Halfgeleiderfabrieken die in de offerteaanvraag een deeltjesklasse opgeven en bij de oplevering weer een deeltjesklasse terugkrijgen, ontdekken de discrepantie vaak pas later — niet in de deeltjestellingen, maar in de opbrengstgegevens. Zuren, ammoniak, VOS of doteringsstoffen afkomstig van bouwmaterialen, procesapparatuur of personeel kunnen gevoelige oppervlakken bereiken zonder ooit een deeltjesalarm te activeren, omdat de instrumenten die de cleanroom bewaken niet zijn ontworpen om deze stoffen te detecteren. De kosten komen tot uiting in procesinstabiliteit of defecten op apparaatniveau na de inbedrijfstelling, op een moment waarop het opsporen van de verontreinigingsbron tests vereist die nooit in de scope waren opgenomen. Het onderscheiden van wat onder ISO 14644-1 valt en wat onder ISO 14644-8 valt — en het toepassen van dat onderscheid in de specificatiefase — is de beslissing die ervoor zorgt dat beide eisen contractueel zichtbaar en onafhankelijk verifieerbaar blijven.

Wat ISO 14644-1 regelt op het gebied van deeltjeszuiverheid

ISO 14644-1:2015 classificeert de luchtzuiverheid in cleanrooms op een schaal van ISO-klasse 1 tot en met ISO-klasse 9, op basis van de maximaal toegestane concentratie van zwevende deeltjes per kubieke meter, voor deeltjesgroottes van 0,1 µm tot 5 µm. Deze concentratiedrempels bepalen de basisnorm voor de deeltjeszuiverheid van een ruimte en vormen de uitgangspunt voor acceptatietests met behulp van lichtverstrooiende deeltjestellers. Waar de norm – expliciet en bewust – niet op ingaat, is enige vorm van chemische of moleculaire verontreiniging. Deeltjestellingen en chemische concentraties zijn afzonderlijke fysische grootheden die onder afzonderlijke normen vallen.

De voor de classificatie gespecificeerde meettoestand heeft meer invloed op de aanbesteding dan op het eerste gezicht lijkt. ISO 14644-1 onderscheidt drie toestanden: as-built, in rust en in bedrijf. Elk daarvan levert een ander resultaat op wat betreft het deeltjesaantal voor dezelfde ruimte, en elk kent een andere verantwoordelijkheid toe voor het beheersen van de omstandigheden tijdens het testen. Een leverancier kan voldoen aan een acceptatiecriterium in de ‘as-built’-toestand zonder aan te tonen dat de ruimte haar klasse behoudt onder procesbelasting. Als in de opdrachtomschrijving van de koper de vereiste meettoestand niet is gespecificeerd, kan het acceptatieresultaat technisch gezien geldig zijn volgens de norm, maar biedt het slechts beperkte zekerheid over de werkelijke bedrijfsomstandigheden. Het specificeren van de toestand in het aanbestedingsdocument is geen formaliteit; het bepaalt wie de testomgeving beheert en aan welke voorwaarden moet worden voldaan op het moment van goedkeuring.

Voor inkoopteams die aan een halfgeleider-cleanroomproject beginnen, is het nuttig om het volgende in gedachten te houden: ISO 14644-1 bepaalt wat deeltjeszuiverheid inhoudt en hoe deze moet worden gemeten. Deze norm dient niet, en kan ook niet dienen, als vervanging voor enige vorm van beheersing van moleculaire verontreiniging.

Wat ISO 14644-8 toevoegt op het gebied van chemische concentratie

ISO 14644-8:2022 heeft betrekking op een afzonderlijke categorie van luchtzuiverheid: de concentratie van chemische stoffen in de lucht onder bedrijfsomstandigheden in cleanrooms. Het toepassingsgebied omvat zuren, basen, vluchtige organische stoffen, condenseerbare koolwaterstoffen en doteringen — verontreinigingen die onzichtbaar zijn voor deeltjestellers, maar die oppervlakken kunnen aantasten, materiaaleigenschappen kunnen veranderen of afzettings- en etsprocessen in de halfgeleiderproductie kunnen verstoren.

