I settori della produzione di semiconduttori, elettronica e fotonica raramente falliscono solo a causa del conteggio delle particelle. Una fase di rivestimento dei wafer, una fase di metrologia e una fase di saldatura a filo possono condividere la stessa classificazione della sala e presentare comunque rischi del tutto diversi in termini di contaminazione, elettricità statica e temperatura. La questione pratica per un team di progetto non è quale classe ISO specificare, ma quale fase del processo determini quale controllo e dove tale controllo debba essere integrato nella sala, anziché essere dato per scontato in base al numero di classe.

Rischi di processo non coperti dalla classificazione delle particelle

La classificazione delle particelle risponde a una domanda: quante particelle di una determinata dimensione sono presenti in specifici punti di campionamento all’interno della stanza. Si tratta di una misurazione concreta e necessaria, ma descrive solo lo stato particellare dell’aria, non l’insieme completo delle vie di contaminazione che influenzano la produzione, il rivestimento, l’assemblaggio o il collaudo.

La contaminazione molecolare dispersa nell’aria rappresenta un meccanismo a sé stante. Alcune sostanze chimiche utilizzate nei processi rilasciano vapori o prodotti di degassamento che non vengono rilevati dal conteggio delle particelle, ma che possono depositarsi su una superficie, alterare la composizione chimica di un rivestimento o interferire con una fase successiva del processo. Laddove un processo sia sensibile a questa via di contaminazione, il progetto richiede un valutazione della pulizia chimica come una decisione distinta dalla classe delle particelle; laddove il processo non presenti tale sensibilità, tale valutazione potrebbe non costituire affatto un requisito del progetto. ISO 14644-8:2022 riguarda la valutazione e la classificazione del grado di purezza chimica dell'aria, ma solo nei casi in cui le sostanze chimiche presenti nell'aria costituiscano effettivamente un rischio per il processo; essa non sostituisce la classificazione delle particelle, né la classificazione delle particelle la sostituisce.

Il deposito superficiale rappresenta una terza via. Una stanza può soddisfare i requisiti relativi alla classe di particelle all’altezza di campionamento utilizzata per la classificazione, mentre una superficie orizzontale situata al di sotto di uno strumento accumula depositi per via della sedimentazione gravitazionale, del degassamento o del contatto durante la manipolazione. L’importanza di questo aspetto dipende interamente dalla sensibilità della superficie in questione: un wafer nudo in attesa della fase successiva del processo presenta un livello di esposizione diverso rispetto a un componente confezionato e sigillato.

La scarica elettrostatica è un quarto meccanismo, del tutto distinto dagli altri: si tratta di un rischio di trasferimento di carica legato ai materiali, alla manipolazione e alla messa a terra, non alla concentrazione di particelle sospese nell’aria. Un locale può essere conforme ai requisiti relativi alle particelle e presentare comunque un Rischio ESD a un dispositivo sensibile alle cariche elettriche qualora la pavimentazione, gli indumenti, le postazioni di lavoro o i sistemi di ionizzazione non siano adeguati alla sensibilità di tale dispositivo.

La contaminazione generata dagli strumenti costituisce la quinta categoria e ha origine dalle apparecchiature di processo stesse — particelle o vapori generati nel punto di utilizzo piuttosto che trasportati nell’aria di alimentazione. Questo rischio dipende dallo strumento specifico e dalla fase di processo, non dalla classificazione della camera, e richiede una decisione relativa all’interfaccia tra lo strumento e la camera bianca circostante piuttosto che una decisione di classificazione a livello di camera. La norma ISO 14644-1:2015 stabilisce i criteri di conteggio delle particelle in punti di campionamento designati e nulla al di fuori di tale ambito; considerarla come se coprisse anche la contaminazione biologica, chimica, radiologica o la pulizia delle superfici significa tralasciare tali aspetti nel brief di progetto.

