W obszarach produkcji półprzewodników, elektroniki i fotoniki rzadko zdarza się, by kryterium liczby cząstek samo w sobie decydowało o niepowodzeniu. Etap powlekania płytek, etap pomiarów oraz etap łączenia drutowego mogą mieć tę samą klasyfikację pomieszczenia, a mimo to wiązać się z zupełnie odmiennymi zagrożeniami związanymi z zanieczyszczeniami, wyładowaniami elektrostatycznymi i temperaturą. Praktycznym pytaniem dla zespołu projektowego nie jest to, jaką klasę ISO należy określić, ale który etap procesu wymaga jakiego środka kontroli oraz gdzie ten środek kontroli musi zostać wbudowany w pomieszczenie, a nie wynikać wyłącznie z numeru klasy.

Ryzyka procesowe, których nie obejmuje klasyfikacja cząstek

Klasyfikacja cząstek odpowiada na jedno pytanie: ile cząstek o określonej wielkości występuje w wyznaczonych punktach pomiarowych w pomieszczeniu. Jest to rzeczywisty i niezbędny pomiar, ale opisuje on jedynie stan cząstek stałych w powietrzu, a nie pełen zestaw dróg zanieczyszczenia, które mają wpływ na procesy produkcji, powlekania, montażu lub testowania.

Zanieczyszczenie molekularne w powietrzu stanowi odrębny mechanizm. Niektóre substancje chemiczne stosowane w procesach uwalniają opary lub gazy, które nie są wykrywane podczas pomiaru liczby cząstek, ale mogą osadzać się na powierzchni, zmieniać skład chemiczny powłoki lub zakłócać kolejny etap procesu. Jeśli proces jest wrażliwy na tę drogę zanieczyszczenia, projekt wymaga ocena czystości chemicznej jako odrębną decyzję w stosunku do klasy cząstek; w przypadku gdy proces nie wykazuje takiej wrażliwości, ocena ta może w ogóle nie stanowić wymogu projektowego. ISO 14644-8:2022 dotyczy oceny i klasyfikacji czystości chemicznej powietrza, ale wyłącznie w przypadkach, gdy substancje chemiczne zawarte w powietrzu stanowią zagrożenie dla procesu — nie zastępuje ona klasyfikacji cząstek, a klasyfikacja cząstek nie zastępuje jej.

Trzecim sposobem jest osadzanie się cząstek na powierzchni. Pomieszczenie może spełniać wymagania dotyczące klasy cząstek na wysokości pobierania próbek stosowanej do klasyfikacji, podczas gdy na poziomej powierzchni poniżej urządzenia gromadzą się cząstki w wyniku osiadania grawitacyjnego, odgazowywania lub kontaktu podczas obsługi. To, czy ma to znaczenie, zależy wyłącznie od wrażliwości danej powierzchni — nieosłonięta płytka półprzewodnikowa oczekująca na kolejny etap procesu jest narażona na inne czynniki niż zapakowany i uszczelniony element.

Wyładowanie elektrostatyczne to czwarty, zupełnie niezależny mechanizm: jest to ryzyko związane z przenoszeniem ładunków, wynikające z właściwości materiałów, sposobu obchodzenia się z nimi oraz uziemienia, a nie ze stężeniem cząstek w powietrzu. Pomieszczenie może spełniać wymagania dotyczące stężenia cząstek, a mimo to stanowić Ryzyko związane z wyładowaniami elektrostatycznymi do urządzenia wrażliwego na ładunki elektryczne, jeśli podłoga, odzież, stanowiska pracy lub urządzenia jonizujące nie są dostosowane do czułości tego urządzenia.