De norm stelt een formaat vast voor de beschrijving van de chemische zuiverheid van de lucht (ACC), waarmee kopers de chemische zuiverheid nauwkeurig kunnen specificeren in aanbestedingsdocumenten. Deze beschrijving geeft aan om welke chemische stof of categorie het gaat, wat de concentratielimiet is, wat de bemonsteringsstrategie is en, indien van toepassing, wat de tijdgewichtsfactor is. Het meetbare concentratiebereik waarbinnen de norm werkt, strekt zich uit van 100 g/m³ tot 10⁻¹² g/m³, wat de gevoeligheid weerspiegelt die nodig is om chemisch significante verontreinigingsniveaus in gecontroleerde omgevingen te detecteren. Dit bereik moet worden gezien als een specificatie-input — de juiste grenswaarde voor een bepaalde chemische stof hangt af van de gevoeligheid van het proces, niet van één enkele drempelwaarde die uniform van toepassing is op alle toepassingen.

Het praktische risico op defecten waarop de norm betrekking heeft, is specifiek. Chemische verontreiniging die een cleanroom binnendringt, kan afkomstig zijn van bronnen die een goed onderhouden deeltjesfiltersysteem niet kan beheersen: uitgassing van bouwmaterialen, lekken in procesapparatuur, reinigingsmiddelen of personeel. Wanneer het acceptatiepakket van een afnemer geen expliciete ACC-specificatie bevat, blijven deze bronnen buiten het toepassingsgebied van de leverancier, en is er voor de verontreiniging die zij veroorzaken geen contractuele test waarmee deze bij de oplevering kan worden gemeten. Dit gemis komt mogelijk pas aan het licht wanneer procesgegevens na de inbedrijfstelling een probleem aan het licht brengen dat niet met een deeltjestellingslogboek kan worden verklaard.

Waarom AMC niet kan worden beschouwd als een uitbreiding van de deeltjesklasse

De veronderstelling dat een goed gecontroleerde deeltjesomgeving ook een aanvaardbare moleculaire verontreiniging inhoudt, is de meest schadelijke verwarring die bij de inkoop voor halfgeleider-cleanrooms steeds weer de kop opsteekt. Het product doorstaat de inkomende inspectie, terwijl moleculaire verontreiniging in de lucht (AMC) volledig buiten de acceptatiecriteria valt — niet omdat de chemische verontreiniging onder controle was, maar omdat er niemand op heeft getest.

De onderliggende reden waarom de twee niet door elkaar kunnen worden vervangen, is van mechanische aard. Deeltjesverontreiniging volgt een transport- en afzettingstraject dat door HEPA- en ULPA-filtratie wordt aangepakt door deeltjes fysiek op te vangen in het filtermedium. Chemische verontreiniging volgt een ander traject in drie stappen: vorming bij de bron, transport via de luchtstroom en sorptie op een oppervlak of in een materiaal. Vorming, transport en sorptie vereisen elk afzonderlijke beheersmaatregelen, en geen van die maatregelen is ingebouwd in een deeltjesfiltersysteem. Een filter met een efficiëntie van 99,97% voor deeltjes ≥ 0,3 µm biedt geen gedefinieerde prestaties tegen moleculaire deeltjes. De twee systemen zijn niet redundant; ze lossen verschillende problemen op met verschillende filtermedia, verschillende onderhoudsintervallen en verschillende aannames inzake de levensduur.

Het duidelijke contrast tussen de onderwerpen waarop elke norm betrekking heeft, onderstreept nog eens waarom deze in aanbestedingsdocumenten als afzonderlijke eisen moeten worden behandeld.

Het samenvoegen van deze twee aspecten tot één enkele reinheidsclaim leidt niet alleen tot een tekortkoming in de naleving, maar ook tot een probleem met de inzichtelijkheid van het inkoopproces. Wanneer bij de overdracht een gecombineerde claim wordt geaccepteerd, beschikt de inkoper niet over een gedocumenteerde basis om vast te stellen welke chemische filtermedia waren gespecificeerd, of er überhaupt media waren gespecificeerd, wie verantwoordelijk is voor de bemonstering tijdens hercertificering, of wanneer chemische filtermedia moeten worden vervangen. Die beslissingen kunnen niet eenduidig worden afgeleid uit een acceptatierapport voor deeltjes. Als er later opbrengstproblemen optreden en er bij een audit om bewijs van AMC-controle wordt gevraagd, is het ontbreken van een aparte regel voor chemische acceptatie geen lacune in de administratie — het is het ontbreken van een afdwingbare eis.

Hoe acceptatietests binnen het leveranciersbereik kunnen worden gescheiden

Acceptatietests voor deeltjes en chemische stoffen verschillen niet alleen qua methode, maar ook wat betreft de geldende norm, de testparameters, de bemonsteringsaanpak en de logica waarmee meetgegevens kunnen worden gebruikt om de herkwalificatie-intervallen aan te passen.

