie, wordt bepaald op basis van de daadwerkelijke procesvereisten voordat de configuratie begint. Het resultaat is een voorspelbaar, volledig geïntegreerd systeem vanaf dag één, in plaats van een eenmalige technische aanpak.
