Conception d'installations et d'équipements conformes aux salles blanches / Dynamique des fluides numérique (CFD)

Conception d'installations et d'équipements conformes aux salles blanches / Dynamique des fluides numérique (CFD)

Pour un nombre croissant de secteurs industriels, la production dans des conditions pures est indispensable. Il ne s'agit pas seulement d'augmenter le rendement, mais aussi de garantir la mise en œuvre sans problème des processus de production. En particulier, les contaminations telles que les particules transportées par l'air ou sédimentées, la contamination moléculaire aérienne ainsi que les propriétés électrostatiques sont déterminantes.

Les secteurs concernés sont :
- Fabrication de semi-conducteurs
- Microtechnique / Optique
- Fabrication de microsystèmes

Exigences concernant l’équipement pur
Les fabricants spécifient souvent des exigences techniques précises que l’équipement doit respecter. Des recommandations de référence pour l'industrie des semi-conducteurs sont proposées dans la « International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) » et dans le « Sematech Integrated Minienvironment Design Best Practices », par exemple :
- Classe de pureté de l'air,
- Valeur WP (Particules par wafer et passage),
- Pureté AMC de l'air et des matériaux,
- Paramètres de flux,
- Propriétés ESD et
- Choix des matériaux.

De manière similaire, ces exigences s'appliquent également aux autres secteurs mentionnés ci-dessus.

Outre les spécifications et fonctionnalités générales des installations, le lieu d'installation de l’équipement pur a également un impact considérable sur sa conception. La salle blanche environnante, avec sa classe de pureté de l'air (souvent classe 5 à 7 selon ISO 14644-1) et ses caractéristiques de flux, détermine en grande partie la protection de l’équipement pur et le choix des filtres.

Figure 1 (voir annexe pdf)
Équipement en salle blanche, avec ports de chargement et opérateur, source [Fraunhofer IPA]

À partir des exigences mentionnées, les matériaux utilisés constituent la condition préalable à un équipement pur. Dans l'industrie des semi-conducteurs, les propriétés suivantes des matériaux sont particulièrement importantes :
- Comportement d’émission de particules
- Comportement de dégazage
- Propriétés électrostatiques
- Résistance chimique / résistance à la corrosion
- Facilité de nettoyage

Outre les propriétés des matériaux, leur traitement et éventuellement leur revêtement doivent également être pris en compte.

Figure 2 (voir annexe pdf)
Intérieur de l’équipement avec barrière de séparation fermée et extraction latérale, simulation de flux – lignes de flux, [source Fraunhofer IPA, travail commandé pour Vistec Electron Beam GmbH]

Approches et mise en œuvre
Le fonctionnement de l’équipement pur repose essentiellement sur l’approvisionnement permanent en air pur ainsi que sur la prévention des sources de contamination à l’intérieur de l’équipement. De plus, la fourniture d’air pur, la gestion appropriée du flux et la barrière de séparation créent une barrière efficace pour délimiter l’environnement généralement moins pur.

L’objectif de cette étude est de se concentrer sur l’alimentation de l’équipement avec une technologie de ventilation propre. La raison en est la tendance dominante depuis plusieurs années vers des équipements de haute pureté, indépendamment du lieu d’installation dans la salle blanche, ainsi que la suppression de travaux d’adaptation coûteux et postérieurs. Les composants mécaniques et électroniques souvent utilisés dans l’équipement sont d’une part considérés comme des sources de contamination, d’autre part comme des éléments fonctionnels indispensables.

Fort de nombreuses années d’expérience dans la fabrication d’appareils et d’installations compatibles avec la pureté, le Fraunhofer IPA élabore des concepts de pureté qui, à l’aide de simulations et de bases de données sur les matériaux, aboutissent à des solutions précises.

Figure 3 (voir annexe pdf)
EFEM pour outils wafers de 300 mm : distribution de pression, [source : Brooks Automation Jena GmbH]
Figure 4 (voir annexe pdf)
Modification d’un pré-aligner, [source : Brooks Automation Jena GmbH]
Figure 5 (voir annexe pdf)
Modification d’un robot de transfert, source [Brooks Automation Jena GmbH]

Utilisation de la dynamique des fluides numérique (CFD)
Les estimations grossières des conceptions d’outils peuvent être effectuées manuellement. Les systèmes complexes ou dynamiques ne peuvent pas être réalisés sans CFD lors de la phase de conception initiale. Le Fraunhofer IPA utilise le logiciel de simulation FLUENT (ANSYS). Ce logiciel offre un potentiel énorme pour simuler des processus physiques complexes.

Avantages du CFD
Le CFD permet dès les premières phases de développement une conception précise des installations et équipements conformes aux salles blanches. Aucun matériel n’est nécessaire. La complexité des modèles peut être très élevée. Les prototypes coûteux pour une optimisation progressive ne sont pas nécessaires. Les dessins réalisés par les concepteurs peuvent être directement importés dans le logiciel de simulation et réexportés pour d’autres utilisations. Les résultats sont ainsi disponibles rapidement et avec précision pour la conception. Différents réglages peuvent être effectués après la création du modèle de calcul en modifiant les conditions aux limites.

Utilisation de bases de données de matériaux
Le choix de matériaux adaptés à la salle blanche repose sur une expérience de plus de 20 ans ainsi que sur de vastes bases de données du Fraunhofer. Celles-ci répertorient les matériaux selon leur émission de particules, leur dégazage, leurs propriétés ESD, etc., soumis à des mesures standardisées.

Perspectives
Les structures de plus en plus petites visées dans la fabrication de semi-conducteurs entraîneront très probablement une augmentation des exigences en matière d’équipements purs. La complexité des aspects liés à la pureté augmentera considérablement. Les particularités spécifiques au processus déterminent différents aspects de pureté tels que l’émission de particules, le dégazage et les propriétés ESD, qui doivent être adaptés à ces exigences.