Progettazione di impianti e attrezzature conformi alle norme di camere bianche / Dinamica dei fluidi computazionale (CFD)

Progettazione di impianti e apparecchiature conformi alle norme di camere bianche / Dinamica dei fluidi computazionale (CFD)

Per un numero crescente di settori industriali, la produzione in condizioni pure è indispensabile. In questo contesto, non è importante solo aumentare il rendimento, ma anche garantire l'implementazione senza problemi dei processi di produzione. In particolare, contaminazioni come particelle trasportate dall'aria o sedimentate, contaminazione molecolare aerotrasportata e proprietà elettrostatiche sono determinanti.

I settori rilevanti sono:
- Produzione di semiconduttori
- Tecnica di precisione/ottica
- Produzione di microsistemi

Requisiti per attrezzature pure
I produttori spesso specificano requisiti tecnici specifici che le attrezzature devono soddisfare. Le specifiche di riferimento sono proposte nella «International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)» e nelle «Sematech Integrated Minienvironment Design Best Practices», ad esempio:
- Classe di purezza dell'aria,
- Valore WP (Particelle per wafer e passaggio),
- Purezza AMC dell'aria e dei materiali,
- Parametri di flusso,
- Proprietà ESD e
- Selezione dei materiali.

In modo analogo, questi requisiti si applicano anche agli altri settori già menzionati.

Oltre alle specifiche e alle funzionalità delle apparecchiature complessive, anche il luogo di installazione delle attrezzature pure ha un impatto significativo sul loro design. La camera bianca circostante, con la sua classe di purezza dell'aria (spesso classe 5 a 7 secondo ISO 14644-1) e le sue caratteristiche di flusso, determina in larga misura la schermatura delle attrezzature pure e la scelta dei filtri.

Figura 1 (vedi allegato pdf)
Attrezzature in camera bianca, con loadports e operatore, Fonte [Fraunhofer IPA]

Basandosi sui requisiti sopra menzionati, i materiali utilizzati costituiscono le premesse per attrezzature pure. In particolare, nell'industria dei semiconduttori, sono importanti le seguenti proprietà dei materiali:
- Comportamento di emissione di particelle
- Comportamento di outgassing
- Proprietà elettrostatiche
- Resistenza chimica / resistenza alla corrosione
- Facilità di pulizia

Oltre alle proprietà dei materiali, è importante considerare anche la loro lavorazione e, se necessario, il loro rivestimento.

Figura 2 (vedi allegato pdf)
Interno dell'attrezzatura con barriera di separazione chiusa e estrazione laterale, simulazione di flusso – linee di percorso, [Fonte Fraunhofer IPA, lavoro commissionato per Vistec Electron Beam GmbH]

Soluzioni e realizzazioni
Il funzionamento delle attrezzature pure si basa essenzialmente sulla fornitura costante di aria pura e sull'eliminazione delle fonti di contaminazione all'interno delle attrezzature stesse. Inoltre, attraverso la fornitura di aria pura, la gestione del flusso e le barriere, si crea un'efficace barriera per delimitare l'ambiente generalmente meno puro.

Il focus di questa analisi è sulla fornitura di attrezzature con propria tecnologia di ventilazione. La ragione di ciò è la tendenza, ormai da alcuni anni, verso attrezzature altamente pure indipendentemente dal luogo di installazione in camera bianca e l'eliminazione di lavori di adattamento complessi e successivi. I componenti meccanici ed elettronici spesso utilizzati nelle attrezzature sono da un lato fonti di contaminazione e dall'altro elementi funzionali indispensabili.

Sulla base di un'esperienza pluriennale nella produzione di dispositivi e impianti adatti alla purezza, il Fraunhofer IPA sviluppa concetti di purezza che, grazie a simulazioni e banche dati sui materiali, vengono perfezionati con soluzioni precise.

Figura 3 (vedi allegato pdf)
EFEM per wafer da 300 mm: distribuzione della pressione, [Fonte: Brooks Automation Jena GmbH]
Figura 4 (vedi allegato pdf)
Ristrutturazione di un pre-Aligner, [Fonte: Brooks Automation Jena GmbH]
Figura 5 (vedi allegato pdf)
Ristrutturazione di un robot di trasferimento, Fonte [Brooks Automation Jena GmbH]

Utilizzo della Fluidodinamica Computazionale (CFD)
Stime approssimative del design degli strumenti possono essere fatte manualmente. Sistemi complessi o dinamici non sono realizzabili senza CFD nella fase iniziale di progettazione. Il Fraunhofer IPA utilizza il software di simulazione FLUENT (ANSYS). Questo software offre un enorme potenziale di simulazione di processi fisici complessi.

Vantaggi della CFD
La CFD permette già nelle prime fasi di sviluppo di progettare con precisione impianti e attrezzature conformi alle norme di camera bianca. Non sono necessari hardware specifici. La complessità dei modelli può essere molto elevata. Si eliminano prototipi costosi per l'ottimizzazione progressiva. I disegni realizzati dai progettisti possono essere caricati direttamente nel software di simulazione e riutilizzati per altri scopi. I risultati sono disponibili molto rapidamente e con precisione per la progettazione. Diversi setup possono essere testati modificando le condizioni al contorno dopo aver creato il modello di calcolo.

Utilizzo di banche dati sui materiali
La selezione di materiali adatti alla camera bianca si basa su oltre 20 anni di esperienza e su ampie banche dati del Fraunhofer. In queste sono registrati materiali secondo emissione di particelle, outgassing, proprietà ESD, ecc., soggetti a misurazioni standardizzate.

Prospettive
Le dimensioni delle strutture sempre più ridotte richieste nella produzione di semiconduttori probabilmente porteranno a requisiti crescenti per attrezzature pure. La complessità degli aspetti relativi alla purezza aumenterà notevolmente. Le caratteristiche specifiche del processo determinano diversi aspetti di purezza, come emissione di particelle, outgassing e proprietà ESD, e devono essere adattate di conseguenza.