Zanieczyszczenia generowane przez narzędzia stanowią piątą kategorię i pochodzą z samego sprzętu procesowego — są to cząstki lub opary powstające w miejscu użytkowania, a nie przenoszone wraz z powietrzem zasilającym. Ryzyko to zależy od konkretnego narzędzia i etapu procesu, a nie od klasyfikacji pomieszczenia, i wymaga podjęcia decyzji dotyczącej interfejsu między narzędziem a otaczającym je pomieszczeniem czystym, a nie decyzji o klasyfikacji na poziomie samego pomieszczenia. Norma ISO 14644-1:2015 określa podstawy dotyczące zliczania cząstek w wyznaczonych punktach poboru próbek i nie wykracza poza ten zakres; traktowanie jej jako obejmującej również czystość biologiczną, chemiczną, radiologiczną lub czystość powierzchniową powoduje, że te aspekty nie są uwzględnione w briefie projektowym.

Dostosowanie procesów produkcji, powlekania, montażu i testowania do wymagań w zakresie kontroli jakości

Każdy etap w zaawansowanej technologicznie linii produkcyjnej wiąże się z własną kombinacją pięciu wyżej wymienionych kategorii ryzyka, a kombinacja ta zmienia się w miarę przemieszczania się materiału wzdłuż linii. Etap produkcji, w którym wykorzystuje się substancje chemiczne o wysokiej reaktywności, może wiązać się ze znacznym ryzykiem zanieczyszczenia cząsteczkami unoszącymi się w powietrzu oraz zanieczyszczeniem generowanym przez narzędzia, podczas gdy ryzyko związane z cząstkami stałymi i wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) na tym samym etapie jest stosunkowo ograniczone dzięki obudowie samego urządzenia procesowego. Etap powlekania może odwrócić tę równowagę: kontrola cząstek stałych w miejscu osadzania może stać się głównym wymogiem, podczas gdy zanieczyszczenie molekularne jest kontrolowane raczej przez sam skład chemiczny powłoki niż przez warunki panujące w pomieszczeniu. Etap montażu, podczas którego obsługuje się nieopakowane, wrażliwe na ładunki elektryczne urządzenia, może wiązać się z nadrzędnym wymogiem dotyczącym wyładowań elektrostatycznych (ESD), nawet jeśli ryzyko związane z cząstkami stałymi i zanieczyszczeniem molekularnym ma charakter drugorzędny. Etap testowania, w zależności od tego, co jest mierzone i w jaki sposób obsługuje się urządzenie, może powrócić do profilu ryzyka zdominowanego przez cząstki stałe lub ryzyko związane z obsługą.

Żadne pojedyncze przypisanie środka kontroli nie ma zastosowania we wszystkich czterech etapach, ponieważ ryzyko stanowiące podstawę danego wymogu nie jest takie samo na poszczególnych etapach. Przypisanie jednolitego środka kontroli dla pomieszczeń czystych do każdego etapu — opartego na jednym założeniu projektowym dotyczącym ryzyka związanego z cząstkami, cząsteczkami, wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) oraz obsługą, niezależnie od tego, który etap jest rozpatrywany — prowadzi do niewłaściwego rozłożenia wysiłków związanych z kontrolą: etapy, na których dominuje ryzyko niezwiązane z cząstkami, otrzymują rozwiązanie ukierunkowane na cząstki, a etapy, na których dominuje ryzyko związane z cząstkami, mogą nie uzyskać lokalnej kontroli, której potrzebują.

Metoda pracy polega na rozpatrywaniu każdego etapu z osobna i ustaleniu, która z pięciu kategorii ryzyka ma w danym momencie procesu nadrzędne znaczenie, w oparciu o materiały, substancje chemiczne i sposób postępowania charakterystyczne dla tego etapu, a nie na wychodzeniu od docelowej klasyfikacji i uzupełnianiu pozostałych kategorii ryzyka. Jeżeli na podstawie samego opisu procesu nie jest jasne, jakie ryzyko dominuje na danym etapie, jest to informacja, którą zespół projektowy musi wyjaśnić przed przypisaniem środka kontroli — nie jest to luka, którą należy wypełnić, przyjmując domyślnie ogólną klasyfikację pomieszczenia.

