Решения по размещению, принимаемые на этапе эскизного проектирования, незаметно определяют, будут ли события AMC в модульной чистой комнате для производства полупроводников выявляться до потери выхода продукции или только после неё. Команды, которые по умолчанию обрабатывают все химические загрязнения в одном воздушном контуре — как правило, в блоке подвода свежего воздуха — обнаруживают эту ошибку спустя несколько месяцев, когда выбросы из технологической зоны, например из камер для удаления фоторезиста или травления, проходят через контур рециркуляции без контроля, срок службы фильтрующих элементов оказывается короче прогнозируемого, а первым явным сигналом становится отклонение в литографии, а не сигнал тревоги фильтра. Более сложной задачей при модернизации является не увеличение емкости фильтрующих элементов, а внедрение инфраструктуры мониторинга и обеспечение доступа в планировку модулей, которая изначально не была рассчитана на распределенную замену химических фильтров. Понимание того, какой источник питает какой воздушный канал, и как это соотносится с выбором вентиляторов, регулированием давления и обнаружением прорыва, позволяет инженерной или контрольно-технической команде принять решение о размещении оборудования, которое останется актуальным на протяжении всего периода ввода в эксплуатацию и до начала серийного производства.

Определить, является ли источник химического вещества внешним, связанным с объектом или технологическим процессом

Определение источника — это не этап документирования, а условие, определяющее, какой воздушный канал несет основную нагрузку по фильтрации и достаточно ли одного канала.

Наружный воздух, поступающий в установку подготовки приточного воздуха (MAHU), содержит амины, диоксид серы и органические соединения, концентрации которых зависят от географического положения объекта, расположенных поблизости промышленных предприятий и сезонных условий. Эти загрязняющие вещества попадают в чистую комнату с потоком свежего воздуха и, если не подвергаются очистке, распределяются по всему объему рециркуляционного воздуха. Тракт приточного воздуха является подходящей точкой улавливания для этой категории загрязнений, поскольку это единственное место, где загрязнения из наружного воздуха (AMC) могут быть удалены до того, как они разбавятся в чистом помещении.

AMC, образующиеся в результате технологических процессов, ведут себя иначе. Амины, выделяющиеся в ходе химических реакций с фоторезистом, кислотные газы, образующиеся при травлении, и пары органических растворителей, возникающие на этапах нанесения покрытий и их удаления, образуются непосредственно внутри чистой зоны. Эти соединения попадают в поток рециркулирующего воздуха и накапливаются пропорционально интенсивности технологического процесса и эффективности локальной вытяжной вентиляции. Никакая степень фильтрации приточного воздуха не способна справиться с этой нагрузкой, поскольку загрязняющие вещества никогда не проходят через установку MAHU. Для этих источников соответствующим проектным решением является химическая фильтрация в установке обработки рециркуляционного воздуха (RAHU) или в локальных точках возврата возле интерфейса с оборудованием.

Третья категория источников зачастую недооценивается на этапе проектирования: AMC, генерируемый самим объектом из строительных материалов, связующих веществ фильтрующих материалов, клеевых герметиков, окрашенных поверхностей и оболочки кабелей. Уровень этой категории, как правило, максимален во время первоначальной аттестации чистой комнаты и снижается в течение месяцев эксплуатации, однако он может временно перегрузить емкость химических фильтрующих материалов, если не будет учтён при расчете их размеров. В отличие от внешних или технологических источников, проблему дегазации объекта невозможно решить исключительно за счет размещения фильтров — для этого может потребоваться контроль выбора материалов на этапе строительства и проведение ускоренной продувки перед вводом в эксплуатацию.

Наиболее полезной классификационной схемой для структурирования данного анализа является стандарт SEMI F21, в котором определены допустимые концентрации молекулярных загрязнителей в воздухе по классам соединений. Используя эти пороговые значения в качестве проектных целевых показателей, специалисты могут сравнивать измеренные или расчетные нагрузки от источников с допустимыми пределами, чтобы оценить, какие источники создают риск превышения допустимых значений. Стандарт ISO 14644-8:2022 предоставляет методологию оценки химической чистоты воздуха и служит полезным эталоном при проверке соответствия концентраций после фильтрации установленным целевым показателям. Ни один из стандартов не предписывает конкретную топологию размещения фильтров — они определяют, каких результатов необходимо достичь, а не где должны располагаться фильтрующие элементы.