Wat betreft de deeltjeszuiverheid stelt ISO 14644-2 een maximuminterval van 12 maanden vast voor periodieke deeltjestellingen en staat het toe dat gegevens uit continue deeltjesmonitoring worden gebruikt ter onderbouwing van verlengde herkwalificatie-intervallen, mits de faciliteit over een vastgesteld monitoringprogramma beschikt. Voor chemische reinheid volgens ISO 14644-8 bestaat er geen gelijkwaardig vast, universeel interval. De frequentie van hertesten wordt bepaald door de ACC-specificatie van de afnemer zelf, op basis van de procesgevoeligheid, de aanwezige chemische bronnen en de stabiliteit van de getroffen beheersmaatregelen. Continue deeltjesmonitoring kan volgens geen van beide normen in de plaats komen van chemische bemonstering — de meetmethoden, instrumenten en bemonsterde hoeveelheden zijn niet onderling uitwisselbaar.

De consequentie voor de inkoop is duidelijk: als chemische acceptatietests niet expliciet in de leveringsomvang zijn opgenomen als afzonderlijke posten met een eigen toepasselijke norm, testparameter en bemonsteringsprotocol, zullen deze bij de acceptatie niet worden uitgevoerd. Een leverancier die een offerte indient op basis van een leveringsomvang waarin uitsluitend naar ISO 14644-1 wordt verwezen, heeft geen contractuele verplichting om de chemische reinheid aan te tonen, ongeacht wat de afnemer als impliciet veronderstelde.

In de projectfase waarin de reikwijdte van de fabrieksacceptatietests (FAT) en de locatieacceptatietests (SAT) wordt vastgesteld, is de vraag niet of chemische tests in het algemeen geschikt zijn voor halfgeleider-cleanrooms — dat is meestal het geval — maar of de specifieke chemische stoffen, bemonsteringslocaties en acceptatiegrenzen voor concentraties zijn gedefinieerd en aan een verantwoordelijke partij zijn toegewezen in het document met de leveringsomvang. Als die definitie niet is vastgelegd voordat de offerteaanvraag wordt afgesloten, wordt deze leemte doorgaans uit de prijs gehaald in plaats van opgelost, omdat leveranciers wel snel FFU-aantallen en luchtstroomcijfers kunnen verstrekken, maar geen prijs kunnen opgeven voor chemische tests zonder kennis van de verontreinigingscategorieën, aannames over de bronnen en het bemonsteringsprotocol dat de koper van plan is toe te passen.

Formulering in specificaties die tegenstrijdige beweringen over de reinheid voorkomt

Een specificatie die uitsluitend verwijst naar ISO 14644-1 en een deeltjesklasse vormt één enkele acceptatiecriteria. Een leverancier kan hieraan voldoen door een ruimte op te leveren die voldoet aan de drempelwaarden voor het deeltjesaantal, en daarmee is aan de contractuele verplichtingen voldaan, ongeacht of er al dan niet maatregelen voor chemische reinheid zijn ontworpen, geïnstalleerd of getest. Deze vaagheid is geen tekortkoming van de leverancier — het is een leemte in de specificatie die geen contractuele basis biedt om chemische reinheid als een onafhankelijk acceptatiecriterium te hanteren.

De praktische aanbeveling is om naar beide normen afzonderlijk en expliciet te verwijzen. ISO 14644-1 bevat de aanduiding van de deeltjesklasse — bijvoorbeeld ISO-klasse 7 of ISO-klasse 8 — waarbij de meettoestand wordt gespecificeerd. ISO 14644-8 bevat een gedefinieerde ACC-descriptor die de relevante categorieën verontreinigingen benoemt, concentratiegrenzen per soort toekent, de bemonsteringsstrategie vastlegt en een tijdwegingsfactor toepast waar de norm dit vereist. Deze twee verwijzingen vervullen verschillende functies en kunnen elkaar niet vervangen. ISO 14644-8 vereist bovendien dat in de specificatie wordt aangegeven of verontreinigingen op het niveau van individuele soorten, als groep of per categorie worden gespecificeerd — een onderscheid dat van belang is omdat het bepaalt welke analysemethode aan de acceptatietest kan voldoen en of het resultaat verifieerbaar is ten opzichte van de opgegeven grenswaarde.

