Tiszta szoba megfelelőségű berendezés- és eszköztervezés / Számítógépes folyadékdinamika (CFD)

Szabványosított berendezés- és felszerelés tervezés tisztatéri környezethez / Számítógépes folyadékdinamikai szimuláció (CFD)

Az egyre növekvő számú iparág számára elengedhetetlen a tiszta körülmények közötti gyártás. Nemcsak a hozam növelése fontos, hanem a gyártási folyamatok problémamentes végrehajtása is. Különösen a szennyeződések, mint például a levegőben szálló vagy ülepedő részecskék, a levegőben szabad molekulák szennyezése, valamint az elektrosztatikus tulajdonságok játszanak döntő szerepet.

A releváns iparágak közé tartoznak:
- Félvezetőgyártás
- Finommechanika/Optika
- Mikrorendszergyártás

Elvárások a tiszta berendezésekkel szemben
A gyártók gyakran határoznak meg specifikus, technikai követelményeket, amelyeket a berendezésnek el kell érnie. A követelményeket például a „Nemzetközi Technológiai Útmutató a Félvezetőkhöz (ITRS)” és a „Sematech Integrált Minienvironment Tervezési Gyakorlata” javasolja, például:
- levegő tisztasági osztály,
- WP-érték (részecskék száma a lapkánként és passzonként),
- AMC tisztaság a levegőben és az anyagokban,
- áramlási paraméterek,
- ESD tulajdonságok és
- anyagválasztás.

Hasonlóképpen érvényesek ezek az elvárások a többi már említett iparágra is.

A felsorolt specifikációk és a teljes berendezések funkciói mellett a tiszta berendezés telepítési helye is jelentős hatással van annak kialakítására. A környező tisztatér, levegő tisztasági osztályával (gyakran ISO 14644-1 szerint 5-7 osztály) és áramlási jellemzőivel nagymértékben meghatározza a tiszta berendezés árnyékolását és a szűrők kiválasztását.

Ábra 1 (lásd a PDF csatolmányt)
Berendezés a tisztatérben, loadportokkal és operátorral, forrás [Fraunhofer IPA]

A fent említett követelmények alapján az alkalmazott anyagok biztosítják a tiszta berendezés alapját. A félvezetőiparban különösen a következő anyagtulajdonságok fontosak:
- részecskekibocsátási viselkedés
- kipárolgási viselkedés
- elektrosztatikus tulajdonságok
- vegyszerekkel szembeni ellenállás / korrózióállóság
- tisztíthatóság

Az anyagtulajdonságokon túlmenően figyelembe kell venni azok feldolgozását és esetlegesen bevonását is.

Ábra 2 (lásd a PDF csatolmányt)
Belső tér a berendezésben, zárt szétválasztó réteggel és oldalsó elszívással, áramlási szimuláció – útvonalak, [Forrás: Fraunhofer IPA, megbízási munka a Vistec Electron Beam GmbH számára]

Megoldási javaslatok és megvalósítás
A tiszta berendezés működése alapvetően a tiszta levegő folyamatos ellátásán és a szennyező források kiküszöbölésén alapul a berendezés belsejében. Ezen túlmenően a tiszta levegő ellátásával, megfelelő áramlásirányítással és elzárással hatékony akadályt képeznek a kevésbé tiszta környezet elhatárolására.

A dolgozat fókuszában a berendezés saját szellőzőtechnikával való ellátása áll. Ennek oka az, hogy az elmúlt években egyre inkább elterjedt a magas tisztaságú berendezések iránti tendencia, függetlenül a tisztatérben való elhelyezéstől, valamint a bonyolult, utólagos módosításokat mellőző megoldások alkalmazása. A berendezésben gyakran alkalmazott mechanikus és elektronikus komponensek egyrészt szennyező forrásként, másrészt nélkülözhetetlen működési elemekként szolgálnak.

Hosszú évek tapasztalata alapján a Fraunhofer IPA tisztaság- és szennyeződésmentes koncepciókat dolgoz ki, melyeket szimulációk és anyagadatbázisok segítségével pontos megoldásokra fejlesztenek.

Ábra 3 (lásd a PDF csatolmányt)
EFEM 300 mm-es lapkákhoz: nyomáseloszlás, [Forrás: Brooks Automation Jena GmbH]
Ábra 4 (lásd a PDF csatolmányt)
Előbeállító átalakítása, [Forrás: Brooks Automation Jena GmbH]
Ábra 5 (lásd a PDF csatolmányt)
Transzferrobot átalakítása, forrás [Brooks Automation Jena GmbH]

A számítási folyadékdinamika (CFD) alkalmazása
Az eszköztervek durva becslése kézi számításokkal elvégezhető. Komplex vagy dinamikus rendszerek esetében a CFD nélkülözhetetlen a korai tervezési szakaszban. A Fraunhofer IPA az ANSYS FLUENT szimulációs szoftvert használja. Ez a szoftver hatalmas lehetőségeket kínál a komplex fizikai folyamatok szimulálására.

A CFD előnyei
A CFD már a fejlesztés korai szakaszában lehetővé teszi a tisztatér-kompatibilis berendezések és eszközök pontos kialakítását. Ehhez nincs szükség hardverre. A modellek összetettsége nagyon magas lehet. Időigényes prototípusokra nincs szükség a lépésenkénti optimalizáláshoz. A tervezők által készített rajzokat közvetlenül be lehet olvasni a szimulációs szoftverbe, és további felhasználásra exportálni lehet. Így az eredmények gyorsan és pontosan rendelkezésre állnak a tervezéshez. A különböző beállítások a számítási modell létrehozása után a szélirányok módosításával hajthatók végre.

Anyagadatbázisok alkalmazása
A megfelelő, tisztatér-alkalmas anyagok kiválasztása a több mint 20 éves tapasztalaton és a Fraunhofer széles adatbázisain alapul. Ezekben az anyagokat részecskekibocsátás, kipárolgás, ESD tulajdonságok stb. szerint rögzítik, melyek szabványos méréseknek vannak alávetve.

Előrejelzés
A félvezetőgyártásban egyre kisebb szerkezeti méretek elérése várhatóan növeli a tiszta berendezésekkel szembeni követelményeket. Ezzel együtt a tisztasági szempontok összetettsége jelentősen növekedni fog. A folyamat-specifikus sajátosságok különböző tisztasági szempontokat határoznak meg, mint például részecskekibocsátás, kipárolgás és ESD tulajdonságok, melyekhez igazítani kell azokat.