Ontwerp van apparatuur en installaties volgens cleanroom-standaarden / Computational Fluid Dynamics (CFD)

Reinraumvriendelijk installatie- en equipmentontwerp / Computational Fluid Dynamics (CFD)

Voor een toenemend aantal industriële sectoren is productie onder zuivere omstandigheden onmisbaar. Daarbij gaat het niet alleen om het verhogen van de opbrengst, maar ook om het probleemloos uitvoeren van productieprocessen. Vooral contaminaties zoals luchtgedragen of sedimenterende deeltjes, airborne molecular contamination en elektrostatische eigenschappen zijn bepalend.

Relevante sectoren zijn:
- Halfgeleiderfabricage
- Precisietechniek / Optiek
- Microsysteemfabricage

Vereisten aan puur equipment
Fabrikanten geven vaak specifieke, technische eisen aan, die het equipment moet behalen. Voorschriften worden voorgesteld voor de halfgeleiderindustrie in de ‘International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)’ en in de ‘Sematech Integrated Minienvironment Design Best Practices’, bijvoorbeeld:
- Luchtzuiverheidsklasse,
- WP-waarde (deeltjes per wafer en pass),
- AMC-zuiverheid van lucht en materialen,
- Stromingsparameters,
- ESD-eigenschappen en
- Materiaalkeuze.

In gelijke mate gelden deze eisen ook voor de andere reeds genoemde sectoren.

Naast de genoemde specificaties en functionaliteiten van de totale systemen heeft ook de locatie van het zuivere equipment aanzienlijke invloed op het ontwerp. De omgeving, met zijn luchtzuiverheidsklasse (vaak klasse 5 tot 7 volgens ISO 14644-1) en stromingseigenschappen, bepaalt grotendeels de afscherming van het zuivere equipment en de filterkeuze.

Afbeelding 1 (zie bijlage pdf)
Equipment in de cleanroom, met loadports en operator, bron [Fraunhofer IPA]

Uitgaande van de genoemde eisen vormen de gebruikte materialen de basis voor puur equipment. In de halfgeleiderindustrie zijn vooral de volgende materiaaleigenschappen van belang:
- Partikelemissiegedrag
- Gasemissiegedrag
- Elektrostatische eigenschappen
- Chemische bestendigheid / corrosiebestendigheid
- Reinigbaarheid

Naast de materiaaleigenschappen moet ook de verwerking en eventueel de coating ervan in acht worden genomen.


Afbeelding 2 (zie bijlage pdf)
Interieur van equipment met gesloten scheidingsvlak en zijafzuiging, stromingssimulatie – padlijnen, [Bron: Fraunhofer IPA, opdracht voor Vistec Electron Beam GmbH]

Oplossingsrichtingen en realisatie
De werking van puur equipment is in wezen gebaseerd op de voortdurende voorziening van schone lucht en het vermijden van contaminatiebronnen binnenin het equipment. Daarnaast wordt door de voorziening van schone lucht, de stromingsgeleiding en afsluiting een effectieve barrière gevormd ter afbakening van de meestal minder schone omgeving.

De focus van deze uitwerking ligt op de voorziening van het equipment met eigen ventilatietechniek. De reden hiervoor is de al enkele jaren heersende trend naar hoogzuiver equipment, onafhankelijk van de locatie in de cleanroom, en het wegvallen van ingrijpende, achteraf uit te voeren aanpassingen. De mechanische en elektronische componenten die vaak in het equipment worden gebruikt, kunnen enerzijds als contaminatiebronnen worden beschouwd, anderzijds zijn ze onmisbare functionele elementen.

Op basis van jarenlange ervaring in de fabricage van zuiverheids- en reinheidsgeschikte apparaten en systemen ontwikkelt het Fraunhofer IPA reinheidsconcepten, die met behulp van simulaties en materiaaldatabanken tot nauwkeurige oplossingen worden uitgebreid.


Afbeelding 3 (zie bijlage pdf)
EFEM voor 300-mm wafers: drukverdeling, [Bron: Brooks Automation Jena GmbH]
Afbeelding 4 (zie bijlage pdf)
Ombouw van een pre-aligner, [Bron: Brooks Automation Jena GmbH]
Afbeelding 5 (zie bijlage pdf)
Ombouw van een transferrobot, bron [Brooks Automation Jena GmbH]

Gebruik van Computational Fluid Dynamics (CFD)
Grove schattingen van toolontwerpen kunnen handmatig worden gemaakt. Complexe of dynamische systemen zijn zonder CFD in de vroege ontwerpfase niet realiseerbaar. Het Fraunhofer IPA gebruikt de simulatiesoftware FLUENT (ANSYS). Met deze software is een enorm potentieel aan simulatiemogelijkheden voor complexe fysische processen beschikbaar.

Voordelen van CFD
CFD maakt het mogelijk om al in zeer vroege ontwikkelingsfasen een nauwkeurige vormgeving van cleanroom-geschikte systemen en equipment te realiseren. Hardware is daarvoor niet nodig. De complexiteit van de modellen kan zeer hoog zijn. Tijdrovende prototypes voor stapsgewijze optimalisatie komen te vervallen. Door ontwerpers gemaakte tekeningen kunnen direct in de simulatiesoftware worden ingelezen en voor verdere toepassingen worden geëxporteerd. Zo zijn de resultaten zeer snel en precies beschikbaar voor de constructie. Verschillende opstellingen kunnen na het opstellen van het rekenmodel worden uitgevoerd door randvoorwaarden te wijzigen.

Gebruik van materiaaldatabanken
De selectie van geschikte, cleanroomgeschikte materialen is gebaseerd op meer dan 20 jaar ervaring en uitgebreide Fraunhofer-databanken. Daarin zijn materialen geregistreerd op basis van deeltjesemissie, gasemissie, ESD-eigenschappen, etc., die onderworpen zijn aan gestandaardiseerde metingen.

Vooruitblik
De in de halfgeleiderfabricage nastreefde steeds kleinere structuurbreedtes leiden waarschijnlijk tot toenemende eisen aan puur equipment. Daarbij zal de complexiteit van de reinheidsrelevante aspecten sterk toenemen. De proces-specifieke bijzonderheden bepalen verschillende reinheidseisen zoals bijvoorbeeld deeltjesemissie, gasemissie en ESD-eigenschappen, en moeten hierop worden afgestemd.