Mappatura delle fasi di produzione, rivestimento, assemblaggio e collaudo in funzione delle esigenze di controllo

Ogni fase di una linea di produzione high-tech presenta una propria combinazione delle cinque categorie di rischio sopra indicate, e tale combinazione varia man mano che il materiale si sposta lungo la linea. Una fase di fabbricazione che prevede l’uso di sostanze chimiche reattive può comportare un rischio significativo di contaminazione molecolare aerodispersa e generata dagli strumenti, mentre il rischio legato alle particelle e alle scariche elettrostatiche (ESD) in quella stessa fase è relativamente contenuto grazie all’involucro dello strumento di processo stesso. Una fase di rivestimento può ribaltare tale equilibrio: il controllo delle particelle nel punto di deposizione può diventare l’esigenza principale, mentre la contaminazione molecolare è controllata dalla composizione chimica del rivestimento stesso piuttosto che dall’ambiente. Una fase di assemblaggio in cui si maneggiano dispositivi non imballati e sensibili alle cariche elettrostatiche può comportare un requisito ESD determinante anche laddove i rischi legati alle particelle e alla contaminazione molecolare siano secondari. Una fase di collaudo, a seconda di ciò che viene misurato e di come viene maneggiato il dispositivo, può tornare a presentare un profilo di rischio dominato dalle particelle o dalla manipolazione.

Non esiste un unico controllo applicabile a tutte e quattro le fasi, poiché il rischio alla base del requisito non è lo stesso da una fase all’altra. Assegnare un controllo uniforme della camera bianca a ogni fase — utilizzando un unico approccio progettuale per i rischi legati a particelle, molecole, ESD e manipolazione, indipendentemente dalla fase in questione — comporta un’allocazione errata delle risorse di controllo: le fasi in cui prevale un rischio non legato alle particelle ricevono una soluzione orientata alle particelle, mentre quelle in cui prevale un rischio legato alle particelle potrebbero non ottenere il controllo locale di cui hanno bisogno.

Il metodo di lavoro consiste nell’analizzare ogni fase singolarmente e chiedersi quale delle cinque categorie di rischio prevalga in quel punto specifico del processo, in base ai materiali, alle sostanze chimiche e alle modalità di manipolazione coinvolte in quella fase, piuttosto che partire da una classificazione prestabilita e inserire a posteriori le altre categorie di rischio. Laddove il rischio prevalente di una fase non risulti chiaro dalla sola descrizione del processo, si tratta di un’informazione che il team di progetto deve chiarire prima di poter assegnare una misura di controllo — non di una lacuna da colmare ricorrendo per default alla classificazione generale dell’ambiente.

Definizione di aree locali pulite intorno alle fasi più delicate

Una volta identificato il rischio dominante di una fase di processo, la decisione successiva riguarda la collocazione di tale controllo: nella sala generale o in una zona locale creata attorno alla fase stessa. Una zona pulita locale diventa la scelta più appropriata quando una specifica fase di processo richiede un controllo sostanzialmente più rigoroso — in termini di particelle, contaminazione molecolare, ESD o una combinazione di questi fattori — rispetto a quanto previsto dal progetto della sala circostante, e quando estendere tale controllo più rigoroso all’intera sala non è l’approccio progettuale previsto.

Le attrezzature utilizzate per creare quella condizione locale, come ad esempio un unità di filtraggio del ventilatore oppure un Stadio di filtrazione HEPA/ULPA Integrata nel punto di utilizzo, crea una zona di controllo più rigoroso all’interno di un locale che altrimenti funzionerebbe secondo standard diversi. Si tratta di una scelta progettuale relativa all’aria del locale e alla zona locale, non di una dichiarazione su quale numero di classificazione si applichi all’intera struttura, e l’apparecchiatura che svolge tale funzione è distinta dai componenti degli strumenti di processo anche quando è installata in prossimità di uno strumento o interfacciata con esso.