Wyznaczenie lokalnych stref czystości wokół najbardziej wrażliwych etapów

Po zidentyfikowaniu ryzyka związanego z danym etapem procesu kolejną decyzją jest określenie, gdzie należy umieścić środek kontroli: w całym pomieszczeniu czy w strefie lokalnej wyznaczonej wokół samego etapu. Lokalna strefa czystości staje się właściwym wyborem w sytuacji, gdy konkretny etap procesu wymaga znacznie ściślejszej kontroli — w zakresie cząstek, zanieczyszczeń molekularnych, wyładowań elektrostatycznych (ESD) lub ich kombinacji — niż ta, do której zaprojektowano otaczające pomieszczenie, a rozszerzenie tej ściślejszej kontroli na całe pomieszczenie nie jest zamierzonym podejściem projektowym.

Sprzęt wykorzystywany do wywołania tego lokalnego stanu, taki jak np. zespół filtra wentylatora lub a Stopień filtracji HEPA/ULPA Zainstalowany w miejscu użytkowania, tworzy strefę o podwyższonym poziomie kontroli w pomieszczeniu, które w przeciwnym razie funkcjonowałoby zgodnie z innymi standardami. Jest to decyzja projektowa dotycząca powietrza w pomieszczeniu i strefy lokalnej, a nie stwierdzenie, który numer klasyfikacyjny ma zastosowanie do całego obiektu, a urządzenia pełniące tę funkcję różnią się od elementów narzędzi procesowych, nawet jeśli są zainstalowane w pobliżu narzędzia lub połączone z nim.

Określenie strefy to dopiero pierwsza część decyzji. Druga część polega na ustaleniu, w jaki sposób będzie można uzyskać dostęp do tej strefy i ją przetestować, gdy już powstanie. Strefa lokalna, do której nie można uzyskać dostępu w celu konserwacji bez zakłócania jej własnego sterowania lub która nie posiada zdefiniowanego punktu weryfikacyjnego pozwalającego potwierdzić utrzymanie stanu podwyższonego, nie funkcjonuje jako trwałe sterowanie lokalne — funkcjonuje jedynie jako założenie. Kwestie dostępu i testowania muszą zostać rozwiązane wraz z kwestią podziału na strefy, a nie pozostawione do fazy instalacji, ponieważ fizyczny układ strefy determinuje, jaki dostęp i jakie testy będą w ogóle możliwe w późniejszym czasie.

W przypadku gdy projekt składa się z kilku następujących po sobie wrażliwych etapów, z których każdy wiąże się z innym ryzykiem, decyzję dotyczącą wyznaczenia strefy należy podejmować etap po etapie, a nie jako jedną strefę obejmującą całą sekwencję — strefa dostosowana do najbardziej wymagającego etapu w sekwencji może powodować nadmierną kontrolę pozostałych etapów, podczas gdy strefa wyznaczona dla wygody może nie zapewniać wystarczającej kontroli nad etapem, który faktycznie jej wymaga.

Koordynacja instalacji wywiewowej narzędzi, mediów, ogrzewania oraz dostępu do prac konserwacyjnych

Opis pomieszczenia czystego, który ogranicza się jedynie do klasyfikacji i podziału na strefy, pozostawia nierozwiązanych kilka kwestii związanych z koordynacją, a każda z nich ma rzeczywisty wpływ na to, czy gotowe pomieszczenie będzie funkcjonować zgodnie z zamierzeniami.

Najbardziej oczywistym przykładem jest system wentylacji narzędzi procesowych. System wentylacji usuwa z pomieszczenia zanieczyszczenia generowane przez narzędzia oraz produkty uboczne procesu, jednak sam system wentylacji stanowi element projektu o własnym, wyznaczonym zakresie, który należy zintegrować z pakietem rozwiązań dla pomieszczenia czystego, a nie zakładać, że jest on jego częścią. W przypadku gdy zakres wentylacji pozostaje niejasny, bilans powietrza w pomieszczeniu, jego nadciśnienie względem sąsiednich przestrzeni oraz rzeczywisty poziom zanieczyszczenia w obszarze narzędzia mogą odbiegać od założeń przyjętych przy klasyfikacji i podziale na strefy.

