Die Chipausbeute in der Chipfertigung hängt eng mit der Größe und Anzahl der auf dem Chip abgelagerten Luftpartikel zusammen. Eine optimierte Luftströmungsführung transportiert Partikel aus Staubquellen aus dem Reinraum ab und gewährleistet so dessen Reinheit. Die Luftströmungsführung im Reinraum spielt daher eine entscheidende Rolle für die Chipausbeute. Bei der Gestaltung der Reinraumluftströmungsführung sollten folgende Ziele erreicht werden: die Reduzierung oder Beseitigung von Wirbelströmen im Strömungsfeld, um die Ansammlung schädlicher Partikel zu verhindern; die Aufrechterhaltung eines geeigneten positiven Druckgradienten, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
Gemäß dem Reinraumprinzip wirken auf die Partikel unter anderem folgende Kräfte: Massenkraft, Molekularkraft, Anziehungskraft zwischen den Partikeln, Luftströmungskraft usw.
Luftstromkraft: bezeichnet die Kraft des Luftstroms, der durch Zu- und Abluft, thermische Konvektion, künstliche Luftbewegung und andere Luftströme mit einer bestimmten Durchflussrate zur Partikelabfuhr entsteht. Für die Klimatechnik in Reinräumen ist die Luftstromkraft der wichtigste Faktor.
Experimente haben gezeigt, dass Partikel in Luftströmungen mit nahezu exakt derselben Geschwindigkeit der Strömung folgen. Der Zustand der Partikel in der Luft wird durch die Luftströmungsverteilung bestimmt. Zu den wichtigsten Einflüssen der Luftströmung auf Partikel in Innenräumen zählen: die Zuluftströmung (einschließlich Primär- und Sekundärströmung), die durch Personen verursachte Luftströmung und thermische Konvektion sowie die Auswirkungen der Luftströmung auf Partikel durch Prozessabläufe und Industrieanlagen. Unterschiedliche Zuluftmethoden, Strömungsgeschwindigkeiten, Bedienpersonal und Industrieanlagen sowie induzierte Phänomene in Reinräumen sind allesamt Faktoren, die den Reinheitsgrad beeinflussen.
1. Einfluss der Luftzufuhrmethode
(1) Luftzufuhrgeschwindigkeit
Um einen gleichmäßigen Luftstrom zu gewährleisten, muss die Luftzufuhrgeschwindigkeit im Reinraum mit unidirektionaler Strömung gleichmäßig sein; die Totzone auf der Luftzufuhrfläche muss klein sein; und der Druckabfall innerhalb des HEPA-Filters muss ebenfalls gleichmäßig sein.
Die Luftzufuhrgeschwindigkeit ist gleichmäßig: Das heißt, die Ungleichmäßigkeit des Luftstroms wird innerhalb von ±20% kontrolliert.
Es gibt weniger Totraum auf der Luftzufuhrfläche: Nicht nur die ebene Fläche des HEPA-Rahmens sollte reduziert werden, sondern vor allem sollte eine modulare FFU verwendet werden, um den redundanten Rahmen zu vereinfachen.
Um sicherzustellen, dass der Luftstrom vertikal und unidirektional ist, ist die Wahl des Filters hinsichtlich des Druckverlusts ebenfalls sehr wichtig, und es ist erforderlich, dass der Druckverlust innerhalb des Filters nicht verzerrt wird.
(2) Vergleich zwischen FFU-System und Axialventilatorsystem
Die FFU (Flatflat-Fächer) ist eine Luftversorgungseinheit mit Ventilator und HEPA-Filter. Der Radialventilator der FFU saugt die Luft an und wandelt den dynamischen Druck im Luftkanal in statischen Druck um. Anschließend wird sie vom HEPA-Filter gleichmäßig ausgeblasen. An der Decke herrscht Unterdruck in der Zuluft. Dadurch gelangt beim Filterwechsel kein Staub in den Reinraum. Experimente haben gezeigt, dass das FFU-System hinsichtlich Luftaustrittsgleichmäßigkeit, Strömungsparallele und Lüftungseffizienz dem Axialventilatorsystem überlegen ist. Dies liegt an der besseren Strömungsparallele des FFU-Systems. Der Einsatz des FFU-Systems optimiert die Luftführung im Reinraum.
(3) Einfluss der eigenen Struktur der FFU
Die FFU besteht hauptsächlich aus Ventilatoren, Filtern, Luftstromführungen und weiteren Komponenten. Der HEPA-Filter ist die wichtigste Voraussetzung dafür, dass der Reinraum die im Design geforderte Reinheit erreicht. Das Filtermaterial beeinflusst die Gleichmäßigkeit des Strömungsfeldes. Durch die Verwendung eines rauen Filtermaterials oder einer Strömungsplatte am Filterauslass lässt sich ein gleichmäßiges Strömungsfeld erzielen.
