Návrh zařízení a vybavení vhodných do čistých prostor / Výpočetní dynamika tekutin (CFD)

Návrh zařízení a vybavení vhodných pro čisté místnosti / Výpočetní dynamika tekutin (CFD)

Pro rostoucí počet průmyslových odvětví je výroba za čistých podmínek nezbytná. Přitom není důležité jen zvýšení výtěžnosti, ale i bezproblémové provádění výrobních procesů. Zejména kontaminace, jako jsou částice přenášené vzduchem nebo usazené, molekulární kontaminace přenášené vzduchem (Airborne Molecular Contamination) a elektrostatické vlastnosti, jsou rozhodující.

Relevantní odvětví jsou:
- Výroba polovodičů
- Přesná mechanika/optika
- Výroba mikrosystémů

Požadavky na čisté zařízení
Výrobci často stanovují specifické technické požadavky, které musí zařízení splňovat. Požadavky jsou navrženy například v „International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)“ a v „Sematech Integrated Minienvironment Design Best Practices“, například:
- Třída čistoty vzduchu,
- WP-hodnota (částice na wafer a pass),
- Čistota AMC vzduchu a materiálů,
- Parametry proudění,
- ESD vlastnosti a
- Výběr materiálů.

Podobně platí tyto požadavky i pro ostatní již zmíněná odvětví.

Kromě uvedených specifikací a funkcí celkových zařízení má i umístění čistého zařízení významný dopad na jeho návrh. Okolní čistý prostor s třídou čistoty vzduchu (často třída 5 až 7 podle ISO 14644-1) a jeho vlastnosti proudění do značné míry určují stínění čistého zařízení a výběr filtrů.

Obrázek 1 (viz příloha pdf)
Zařízení v čistém prostoru, s Loadporty a operátorem, zdroj [Fraunhofer IPA]

Na základě uvedených požadavků tvoří použité materiály předpoklad pro čisté zařízení. V průmyslu polovodičů jsou zvláště důležité následující vlastnosti materiálů:
- Chování při emisích částic
- Vypařování
- Elektrostatické vlastnosti
- Odolnost vůči chemikáliím / korozi
- Čistitelnost

Kromě vlastností materiálů je třeba vzít v úvahu i jejich opracování a případné povrchové úpravy.

Obrázek 2 (viz příloha pdf)
Vnitřní prostor zařízení s uzavřenou oddělovací rovinou a bočním odsáváním, simulace proudění – linie proudění, [zdroj Fraunhofer IPA, zakázková práce pro Vistec Electron Beam GmbH]

Řešení a realizace
Fungování čistého zařízení je v zásadě založeno na trvalém zásobování čistým vzduchem a na zabránění zdrojům kontaminace uvnitř zařízení. Navíc je prostřednictvím dodávky čistého vzduchu, řízení proudění a uzavření vytvořena účinná bariéra, která odděluje méně čisté okolí.

Hlavním cílem této práce je zásobování zařízení vlastním ventilačním systémem. Důvodem je trend posledních let k vysoce čistému zařízení, nezávisle na umístění v čistém prostoru, a eliminace složitých dodatečných úprav. Mechanické a elektronické komponenty často používané v zařízeních jsou na jedné straně zdroji kontaminace, na druhé straně jsou nezbytnými funkčními prvky.

Na základě dlouholetých zkušeností s výrobou čistotě odpovídajících zařízení a systémů vytváří Fraunhofer IPA koncepce čistoty, které jsou rozvíjeny pomocí simulací a databází materiálů pro přesná řešení.

Obrázek 3 (viz příloha pdf)
EFEM pro 300mm waferové nástroje: rozložení tlaku, [zdroj: Brooks Automation Jena GmbH]
Obrázek 4 (viz příloha pdf)
Úprava pre-Aligneru, [zdroj: Brooks Automation Jena GmbH]
Obrázek 5 (viz příloha pdf)
Úprava transferového robota, zdroj [Brooks Automation Jena GmbH]

Využití výpočetní dynamiky tekutin (CFD)
Hrubé odhady návrhu zařízení lze provést ručně. Složitější nebo dynamické systémy však nelze v rané fázi návrhu bez CFD realizovat. Fraunhofer IPA používá simulační software FLUENT (ANSYS). Tento software nabízí obrovský potenciál simulací složitých fyzikálních procesů.

Výhody CFD
CFD umožňuje již v raných fázích vývoje přesně navrhnout zařízení a vybavení vhodné do čistých prostor. Není potřeba žádný hardware. Modely mohou být velmi složité. Odpadá potřeba nákladných prototypů pro postupnou optimalizaci. Konstrukční výkresy vytvořené inženýry lze přímo načíst do simulačního softwaru a znovu exportovat pro další použití. Výsledky jsou tak velmi rychle a přesně k dispozici pro konstrukci. Po vytvoření výpočetního modelu lze různá nastavení provádět změnou okrajových podmínek.

Využití databází materiálů
Výběr vhodných materiálů vhodných do čistých prostor je založen na více než 20leté zkušenosti a rozsáhlých databázích Fraunhofer. Tyto databáze obsahují informace o materiálech podle emisí částic, vypařování, ESD vlastností apod., které podléhají standardizovaným měřením.

Výhled
S rostoucí miniaturizací struktur v průmyslu polovodičů pravděpodobně poroste i požadavek na čisté zařízení. Komplexita aspektů souvisejících s čistotou se výrazně zvýší. Specifické procesní vlastnosti určují různé aspekty čistoty, jako například emise částic, vypařování a ESD vlastnosti, a musí být na tyto aspekty přizpůsobeny.