Te same wymagania dotyczące koordynacji dotyczą również instalacji pomocniczych procesowych. Instalacje obsługujące urządzenia procesowe stanowią odrębny zakres w stosunku do zakresu wyposażenia pomieszczeń czystych, a punkt styku między nimi należy jasno określić, a nie pozostawiać do ustalenia podczas montażu.

Obciążenie cieplne stanowi odrębny czynnik koordynacyjny, o którym klasyfikacja cząstek nie mówi nic. Urządzenia procesowe wytwarzają ciepło, a system wentylacji pomieszczenia musi być odpowiednio dobrany i sterowany, aby radzić sobie z tym obciążeniem na każdym etapie, na który ma to wpływ; pomieszczenie prawidłowo sklasyfikowane pod względem czystości cząstkowej może nadal nie utrzymać zamierzonych warunków, jeśli w projekcie nie uwzględniono obciążenia cieplnego na danym etapie. Decyzja dotycząca obciążenia cieplnego wynika z mapowania ryzyka na poszczególnych etapach procesu, a nie z klasyfikacji cząstek.

Dostęp konserwacyjny stanowi punkt koordynacyjny powiązany z decyzją dotyczącą podziału na strefy. Lokalna strefa czysta lub interfejs narzędziowy zbudowany bez określonej ścieżki dostępu do celów konserwacyjnych powoduje później konflikt: sama czynność konserwacyjna staje się źródłem zanieczyszczenia lub zakłócenia w strefie, którą ma obsługiwać. Decyzja dotycząca dostępu podjęta na etapie podziału na strefy musi uwzględniać sposób, w jaki faktycznie będzie można dotrzeć do filtrów, elementów narzędziowych lub przyłączy mediów w tej strefie, a także przywrócić je następnie do stanu kontrolowanego.

Oddzielenie zakresu sprzętu dostawcy od odpowiedzialności za proces i system

Pakiet wyposażenia dostarczany przez dostawcę pomieszczeń czystych oraz związane z nim systemy procesowe stanowią odrębne obszary odpowiedzialności w ramach projektu, a zacieranie granicy między nimi powoduje powstanie luk, które ujawniają się dopiero po zakończeniu montażu.

Pakiet dotyczący pomieszczenia czystego i wyposażenia obejmuje takie elementy, jak konstrukcja nośna pomieszczenia, urządzenia FFU i filtry, systemy sterowania oraz wykończenie wnętrz. Są to elementy, które zapewniają wentylację pomieszczenia, jego obudowę oraz zdolność do kontroli czystości. Odprowadzanie spalin z urządzeń procesowych, instalacje pomocnicze oraz końcowa kwalifikacja zainstalowanego systemu nie wchodzą w zakres tego pakietu ze względu na podział odpowiedzialności w projekcie, nawet jeśli są fizycznie z nim połączone. Dostawca dostarczający obudowę pomieszczenia, urządzenia FFU i filtry, systemy sterowania oraz wyposażenie nie ponosi, na podstawie samej dostawy, odpowiedzialności za systemy odprowadzania spalin ani instalacje pomocnicze obsługujące urządzenia procesowe zainstalowane wewnątrz pomieszczenia, ani za działania kwalifikacyjne potwierdzające, że zainstalowany system działa zgodnie z wymaganiami.