Распространенной ошибкой является рассмотрение определения источника как бинарного выбора между выбросами из внешней среды и технологическими выбросами. Когда оба вида выбросов являются значительными — как, например, на объектах, расположенных вблизи промышленных коридоров, где применяется экстремально-ультрафиолетовая (EUV) или иммерсионная литография, — оба воздушных потока требуют химической фильтрации, причем выбор фильтрующих материалов для каждого потока может различаться. Рассматривать один из этих источников как незначимый без данных о характеристиках конкретного объекта — это допущение, которое, как правило, приводит к сокращению срока службы фильтрующих материалов или постоянному превышению предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ (AMC), которое не устраняется одной лишь заменой фильтрующих материалов в системе приточного воздуха.

Сравнение очистки приточного воздуха с фильтрацией рециркулирующего воздуха

Основной дилеммой при выборе между очисткой приточного воздуха и фильтрацией рециркулирующего воздуха является не то, какой из подходов лучше, а то, какой из источников загрязнения играет доминирующую роль и оправдано ли сочетание обоих подходов с учетом характера загрязнения.

Воздух притока, как правило, составляет примерно 5–15% от общего объема воздушного потока в чистой комнате при рециркуляционной схеме, однако подготовка этой доли в соответствии с техническими требованиями к чистой комнате требует большего количества энергии на единицу объема, чем в случае с рециркулирующим воздухом. Химическая очистка в MAHU является экономически эффективной, когда основной риск представляют наружные AMC-нагрузки, поскольку улавливание загрязняющих веществ до того, как они разбавятся в чистом объёме, означает, что фильтрующий материал в RAHU не выполняет двойную функцию. Когда наружные источники загрязнения незначительны, а объект расположен в относительно чистой окружающей среде, значительные инвестиции в химические фильтрующие материалы MAHU могут не обеспечить соразмерную защиту.

Фильтрация рециркулирующего воздуха обрабатывает основную часть воздушного потока и более эффективно реагирует на загрязнения, выделяющиеся внутри чистого помещения. Однако, если в канале приточного воздуха присутствуют неочищенные загрязнения из наружной среды, химический фильтрующий материал RAHU поглощает как внутреннюю, так и наружную нагрузку, что сокращает срок его службы и может привести к локальным превышениям допустимых значений вблизи точек подачи свежего воздуха до того, как фильтрующий материал достигнет состояния равновесия. Это типичная причина сбоев в проектах, где подрядчики по системам ОВКВ определяют спецификации MAHU, а поставщики модулей для чистых помещений — спецификации RAHU без совместной характеристики источника загрязнений.

Локальная фильтрация AMC в отдельных корпусах оборудования — наиболее часто применяемая в условиях работы EUV-сканеров — представляет собой третий уровень, который дополняет централизованную систему очистки, а не заменяет её. Данный подход зависит от конкретного применения; он целесообразен в тех случаях, когда отдельное устройство генерирует определённый класс соединений или обладает особой чувствительностью к ним в концентрациях, которые централизованная фильтрация рециркуляционного потока не может надёжно снизить до требуемого уровня. Это не является универсальным требованием к конструкции и не должно использоваться в качестве альтернативы устранению источников загрязнения на более ранних этапах.

Наиболее часто необходимо принимать решение о многослойной системе, когда на объекте имеются измеримые источники аминов или SO₂ из внешней среды, а также осуществляются процессы влажного травления или нанесения фоторезиста. В таком случае необходимо обеспечить очистку канала приточного воздуха для защиты фильтрующих материалов системы RAHU от внешних загрязнений, а также применять химическую фильтрацию RAHU для устранения внутренних выбросов. Попытка решить обе проблемы исключительно за счет очистки приточного воздуха, как правило, приводит к преждевременному износу фильтрующих материалов и остаточному внутреннему загрязнению, которое система фильтрации приточного воздуха конструктивно не в состоянии устранить.

Согласование химических сред с блоками FFU и стратегией поддержания давления

Химические фильтрующие материалы вызывают падение давления, которое необходимо учитывать при выборе блока FFU и вводе вентилятора в эксплуатацию — а не просто оценивать на этапе разработки технических характеристик и проверять только при запуске.

Вентиляторно-фильтрующие блоки (FFU), рассчитанные исключительно на перепад давления фильтров HEPA или ULPA, не смогут обеспечить заданное количество воздухообменов в час после интеграции модулей с химическими фильтрующими элементами в тот же воздушный поток или перед группой FFU. Характеристики вентилятора необходимо проверить с учетом наихудшего случая перепада давления на загруженных фильтрах для обоих этапов — как для улавливания твердых частиц, так и для химической фильтрации — в совокупности. Для вентиляторных фильтрующих блоков (FFU) с двигателями с электронным управлением (EC) или частотно-регулируемыми приводами диапазон регулирования должен охватывать дополнительное сопротивление на протяжении всего срока службы фильтрующих элементов, а не только в начальном чистом состоянии. Если эту проверку отложить до этапа ввода в эксплуатацию, это приведет либо к недостаточному количеству циклов воздухообмена в час (ACH) в критической зоне, либо к работе вентиляторов на скоростях, которые не соответствуют целевым показателям по уровню шума, энергопотреблению и сроку службы подшипников.