2. Einfluss der Geschwindigkeitsschnittstelle auf unterschiedliche Sauberkeit
Im selben Reinraum entsteht zwischen Arbeits- und Nichtarbeitsbereich mit vertikaler, unidirektionaler Strömung aufgrund der unterschiedlichen Luftgeschwindigkeit am HEPA-Filter ein Mischwirbel an der Grenzfläche. Diese Grenzfläche bildet eine Zone turbulenter Luftströmung. Die Intensität der Luftturbulenzen ist besonders hoch, wodurch Partikel auf die Oberfläche der Anlagen gelangen und diese sowie die Wafer kontaminieren können.
3. Auswirkungen auf Personal und Ausrüstung
Wenn ein Reinraum leer ist, entsprechen die Luftströmungseigenschaften im Allgemeinen den Konstruktionsvorgaben. Sobald Geräte in den Reinraum gelangen, sich Personen bewegen und Produkte transportiert werden, entstehen unweigerlich Hindernisse für die Luftströmung, beispielsweise scharfe Kanten an den Geräten. An Ecken und Kanten wird das Gas umgelenkt und bildet Turbulenzen. Die Flüssigkeiten in diesem Bereich werden vom einströmenden Gas nicht ausreichend abgeführt, was zu Verunreinigungen führt.
Gleichzeitig erwärmt sich die Oberfläche der mechanischen Ausrüstung durch den kontinuierlichen Betrieb. Der entstehende Temperaturgradient führt zu einer Reflow-Zone in Maschinennähe, wodurch sich dort vermehrt Partikel ansammeln. Die hohe Temperatur begünstigt zudem das Austreten der Partikel. Dieser doppelte Effekt verstärkt die vertikale Schichtbildung und erschwert die Kontrolle der Strahlreinheit. Staub von den Bedienern im Reinraum kann sich in diesen Reflow-Zonen leicht an den Wafern festsetzen.
4. Einfluss des Rückluftbodens
Wenn der Rückluftwiderstand beim Durchströmen des Bodens unterschiedlich ist, entsteht ein Druckunterschied. Dadurch strömt die Luft in Richtung des geringeren Widerstands, und eine gleichmäßige Luftströmung wird nicht erreicht. Eine gängige Konstruktionsmethode ist der Einsatz eines erhöhten Bodens. Bei einem Öffnungsgrad des erhöhten Bodens von 10 % lässt sich die Luftströmungsgeschwindigkeit in der Arbeitshöhe im Innenraum gleichmäßig verteilen. Zusätzlich ist auf sorgfältige Reinigungsmaßnahmen zu achten, um Verschmutzungen auf dem Boden zu minimieren.
5. Induktionsphänomen
Das sogenannte Induktionsphänomen beschreibt die Erzeugung eines Luftstroms entgegen der gleichförmigen Strömungsrichtung. Dadurch wird Staub aus dem Raum oder aus angrenzenden, kontaminierten Bereichen auf die windzugewandte Seite gezogen und kontaminiert so den Wafer. Mögliche Induktionsphänomene sind beispielsweise:
(1) Blindplatte
In einem Reinraum mit vertikaler Einwegströmung entstehen aufgrund der Wandfugen in der Regel große Blindplatten, die zu turbulenter Strömung und lokalem Rückfluss führen.
(2) Lampen
Die Beleuchtung in Reinräumen hat einen größeren Einfluss. Da die Wärme der Leuchtstofflampe die Luftströmung nach oben treibt, entsteht im Bereich der Leuchtstofflampe keine Turbulenz. Um die Luftströmung so wenig wie möglich zu beeinflussen, sind die Lampen in Reinräumen üblicherweise tropfenförmig.
(3) Lücken zwischen den Wänden
Wenn zwischen Trennwänden oder Decken mit unterschiedlichen Reinheitsanforderungen Lücken bestehen, kann Staub aus Bereichen mit niedrigen Reinheitsanforderungen in angrenzende Bereiche mit hohen Reinheitsanforderungen gelangen.
(4) Der Abstand zwischen der mechanischen Ausrüstung und dem Boden oder der Wand
Ist der Abstand zwischen der Maschine und dem Boden oder der Wand zu gering, entstehen Rückprallturbulenzen. Lassen Sie daher einen Abstand zwischen Maschine und Wand und erhöhen Sie die Maschinenplattform, um einen direkten Bodenkontakt zu vermeiden.
Veröffentlichungsdatum: 02.11.2023