Projektowanie urządzeń i wyposażenia zgodnie z wymaganiami czystych pomieszczeń / Obliczeniowa dynamika płynów (CFD)

Projektowanie urządzeń i wyposażenia zgodnie z wymaganiami czystych pomieszczeń / Obliczeniowa dynamika płynów (CFD)

Dla rosnącej liczby branż przemysłowych produkcja w warunkach czystych jest nieodzowna. Nie chodzi tu tylko o zwiększenie wydajności, ale także o bezproblemowe wdrażanie procesów produkcyjnych. Szczególnie istotne są zanieczyszczenia takie jak cząstki unoszące się w powietrzu lub osiadające, kontaminacja molekularna przenoszona przez powietrze oraz właściwości elektrostatyczne.

Kluczowe branże to:
- Produkcja półprzewodników
- Technika precyzyjna/Optika
- Produkcja mikrosystemów

Wymagania wobec czystego sprzętu
Producenci często określają specyficzne, techniczne wymagania, które sprzęt musi spełniać. Zalecenia dotyczące parametrów technicznych są przedstawione w „Międzynarodowej Mapie Drogowej Technologii dla Półprzewodników (ITRS)” oraz w „Najlepszych praktykach projektowania zintegrowanych mikrośrodowisk Sematech”, na przykład:
- Klasa czystości powietrza,
- Wartość WP (cząstki na wafla i pass),
- Czystość AMC powietrza i materiałów,
- Parametry przepływu,
- Właściwości ESD oraz
- Dobór materiałów.

Podobnie te wymagania mają zastosowanie także do innych wymienionych branż.

Oprócz wymienionych specyfikacji i funkcji całych systemów, istotny jest także wybór miejsca instalacji czystego sprzętu, co ma duży wpływ na jego projekt. Otaczająca komora czysta z klasą czystości powietrza (często od klasy 5 do 7 według ISO 14644-1) oraz jej właściwości przepływu powietrza w dużej mierze decydują o ekranowaniu sprzętu i doborze filtrów.

Rysunek 1 (patrz załącznik PDF)
Sprzęt w komorze czystej, z portami załadunku i operatorem, źródło [Fraunhofer IPA]

Na podstawie wymienionych wymagań, użyte materiały stanowią podstawę dla czystego sprzętu. W przemyśle półprzewodników szczególnie ważne są następujące właściwości materiałów:
- Zachowanie w zakresie emisji cząstek
- Zachowanie podczas odgazowania
- Właściwości elektrostatyczne
- Odporność chemiczna / odporność na korozję
- Łatwość czyszczenia

Oprócz właściwości materiałów, należy także uwzględnić ich obróbkę i ewentualne powłoki.

Rysunek 2 (patrz załącznik PDF)
Wnętrze sprzętu z zamkniętą przegrodą i boczną odciągniętą częścią, symulacja przepływu – linie ścieżek, [źródło Fraunhofer IPA, praca na zamówienie dla Vistec Electron Beam GmbH]

Rozwiązania i realizacja
Działanie czystego sprzętu opiera się głównie na stałym dostarczaniu czystego powietrza oraz na eliminacji źródeł zanieczyszczeń wewnątrz sprzętu. Ponadto, poprzez dostarczanie czystego powietrza, odpowiednie kierowanie przepływem i blokady, tworzy się skuteczna bariera oddzielająca od zwykle mniej czystego otoczenia.

Głównym celem tego opracowania jest zapewnienie sprzętu własną technologią wentylacyjną. Powodem tego jest od kilku lat panujący trend do wysokiej czystości sprzętu niezależnie od miejsca jego instalacji w komorze czystej oraz eliminacja kosztownych, późniejszych prac adaptacyjnych. Mechaniczne i elektroniczne komponenty często stosowane w sprzęcie są z jednej strony źródłami zanieczyszczeń, z drugiej zaś nieodzownymi elementami funkcjonalnymi.

Na podstawie wieloletnich doświadczeń w produkcji urządzeń i systemów czystej jakości, Fraunhofer IPA opracowuje koncepcje czystości, które przy użyciu symulacji i baz danych materiałów pozwalają na precyzyjne rozwiązania.

Rysunek 3 (patrz załącznik PDF)
EFEM dla wafli 300 mm: rozkład ciśnienia, [źródło: Brooks Automation Jena GmbH]
Rysunek 4 (patrz załącznik PDF)
Przebudowa pre-ustawiacza, [źródło: Brooks Automation Jena GmbH]
Rysunek 5 (patrz załącznik PDF)
Przebudowa robota transferowego, źródło [Brooks Automation Jena GmbH]

Wykorzystanie Computational Fluid Dynamics (CFD)
Szacunkowe projekty narzędzi można opracować ręcznie. Jednak skomplikowane lub dynamiczne systemy bez CFD nie są możliwe do zrealizowania na wczesnym etapie projektowania. Fraunhofer IPA korzysta z oprogramowania symulacyjnego FLUENT (ANSYS), które oferuje ogromne możliwości symulacji złożonych zjawisk fizycznych.

Zalety CFD
CFD umożliwia już na bardzo wczesnym etapie rozwoju precyzyjne projektowanie systemów i sprzętu zgodnych z wymaganiami komór czystych. Nie jest do tego potrzebny sprzęt. Modele mogą być bardzo skomplikowane. Nie ma konieczności tworzenia kosztownych prototypów do stopniowej optymalizacji. Rysunki wykonane przez konstruktorów można bezpośrednio wczytać do oprogramowania symulacyjnego i eksportować do dalszego użytku. Wyniki są dostępne bardzo szybko i precyzyjnie. Po utworzeniu modelu obliczeniowego można je modyfikować, zmieniając warunki brzegowe.

Wykorzystanie baz danych materiałów
Dobór odpowiednich materiałów do komór czystych opiera się na ponad 20-letnim doświadczeniu oraz na obszernej bazie danych Fraunhofer. Zawiera ona informacje o materiałach pod kątem emisji cząstek, odgazowania, właściwości ESD itp., które są poddawane standardowym pomiarom.

Perspektywy
Coraz mniejsze struktury w produkcji półprzewodników będą prawdopodobnie wymagały coraz wyższych standardów czystości sprzętu. W tym zakresie znacznie wzrośnie złożoność aspektów związanych z czystością. Specyficzne dla procesu cechy będą determinować różne aspekty czystości, takie jak emisja cząstek, odgazowanie czy właściwości ESD, i muszą być z nimi dostosowane.