Reinraumgerechtes Anlagen- und Equipment Design / Computational Fluid Dynamics (CFD)

Reinraumgerechtes Anlagen- und Equipment Design / Computational Fluid Dynamics (CFD)

Für eine steigende Anzahl von Industriebereichen ist die Produktion unter reinen Bedingungen unabdingbar. Dabei ist nicht nur die Erhöhung des Yields von Bedeutung, sondern problemlose Umsetzung von Produktionsprozessen. Insbesondere Kontaminationen wie luftgetragene bzw. sedimentierte Partikel, Airborne Molecular Contamination sowie elektrostatische Eigenschaften sind ausschlaggebend.

Relevante Branchen sind:
- Halbleiterfertigung
- Feinwerktechnik/Optik
- Mikrosystemfertigung

Anforderungen an reines Equipment
Hersteller geben häufig spezifische, technische Anforderungen vor, die im Equipment erreicht werden müssen. Sollvorgaben werden für die Halbleiterindustrie in der ?International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)? und im ?Sematech Integrated Minienvironment Design Best Practices? vorgeschlagen, zum Beispiel:
- Luftreinheitsklasse,
- WP-Wert (Particles per Wafer and Pass),
- AMC-Reinheit der Luft und Werkstoffe,
- Strömungsparameter,
- ESD-Eigenschaften und
- Werkstoffauswahl.

In ähnlicher Weise gelten diese Anforderungen auch für die anderen bereits genannten Branchen.

Neben den aufgeführten Spezifikationen und Funktionalitäten der Gesamtanlagen hat auch der Aufstellort von reinem Equipment erhebliche Auswirkungen auf dessen Design. Der umgebende Reinraum mit seiner Luftreinheitsklasse (häufig Klasse 5 bis 7 nach ISO 14644-1) und seinen Strömungseigenschaften bestimmen weitgehend die Abschirmung des reinen Equipment und die Filterauswahl.

Abbildung 1 (siehe Anhang pdf)
Equipment im Reinraum, mit Loadports und Operator, Quelle [Fraunhofer IPA]

Ausgehend von den genannten Anforderungen bilden die verwendeten Werkstoffe die Voraussetzung für reines Equipment. In der Halbleiterindustrie sind v. a. folgende Werkstoffeigenschaften von Bedeutung:
- Partikelemissionsverhalten
- Ausgasungsverhalten
- Elektrostatische Eigenschaften
- Chemikalienbeständigkeit / Korrosionsbeständigkeit
- Reinigbarkeit

Neben den Werkstoffeigenschaften ist auch deren Bearbeitung und ggf. ihre Beschichtung zu beachten.


Abbildung 2 (siehe Anhang pdf)
Equipment Innenraum mit geschlossener Trennebene und seitlicher Abströmung, Strömungssimulation ? Pfadlinien, [Quelle Fraunhofer IPA, Auftragsarbeit für Vistec Electron Beam GmbH]

Lösungsansätze und Realisierung
Die Wirkungsweise reinen Equipments basiert im Wesentlichen auf der permanenten Versorgung mit reiner Luft sowie der Vermeidung von Kontaminationsquellen im Inneren des Equipments. Darüber hinaus wird über die Versorgung mit reiner Luft, entsprechende Strömungsführung und Versperrung eine wirkungsvolle Barrierewirkung zur Abgrenzung der meist weniger reinen Umgebung geschaffen.

Der Fokus dieser Ausarbeitung liegt auf der Versorgung des Equipments mit eigener Lüftungstechnik. Grund hierfür ist der seit einigen Jahren vorherrschende Trend zum hochreinen Equipment unabhängig vom Aufstellort im Reinraum sowie der Wegfall von aufwendigen, nachträglichen Anpassungsarbeiten. Die im Equipment häufig eingesetzten mechanischen und elektronischen Komponenten sind einerseits als Kontaminationsquellen einzustufen, anderseits als Funktionselemente unverzichtbar.

Vor dem Hintergrund langjähriger Erfahrung in der Fertigung reinheitsreinheitstauglicher Geräte und Anlagen erstellt das Fraunhofer IPA Reinheitskonzepte, die mit Hilfe von Simulation und Werkstoffdatenbanken zu präzisen Lösungen ausgebaut werden.


Abbildung 3 (siehe Anhang pdf)
EFEM für 300-mm-Wafertools: Druckverteilung, [Quelle: Brooks Automation Jena GmbH]
Abbildung 4 (siehe Anhang pdf)
Umströmung eines Pre-Aligners, [Quelle: Brooks Automation Jena GmbH]
Abbildung 5 (siehe Anhang pdf)
Umströmung eines Transferroboters, Quelle [Brooks Automation Jena GmbH]

Nutzung von Computational Fluid Dynamics (CFD)
Grobe Abschätzungen von Tooldesigns sind per Handrechnung möglich. Komplexe bzw. dynamische Systeme sind ohne CFD in der frühen Designphase nicht realisierbar. Das Fraunhofer IPA nutzt die Simulationssoftware FLUENT (ANSYS). Mit dieser Software steht ein enormes Potenzial an Simulationsmöglichkeiten von komplexen physikalischen Vorgängen zur Verfügung.

Vorteile von CFD
CFD ermöglicht schon in sehr frühen Phasen der Entwicklung eine präzise Gestaltung von reinraumgerechten Anlagen und Equipment. Hardware ist dazu nicht erforderlich. Die Komplexität der Modelle kann sehr hoch sein. Aufwändige Prototypen zur schrittweisen Optimierung entfallen. Von Konstrukteuren erstellte Zeichnungen können direkt in die Simulationssoftware eingelesen und für weitere Verwendungen wieder exportiert werden. Somit stehen die Ergebnisse sehr schnell und genau für die Konstruktion zur Verfügung. Verschiedene Setups sind nach der Erstellung des Rechenmodells durch Änderung von Randbedingungen durchführbar.

Nutzung von Werkstoffdatenbanken
Die Auswahl geeigneter reinraumtauglicher Werkstoffe basiert auf die über 20jährige Erfahrung sowie umfangreiche Fraunhofer-Datenbanken. Darin sind Werkstoffe nach Partikelemission, Ausgasung, ESD-Eigenschaften etc. erfasst, die standardisierten Messungen unterliegen.

Ausblick
Die in der Halbleiterfertigung angestrebten immer kleiner werdenden Strukturbreiten führen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu steigenden Anforderungen an reines Equipment. Dabei wird die Komplexität der reinheitsrelevanten Aspekte stark zunehmen. Die prozessspezifischen Besonderheiten bestimmen unterschiedliche Reinheitsaspekte wie beispielsweise Partikelemission, Ausgasung und ESD-Eigenschaften und müssen auf diese abgestimmt werden.

Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Frank Friedrich Bürger und Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Udo Gommel