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半导体生产环境技术的高要求下,如何做到降本增效?

2023-03-30 15:30:11

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随着中国“芯”计划的确立,国家出台了各项政策扶持半导体产业发展,第三代半导体的研制,国产化十新基建,引爆芯片强劲需求,展示芯片很强动力和潜力。半导体芯片的生产环

随着中国“芯”计划的确立,国家出台了各项政策扶持半导体产业发展,第三代半导体的研制,国产化十新基建,引爆芯片强劲需求,展示芯片很强动力和潜力。半导体芯片的生产环境及设备的要求严苛,就半导体芯片洁净区的环境要求有哪些?

                                                                      半导体芯片生产环境的要求

电子产品在制造、生产过程中对室内空气环境质量要求极为严格,主要以控制微粒和浮尘为主要对象,同时还对其环境的温湿度、空气新鲜度、静压差、气流速度、噪声等作出了严格的规定。


1、室内的噪声级(空态):不应大于65dB(A)

2、垂直流洁净室满布比不应小于60%,水平单向流洁净室不应小于40%,否则就是局部单向流了。

3、与室外的静压差不应小于10Pa,不同空气洁净度的洁净区与非洁净区之间的静压差不应小于5Pa。

4、洁净室内的新鲜空气量应取下列二项中的最大值:

5、补偿室内排风量和保持室内正压值所需的新鲜空气量之和。

6、保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40m3。

7、净化空调系统加热器,应设置新风,超温断电保护,若采用点加湿时应设置无水保护,寒冷地区,新风系统应设置防冻保护措施。无尘室的送风量。

                             温湿度控制

半导体(FAB)洁净室中相对湿度的目标值大约控制在30至50%的范围内,允许误差在±1%的狭窄的范围内,例如光刻区或者在远紫外线处理(DUV)区甚至更小,而在其他地方则可以放松到±5%的范围内。

因为相对湿度有一系列可能使洁净室总体表现下降的因素,其中包括:

1.细菌生长;

2.工作人员感到室温舒适的范围;

3.出现静电荷;

4.金属腐蚀;

5.水汽冷凝;

6.光刻的退化;

7.吸水性。

细菌和其他生物污染(霉菌,病毒,真菌,螨虫)在相对湿度超过60%的环境中可以活跃地繁殖。一些菌群在相对湿度超过30%时就可以增长。洁净室应将湿度控制在处于40%至60%的范围之间时,可以使细菌的影响以及呼吸道感染降至最低。

相对湿度在40%至60%的范围同样也是人类感觉舒适的适度范围。湿度过高会使人觉得气闷,而湿度低于30%则会让人感觉干燥,皮肤皲裂,呼吸道不适以及情感上的不快。

高湿度实际上减小了洁净室表面的静电荷积累──这是人们希望的结果。较低的湿度比较适合电荷的积累并成为潜在的具有破坏性的静电释放源。当相对湿度超过50%时,静电荷开始迅速消散,但是当相对湿度小于30%时,它们可以在绝缘体或者未接地的表面上持续存在很长一段时间。相对湿度在35%到40%之间可以作为一个令人满意的折中,半导体洁净室一般都使用额外的控制装置以限制静电荷的积累。

很多化学反应的速度,包括腐蚀过程,将随着相对湿度的增高而加快。在高湿度的环境中,铜制表面更容易受到腐蚀。此外,由于水分的吸收,使烘烤循环后光刻胶膨胀加重。光刻胶附着力同样也可以受到较高的相对湿度的负面影响;较低的相对湿度(约30%)使光刻胶附着更加容易,甚至不需要聚合改性剂。

图片                                               复杂设计施工与高建造投入费用图片

电子芯片洁净车间有着严格空气环境要求,因此在洁净车间设计、施工、运维的整个项目生命周期都需要极大投入。洁净度越高,设计要求越严、建造费用也越高。

CFD仿真技术耗费时间短、成本低、模拟精确度高,在电子洁净室设计中已应用广泛。采用CFD软件,分别从送风、回风方式、FFU布置形式、高架地板布置形式、工艺设备布局等多方面对洁净室气流组织进行模拟分析和优化设计。可以缩短设计周期50~70%,降低研发成本30%-75%,并在设计和运行中提供科学性的安全性预判和检查,有效提升设计验证能力和产品良品率。 


     CLABSO在光刻间改造中解决横风问题的应用案例


   对于已经建好的工程,每一次实验都是非常昂贵的。如何选择较优的处理方案来解决横风问题呢?可以说通过CFD气流模拟来实验气流组织方案几乎是唯一多快好省稳的解决方案了。

本案例是基于中源广科CLABSO仿真软件为某工厂的改造工程中,通过CFD气流模拟解决横风问题。

1、物理模型

模拟区间为光刻机房区域,如图1所示。模拟在35mx40mx10m的范围内计算机房内的气流情况。


图1  计算模型图


2、 边界条件

模拟采用的边界条件如下图2所示,FFU满铺,过滤器尺寸为1210*600,除设备外其余地方都是高架地板,尺寸为600*600,开孔率为25%。

图2  边界条件图

3、优化目标与方案设定

通过修改高架地板的开孔率来调整房间内的压力分布,达到较小横风的目的。

如图3所示,将整个区域分成五个部分,其中0,1,2,3的四个部分是将中间区域均分成四个等面积。序号4是转角的剩余部分。使用两种高架地板开孔率25%和50%。

图3  高架地板区域分块示意图

通过开孔率设置如下四种方案:

     方案1是当前厂房内的情况,方案2-4是修改了2-3区域的开孔率。这样设置的原因是:我们分析发现中间部分在整个厂房内是正压比较大的区域,区域0,1,4由于靠近1楼的出风口,正压较小,所以只需要调整中间区域,即可防止大正压部分在厂房内部就转向小正压区域。

(1)H=120cm气流偏移角对比

图4  气流偏移角对比图

结论:方案4在这个角落处的气流偏移角最小,但是需要大面积更换高架地板(50%开孔率板)。

(2) H=120cm局部速度角度对比

箭头表示:蓝色为方案1,红色为方案2,绿色为方案3,黄色为方案4

图5  速度角度仿真图

 4、结论

分别模拟了不同的高架地板开孔率的分布下整个洁净室内的气流分布及气流偏转角的情况。从模拟结果得出:方案4在转角处气流偏移角最小,达到横风的效果最佳。

公司介绍     

中源广科由南京大学张麟博士领衔的数学团队创办于2016年4月,致力于打造国产自主的空气动力学软件和三维模型检索软件,为客户提供气流组织设计与优化工具及技术解决方案。专注于为生物医疗与疾病传播、高端材料制造、洁净工程建设 、数据中心建设、储能与热管理、重工业等领域提供优化设计、节能减排,降本增效的数字化仿真、数字化设计解决方案,助力企业数字化转型升级。立志“为零排放、奋斗100年“”。

                                           


作者: 苏州中源广科信息科技有限公司
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