Een specificatie waarin de ACC-beschrijving ontbreekt, maakt het onmogelijk om beweringen over chemische reinheid bij de acceptatie te verifiëren. Zonder een gedefinieerde chemische stof, een concentratielimiet en een bemonsteringsprotocol kan geen enkele bewering die een leverancier bij de overdracht doet over chemische reinheid worden bevestigd of betwist aan de hand van een gedocumenteerde norm. Dat leidt tot een probleem met de verdedigbaarheid bij herkwalificatie, bij een procesaudit of wanneer bij onderzoek naar de opbrengst de geschiedenis van verontreiniging moet worden getraceerd — precies de situaties waarin het ontbreken van een referentiedocument voor chemische acceptatie het schadelijkst is. Voor projecten waarbij het procesrisico zowel deeltjesgevoelige als chemisch gevoelige stappen omvat, is het opnemen van afzonderlijke acceptatiecriteria in het specificatiedocument vóór de offerteaanvraagfase het moment waarop dat risico wordt beheerst of uitgesteld.

Bij cleanroomprojecten voor halfgeleiders waarbij naast de beheersing van chemische verontreiniging ook moet worden voldaan aan de deeltjesklasse-eisen, is het nuttig om te begrijpen hoe de keuze van filtermedia en het ontwerp van cleanroommodules samenhangen met beide acceptatiecriteria. De Module van de halfgeleider de Cleanroom op youthfilter.com geeft een beeld van de apparatuur die doorgaans in dergelijke omgevingen wordt gebruikt. Voor een toelichting op het verband tussen de verschillende soorten filtermedia en de diverse reinheidseisen, Vergelijking tussen filtertypes voor cleanroomlucht en ULPA behandelt de verschillen op mediagebied die van belang worden wanneer deeltjes- en chemische filtratie afzonderlijk worden gespecificeerd.

De meest voor de hand liggende controle vóór de aanbesteding is of de projectspecificatie momenteel twee onafhankelijke verwijzingen naar reinheid bevat — één naar ISO 14644-1 met een deeltjesklasse en een meettoestand, en één naar ISO 14644-8 met een gedefinieerde ACC-descriptor — of dat er één deeltjesklasse in staat die beide zou moeten omvatten. Als het laatste het geval is, heeft de eis inzake chemische reinheid geen contractuele definitie en geen verifieerbaar acceptatiecriterium bij de oplevering.

Alvorens de offerteaanvraag af te sluiten, moeten de voor het proces relevante categorieën chemische verontreinigingen worden geïdentificeerd, moeten concentratiegrenzen worden vastgesteld en moet de verantwoordelijkheid voor de bemonstering worden vastgelegd in de leveringsomvang. Deze stappen kunnen niet na de acceptatie worden voltooid zonder de leveringsomvang, de kosten en de planning opnieuw te bekijken. Het onderscheid tussen wat onder ISO 14644-1 valt en wat onder ISO 14644-8 valt, is geen administratief detail — het is de grens van de specificatie die bepaalt welke verontreinigingsrisico’s bij de oplevering afdwingbaar zijn en welke worden uitgesteld tot het oplossen van problemen na de inbedrijfstelling.

Veelgestelde vragen

V: Heeft het nog zin om ISO 14644-8 te specificeren als het proces uitsluitend uit droogetsen bestaat en er ter plaatse geen natte chemische processen plaatsvinden?
A: Ja, omdat de bronnen van chemische verontreiniging waarop ISO 14644-8 betrekking heeft, niet beperkt blijven tot proceschemie. Het uitgassen van materialen uit bouwafwerkingen, reinigingsmiddelen en personeel zijn onafhankelijke AMC-bronnen die actief blijven, ongeacht of er natte chemie aanwezig is. Droge etsprocessen kunnen nog steeds gevoelig zijn voor sporen van zuren, basen of VOS die het oppervlak van de wafer bereiken, dus het ontbreken van natte chemie ter plaatse neemt de noodzaak van een specificatie voor chemische reinheid niet weg — het verandert alleen welke categorieën verontreinigingen het meest relevant zijn, niet of een ACC-descriptor gerechtvaardigd is.