La definizione della zona rappresenta solo la prima parte della decisione. La seconda parte consiste nel definire in che modo si accederà a tale zona e come verrà testata una volta che sarà stata creata. Una zona locale che non può essere raggiunta per la manutenzione senza interferire con il proprio sistema di controllo, o che non dispone di un punto di verifica definito per confermare il mantenimento dello stato di allerta, non funziona come un controllo locale duraturo, ma rimane solo un'ipotesi. Le questioni relative all'accesso e alla verifica devono essere risolte insieme a quella della suddivisione in zone, senza rimandarle alla fase di installazione, poiché è proprio la disposizione fisica della zona a determinare quali modalità di accesso e verifica saranno effettivamente possibili in seguito.

Quando un progetto prevede una sequenza di fasi delicate, ciascuna caratterizzata da un rischio specifico, la decisione relativa alla suddivisione in zone deve essere presa fase per fase, anziché definire un’unica zona che comprenda l’intera sequenza: una zona dimensionata in base alla fase più impegnativa della sequenza potrebbe esercitare un controllo eccessivo sulle altre, mentre una zona dimensionata per motivi di praticità potrebbe non garantire un controllo sufficiente proprio sulla fase che ne ha effettivamente bisogno.

Coordinamento degli impianti di scarico degli utensili, dei servizi di utenza, del riscaldamento e degli accessi per la manutenzione

Un capitolato tecnico per una camera bianca che si limiti alla classificazione e alla suddivisione in zone lascia irrisolte diverse questioni di coordinamento, e ciascuna di esse ha un impatto concreto sul fatto che la camera finita funzioni come previsto.

L'impianto di aspirazione dei gas di processo è l'esempio più evidente. L'aspirazione rimuove dall'ambiente la contaminazione generata dagli strumenti e i sottoprodotti del processo, ma il sistema di aspirazione stesso è un elemento del progetto con un proprio ambito di applicazione, e tale ambito deve essere interfacciato con il pacchetto della camera bianca piuttosto che essere considerato parte integrante di esso. Laddove l'ambito di applicazione dell'aspirazione sia lasciato ambiguo, il bilancio d'aria della camera, la sua pressurizzazione rispetto agli spazi adiacenti e le sue effettive prestazioni in termini di contaminazione a livello degli strumenti possono tutti discostarsi da quanto previsto dalle decisioni relative alla classificazione e alla suddivisione in zone.

Anche gli impianti di servizio per i processi sono soggetti allo stesso requisito di coordinamento. Gli impianti di servizio che riforniscono le apparecchiature di processo costituiscono un ambito distinto rispetto a quello delle apparecchiature della camera bianca, e l’interfaccia tra i due deve essere definita in modo esplicito, anziché essere risolta solo in fase di installazione.

Il carico termico è un fattore di coordinamento a sé stante, sul quale la classificazione particellare non fornisce alcuna indicazione. Gli strumenti di processo generano calore e il sistema di trattamento dell’aria della sala deve essere dimensionato e controllato in modo da gestire tale carico in ogni fase interessata; una sala correttamente classificata in termini di pulizia particellare può comunque non riuscire a mantenere le condizioni previste se il carico termico in una determinata fase non è stato preso in considerazione nella progettazione. La decisione relativa al carico termico rientra nella mappatura dei rischi delle fasi di processo, non nella classificazione particellare.

L’accesso per la manutenzione è il punto di coordinamento che si ricollega alla decisione relativa alla suddivisione in zone. Una zona pulita locale o un’interfaccia per strumenti realizzata senza un percorso di accesso definito per la manutenzione crea un conflitto in un secondo momento: l’attività di manutenzione stessa diventa un evento di contaminazione o di interruzione per la zona che dovrebbe servire. La decisione relativa all’accesso presa in fase di suddivisione in zone deve tenere conto di come i filtri, i componenti degli strumenti o gli allacciamenti alle utenze in quella zona saranno effettivamente raggiunti e riportati alle loro condizioni controllate in seguito.

Distinguere l'ambito delle attrezzature dei fornitori dalla responsabilità relativa ai processi e ai sistemi

Il pacchetto di attrezzature fornito da un fornitore di camere bianche e i sistemi di processo che lo circondano rappresentano responsabilità progettuali distinte, e confondere i confini tra di essi crea lacune che emergono solo dopo l'installazione.