To rozdzielenie ma największe znaczenie w punktach styku wskazanych wcześniej: tam, gdzie wywiew z urządzeń procesowych styka się z bilansem powietrznym pomieszczenia, gdzie instalacje techniczne wkraczają do obudowy pomieszczenia czystego oraz tam, gdzie rozwiązania dotyczące dostępu i testowania lokalnej strefy czystej stykają się z projektem otaczających pomieszczeń. Każdy punkt styku wymaga wyznaczenia konkretnego właściciela. Założenie, że określony pakiet pomieszczenia czystego automatycznie obejmuje wszystko, łącznie z urządzeniami procesowymi, sprawia, że właśnie te punkty styku pozostają nieprzypisane.

Jest to również etap realizacji projektu, na którym informacje zebrane przez zamawiającego — mapa ryzyka poszczególnych etapów procesu, decyzje dotyczące podziału na strefy oraz już dokonane przypisania interfejsów — stają się podstawą, na której dostawca, taki jak YOUTH, opiera się przy analizowaniu zapytania o konfigurację lub ofertę na moduł do czystych pomieszczeń półprzewodnikowych, a Układ FFU, lub stopień filtracji HEPA/ULPA. Wniosek, w którym określono jedynie docelową klasyfikację, bez towarzyszącej mu mapy ryzyka i przypisania interfejsów, stanowi węższe podstawy do przeprowadzenia takiej oceny niż wniosek, który je zawiera.

Kwestie wymagające doprecyzowania przed wydaniem opinii prawnej dotyczącej zaawansowanych technologicznie pomieszczeń czystych

Zanim dokument zostanie przekazany do oceny dostawców, zespół projektowy powinien dokładnie wiedzieć, jakie podstawy merytoryczne potwierdzają poszczególne twierdzenia oraz gdzie kończy się zakres każdej z nich.

ISO 14644-1:2015 stanowi podstawę do klasyfikacji cząstek zawieszonych w powietrzu w wyznaczonych punktach poboru próbek — jest to określona, weryfikowalna podstawa oceny czystości cząstkowej pomieszczenia i wyłącznie tego aspektu. Nie określa ona czystości pod względem obecności organizmów żywych, czystości chemicznej, radiologicznej ani czystości powierzchniowej, a dokument, który powołuje się na tę normę jako dowód spełnienia któregokolwiek z tych innych warunków, wykracza poza jej zakres.

Norma ISO 14644-8:2022 dotyczy oceny i klasyfikacji czystości chemicznej powietrza w pomieszczeniach czystych i ma zastosowanie wyłącznie w przypadkach, gdy w ramach mapowania ryzyka poszczególnych etapów procesu stwierdzono już, że substancje chemiczne zawarte w powietrzu stanowią zagrożenie dla co najmniej jednego etapu procesu. Jeśli żaden z etapów uwzględnionych w mapowaniu nie wiąże się z takim ryzykiem, norma ta nie ma wpływu na niniejsze zlecenie. W przypadku gdy dany etap wiąże się z takim ryzykiem, norma ta nie zastępuje klasyfikacji cząstek ustalonej wcześniej zgodnie z normą ISO 14644-1 — obie normy mają zastosowanie, odnosząc się do różnych ścieżek.

ISO 14644-4:2022 obejmuje cały cykl od wymagań, poprzez projektowanie, budowę, uruchomienie i weryfikację — czyli ścieżkę proceduralną, którą podąża projekt, aby przejść od określonego wymagania do zweryfikowanego stanu po instalacji. Nie narzuca on konkretnej technologii, narzędzia procesowego ani zakresu dostawy, więc powołanie się na niego nie rozstrzyga, jaką rodzinę urządzeń, podejście do podziału na strefy ani interfejs wywiewu należy zastosować w danym projekcie; decyzje te pozostają w gestii projektantów i opierają się na omówionym już przyporządkowaniu etapów procesu oraz koordynacji interfejsów.