V: Als de offerteaanvraag is afgesloten met afzonderlijke acceptatielijnen volgens ISO 14644-1 en ISO 14644-8, wat is dan de eerste concrete stap voordat de FAT van start gaat?
A: Wijs de verantwoordelijkheid voor de bemonstering toe aan een met naam genoemde partij in het document met de leveringsomvang, voordat er een testprotocol wordt opgesteld. ISO 14644-8 schrijft voor dat de ACC-descriptor de bemonsteringsstrategie moet definiëren, maar deze bepaalt niet automatisch wie de chemische bemonstering uitvoert tijdens de FAT of SAT. Als die verantwoordelijkheid nog niet is toegewezen op het moment dat het schema voor de acceptatietests wordt opgesteld, wordt de chemische bemonstering standaard uitgesteld of uitgesloten, omdat hiervoor gespecialiseerde instrumenten en analyses nodig zijn die verschillen van de inzet van deeltjestellers. Het vaststellen van de verantwoordelijke partij — koper, leverancier of een extern laboratorium — terwijl de scope nog open is, is de stap die ervoor zorgt dat de chemische acceptatieprocedure uitvoerbaar blijft.

V: Vanaf welk moment is het vermelden van één enkele ISO-deeltjesklasse daadwerkelijk aanvaardbaar, in plaats van dat het een lacune in de specificatie vormt?
A: Alleen wanneer het proces geen stappen bevat die gevoelig zijn voor moleculaire verontreiniging en er geen materialen aanwezig zijn die uitgassen in concentraties die relevant zijn voor de te vervaardigen apparaten. In de praktijk komt deze situatie zelden voor in halfgeleideromgevingen, maar ze kan van toepassing zijn op back-end verpakkings- of testruimtes waar oppervlaktechemie geen bepalende factor is voor de opbrengst en het verontreinigingsrisico uitsluitend uit deeltjes bestaat. De grenswaarde-test is procesafhankelijk: als de opbrengst of de materiaalintegriteit wordt beïnvloed door sporen van chemische stoffen in plaats van door fysieke deeltjes, is één enkele deeltjesklasse onvoldoende. Als het risico uitsluitend uit deeltjes bestaat en de procesdocumentatie dit bevestigt, kan één enkele ISO 14644-1-referentie verdedigbaar zijn.

V: In hoeverre beïnvloedt de keuze tussen het specificeren van verontreinigingen op het niveau van individuele soorten of per categorie wat een leverancier realistisch gezien kan aanbieden qua prijs en levering?
A: Het specificeren van afzonderlijke stoffen vereist gerichtere analysemethoden en levert een verifieerbaar resultaat op ten opzichte van een vastgestelde grenswaarde, maar het vereist dat de inkoper vóór de sluiting van de offerteaanvraag vaststelt welke specifieke chemische stoffen een procesrisico vormen — iets waarvoor input van procesingenieurs nodig is. Specificeren per categorie is sneller op te nemen in een aanbestedingsdocument en maakt het voor leveranciers in eerste instantie gemakkelijker om hierop in te spelen, maar het leidt tot bredere acceptatiecriteria die mogelijk niet gevoelig genoeg zijn om de specifieke verontreiniging op te sporen die het opbrengstrisico veroorzaakt. De praktische afweging is dat specificatie op categorieniveau het offerteverzoek in gang houdt, maar kan leiden tot een geslaagde acceptatietest waarbij een procesrelevante verontreiniging toch onopgemerkt blijft. Wanneer de procesgevoeligheid bekend is, is specificatie per afzonderlijke stof beter te verdedigen bij audits en herkwalificaties.

V: Als de offerteaanvraagperiode voor een project al is verstreken zonder dat er een ACC-code is vastgesteld, is er dan een praktische manier om de traceerbaarheid van de chemische reinheid te herstellen vóór de overdracht?
A: Gedeeltelijke herstel is mogelijk via een wijzigingsopdracht waarbij een chemisch basisonderzoek als afzonderlijk onderdeel van de opdracht wordt toegevoegd vóór de SAT, maar dit zal niet dezelfde contractuele status hebben als een acceptatiecriterium vóór de offerteaanvraag (RFQ). Een basisonderzoek kan de chemische concentraties in de operationele toestand vastleggen en een referentiepunt vormen voor toekomstige herkwalificatie, maar aangezien er in de contractfase geen concentratielimiet door de leverancier is geaccepteerd, kan het onderzoeksresultaat geen aanleiding geven tot een contractuele afkeuring. Het meer realistische resultaat is dat het basisonderzoek het uitgangspunt wordt voor een doorlopend monitoringprogramma in plaats van een acceptatiemoment. Dit beperkt toekomstige onduidelijkheden zonder de kloof die is ontstaan door de ontbrekende ACC-beschrijving bij de aanbesteding volledig te dichten.