Il pacchetto relativo alla camera bianca e alle attrezzature comprende elementi quali la struttura della camera, le unità FFU e le apparecchiature di filtraggio, i sistemi di controllo e le finiture. Si tratta dei componenti che determinano la gestione dell’aria, l’involucro e la capacità di controllo della pulizia della camera. I sistemi di scarico delle apparecchiature di processo, le utenze di processo e la qualificazione finale dell’impianto installato non rientrano in tale pacchetto in quanto di competenza del progetto, anche qualora siano fisicamente collegati ad esso. Un fornitore che consegna la struttura della camera, le unità FFU e i sistemi di filtrazione, i sistemi di controllo e l’allestimento interno non è, in base a tale fornitura, responsabile dei sistemi di scarico o delle utenze che servono le apparecchiature di processo installate all’interno della camera, né dell’attività di qualificazione che conferma che l’impianto installato funzioni come richiesto.

Questa separazione assume particolare importanza nei punti di interfaccia individuati in precedenza: dove i flussi di scarico degli strumenti si integrano con il bilancio d’aria della sala, dove le utenze attraversano l’involucro della camera bianca e dove le disposizioni relative all’accesso e ai test di una zona pulita locale si integrano con la progettazione della sala circostante. Ogni interfaccia necessita di un responsabile ben definito. Partendo dal presupposto che un pacchetto di camera bianca prestabilito includa automaticamente tutto ciò che riguarda lo strumento di processo, sono proprio queste interfacce a rimanere senza assegnazione.

Questo è anche il momento dello sviluppo del progetto in cui le informazioni raccolte dall’acquirente — la mappatura dei rischi relativi alle fasi del processo, le decisioni in materia di zonizzazione e le assegnazioni delle interfacce già effettuate — diventano la base su cui un fornitore come YOUTH si baserebbe per esaminare una richiesta di configurazione o di preventivo per un modulo per camera bianca per semiconduttori, un Disposizione delle FFU, oppure una fase di filtrazione HEPA/ULPA. Una richiesta che specifichi solo una classificazione di riferimento, senza la relativa mappatura dei rischi e le assegnazioni delle interfacce, fornisce una base più limitata per tale revisione rispetto a una richiesta che includa tali elementi.

Elementi da chiarire prima di redigere la memoria relativa alla camera bianca high-tech

Prima che una bozza venga sottoposta alla revisione dei fornitori, è utile che il team di progetto sappia esattamente quali elementi probatori sostengano ciascuna affermazione e quali siano i limiti di ciascuno di essi.

ISO 14644-1:2015 fornisce un supporto alla classificazione delle particelle sospese nell’aria in punti di campionamento designati — una base definita e verificabile per quanto riguarda l’aspetto della pulizia dalle particelle della stanza, e solo per quell’aspetto. Non stabilisce la pulizia in termini di organismi vitali, sostanze chimiche, radioattività o pulizia delle superfici, e un documento che citi questo standard come prova per una qualsiasi di queste altre condizioni lo sta citando al di fuori del suo ambito di applicazione.

La norma ISO 14644-8:2022 supporta la valutazione e la classificazione della pulizia chimica dell’aria e diventa rilevante solo nei casi in cui la mappatura dei rischi delle fasi di processo abbia già identificato che le sostanze chimiche presenti nell’aria costituiscono un rischio di processo per almeno una fase. Qualora nessuna fase della mappatura comporti tale rischio, la presente norma non ha alcuna rilevanza ai fini del presente documento. Qualora una fase presenti tale rischio, la presente norma non sostituisce la classificazione delle particelle già stabilita ai sensi della norma ISO 14644-1: entrambe si applicano, affrontando percorsi diversi.