Jeżeli specyfikacja projektu określa wymaganą klasę cząstek, wymagania dotyczące czystości chemicznej, granice stref, przypisanie przyłączy wywiewowych i mediów oraz warunki dostępu konserwacyjnego — a każda z tych kwestii jest powiązana z konkretnym etapem procesu, który ją determinuje — specyfikacja ta zapewnia dostawcy analizującemu zapytanie jasną podstawę do opracowania propozycji konfiguracji. W przypadku braku któregokolwiek z tych elementów luka ma charakter konkretny: nie jest to ogólna niepewność dotycząca projektu, lecz konkretny element, który zespół projektowy musi jeszcze uzupełnić, zanim specyfikacja będzie mogła zostać uznana za kompletną.

Często zadawane pytania

Q: Czy określona klasa cząstek wystarczy, by zdefiniować projekt zaawansowanego technologicznie pomieszczenia czystego?
A: Nie. Klasyfikacja cząstek pozwala określić stężenie cząstek w powietrzu w wyznaczonych punktach poboru próbek, natomiast zanieczyszczenia molekularne w powietrzu, osadzanie się zanieczyszczeń na powierzchniach, wyładowania elektrostatyczne (ESD), obciążenie cieplne oraz zanieczyszczenia generowane przez narzędzia wymagają odrębnych decyzji projektowych. Przed przypisaniem środków kontroli należy przyporządkować te zagrożenia do poszczególnych etapów produkcji, powlekania, montażu i testowania.

Q: Kiedy w danym etapie procesu należy wykorzystać lokalną strefę czystą zamiast polegać na otaczającym pomieszczeniu?
A: Należy skorzystać z lokalnej strefy czystej, gdy dany etap wymaga ściślejszej kontroli niż otaczające pomieszczenie. Przed wyborem odpowiedniego rozwiązania należy określić ryzyko związane z danym etapem, sposób, w jaki operatorzy lub materiały będą mieli dostęp do strefy, oraz sposób, w jaki zostanie sprawdzona wymagana kontrola.

Q: Jakie informacje należy przygotować przed złożeniem zapytania ofertowego na sprzęt do pomieszczeń czystych?
A: Należy przygotować schemat procesu, w którym określone zostaną: wymagana klasa cząstek i podstawy weryfikacji, ewentualne wymagania dotyczące czystości chemicznej, specyficzne dla danego procesu wymagania dotyczące powierzchni i ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), ryzyko zanieczyszczenia generowane przez urządzenia, obciążenia cieplne, przyłącza wentylacyjne i mediów oraz dostęp w celu konserwacji. Zapewnia to dostawcom jasną podstawę do oddzielenia wymagań dotyczących kontroli warunków w pomieszczeniu od potrzeb związanych z systemem technologicznym.

Q: W jaki sposób nabywcy mogą porównać zakres usług dostawców, nie pomijając przy tym kluczowych interfejsów?
A: Porównaj oferty w oparciu o jasno określony podział zakresu prac. Odnotuj, czy w zakresie znajdują się konstrukcja nośna pomieszczenia, urządzenia typu FFU i filtry, systemy sterowania oraz wykończenie wnętrz, a następnie oddzielnie przypisz systemy odciągu z urządzeń procesowych, media oraz końcową kwalifikację instalacji, przy czym punkt końcowy każdego interfejsu powinien być określony w briefie.

Q: Która norma ISO 14644 powinna stanowić podstawę dla poszczególnych elementów briefu projektowego?
A: Należy dopasować odniesienie do decyzji, którą faktycznie wspiera: norma ISO 14644-1 dotyczy klasyfikacji cząstek zawieszonych w powietrzu, norma ISO 14644-8 ma zastosowanie w przypadku, gdy substancje chemiczne zawarte w powietrzu stwarzają ryzyko procesowe, a norma ISO 14644-4 określa ścieżkę od wymagań poprzez projektowanie, budowę, uruchomienie i weryfikację. Żadne z tych odniesień nie pozwala samo w sobie na wybór narzędzia procesowego, ustalenie zakresu dostawy ani wyeliminowanie wszystkich zagrożeń związanych z zanieczyszczeniem.