ISO 14644-4:2022 supporta l’iter che va dai requisiti alla progettazione, alla realizzazione, alla messa in servizio e alla verifica — il percorso procedurale che un progetto segue per passare da un requisito definito a uno stato di installazione verificato. Non prescrive una tecnologia, uno strumento di processo o un ambito di fornitura specifici, pertanto il suo riferimento non determina quale famiglia di apparecchiature, quale approccio di zonizzazione o quale interfaccia di scarico un determinato progetto debba utilizzare; tali scelte rimangono di competenza del progetto stesso, sulla base della mappatura delle fasi di processo e del coordinamento delle interfacce già discussi.

Laddove il brief di progetto specifichi una classe di particelle richiesta, un requisito di pulizia chimica, un confine di zonizzazione, un’assegnazione delle interfacce di scarico e dei servizi, e una disposizione relativa all’accesso per la manutenzione — ciascuno legato alla fase di processo che lo determina — il brief fornisce al fornitore che esamina la richiesta una base definita per una risposta in termini di configurazione. Laddove manchi uno qualsiasi di questi elementi, la lacuna è specifica: non si tratta di un’incertezza generale sul progetto, bensì di un elemento concreto che il team di progetto deve ancora risolvere prima che il brief possa essere considerato completo.

Domande frequenti

Q: È sufficiente una classe di particelle specifica per definire un progetto di camera bianca ad alta tecnologia?
A: No. La classificazione delle particelle determina la concentrazione delle particelle sospese nell’aria in punti di campionamento prestabiliti, mentre la contaminazione molecolare aerodispersa, la deposizione superficiale, le scariche elettrostatiche (ESD), il carico termico e la contaminazione generata dagli utensili richiedono decisioni progettuali distinte. È necessario mappare tali rischi in relazione a ciascuna fase di fabbricazione, rivestimento, assemblaggio e collaudo prima di assegnare le misure di controllo.

Q: Quando è opportuno che una fase del processo utilizzi una zona pulita locale anziché fare affidamento sull'ambiente circostante?
A: Utilizzare una zona pulita locale quando quella fase richiede un controllo più rigoroso rispetto alla sala circostante. Prima di scegliere l’approccio, definire il rischio specifico della fase, le modalità di accesso alla zona da parte degli operatori o dei materiali e le modalità di verifica dei controlli richiesti.

Q: Quali informazioni è necessario preparare prima di richiedere un'offerta per le attrezzature da camera bianca?
A: Preparare una mappa di processo che identifichi la classe di particelle richiesta e i criteri di verifica, eventuali requisiti di pulizia chimica, i requisiti specifici del processo relativi alle superfici e all’ESD, i rischi di contaminazione generati dalle attrezzature, i carichi termici, le interfacce di scarico e di utenze, nonché gli accessi per la manutenzione. Ciò fornisce ai fornitori una base definita per distinguere i controlli ambientali dalle esigenze del sistema di processo.

Q: Come possono gli acquirenti confrontare l'ambito di competenza dei fornitori senza tralasciare interfacce fondamentali?
A: Confrontare le proposte sulla base di una suddivisione esplicita dell'ambito di intervento. Verificare se sono inclusi la struttura della sala, le unità FFU e gli impianti di filtrazione, i sistemi di controllo e le finiture; assegnare poi separatamente l'aspirazione degli strumenti di processo, i servizi di utenza e la qualificazione finale dell'impianto, indicando nel brief il punto terminale di ciascuna interfaccia.

Q: Quale norma di riferimento ISO 14644 dovrebbe essere applicata a ciascuna parte del brief di progetto?
A: Abbinare il riferimento alla decisione che effettivamente sostiene: la norma ISO 14644-1 per la classificazione delle particelle sospese nell’aria, la norma ISO 14644-8 quando le sostanze chimiche presenti nell’aria comportano un rischio di processo e la norma ISO 14644-4 per il percorso che va dai requisiti alla progettazione, alla costruzione, alla messa in funzione e alla verifica. Nessuno di questi riferimenti, da solo, consente di selezionare uno strumento di processo, definire l’ambito di fornitura o risolvere ogni rischio di contaminazione.