Связанной, но отдельной проблемой является смешение критериев замены сажевого фильтра с управлением состоянием химических наполнителей. Контроль перепада давления является стандартным показателем загруженности сажевого фильтра — замена обычно инициируется, когда падение давления достигает 150–200% от исходного значения в чистом состоянии. Прорыв химических фильтрующих материалов не следует той же закономерности. Слой угля или хемосорбента может быть функционально исчерпан, при этом демонстрируя незначительное изменение перепада давления, поскольку загрязняющие вещества с большой молекулярной массой проходят через фильтрующий материал, не увеличивая сопротивления существенным образом. Рассматривать перепад давления в качестве универсального индикатора состояния фильтра для химических фильтрующих материалов — это неполноценная стратегия технического обслуживания, которая регулярно задерживает обнаружение прорыва до тех пор, пока сигнал об этом не поступит от данных о производительности.

Взаимодействие каскада давления заслуживает тщательного анализа на этапе проектирования. Объём приточного воздуха регулирует поддержание давления в чистом помещении относительно смежных помещений. Если установка химического фильтра в тракте вентиляционной установки MAHU приводит к увеличению сопротивления сверх значений, на которых изначально рассчитывался вентилятор, это на практике может привести к снижению подачи приточного воздуха, что сокращает перепад давления на границах зон. Автоматическое управление заслонками может компенсировать это в определенных пределах, но если перепад давления химического фильтра не был учтен при первоначальном подборе вентилятора MAHU, доступный диапазон компенсации может оказаться недостаточным. Это должно стать задокументированным контрольным пунктом при рассмотрении проекта — необходимо убедиться, что логика управления заслонками и производительность вентилятора MAHU позволяют поддерживать требуемый каскадный перепад давления в самых неблагоприятных условиях при нагрузке на химический фильтр. Для систем рециркуляции на основе FFU анализ взаимодействия химических сред с регулированием скорости вентилятора является частью той же задачи координации; Фильтрующий блок вентилятора - FFU При выборе необходимо учитывать диапазон сопротивления комбинированной системы фильтров в течение всего срока службы.

Риски, связанные с техническим обслуживанием и прорывами, в схемах распределенных фильтров

Распределение систем химической фильтрации по нескольким модулям — ближе к технологическому оборудованию и подальше от центральных вентиляционных установок — одновременно решает проблему реагирования на загрязнения и создает проблему ответственности за техническое обслуживание.

Эксплуатационным преимуществом распределенного размещения фильтрующих элементов является их близость к источнику загрязнения. Модуль химической фильтрации, встроенный в локальную камеру обратного потока рядом с кластером травления, перехватывает технологические выбросы до того, как они снова попадут в общий объем рециркуляции. Центральная система фильтрации RAHU обрабатывает то, что не удалось уловить на местном уровне. Такая многоуровневая система улучшает локальный контроль, однако каждое место установки фильтра представляет собой точку технического обслуживания, требующую обеспечения доступа, графика замены и лица, ответственного за мониторинг состояния. В модульных планировках чистых помещений, собранных из компонентов, специфицированных разными сторонами, количество распределенных мест установки химических фильтров может превышать количество точек доступа, предусмотренных в проекте модуля — это несоответствие конфигурации, которое недорого исправить на этапе проектирования, но дорого — при модернизации.

Более серьёзным эксплуатационным риском является задержка между прорывом химических веществ и появлением каких-либо заметных последствий. Признаки загрязнения — отклонения в выходе продукции, изменения чувствительности фоторезиста, помутнение оптических поверхностей — могут проявиться через несколько часов или дней после прорыва, что замедляет диагностику первопричины и делает недостоверной установку связи с конкретным случаем замены фильтра. Эта задержка делает реактивное управление химическими средами стратегией, имеющей структурные недостатки. Соответствующим оперативным ответом является проактивный мониторинг AMC с использованием масс-спектрометрии с ионизацией при атмосферном давлении (APIMS) или эквивалентного оборудования, способного обнаруживать загрязнители молекулярного масштаба в концентрациях, соответствующих пороговым значениям классов соединений по стандарту SEMI F21. Мониторинг перепада давления по-прежнему необходим для управления фильтрами улавливания твердых частиц, но не должен использоваться в качестве заместителя для оценки состояния химических сред. Стандарт ISO 14644-8:2022 предоставляет рамки для проведения испытаний, касающиеся мест отбора проб, выбора методов анализа и оценки чистоты, которые могут служить основой для разработки плана мониторинга — хотя конкретные уставки сигнализации и графики замены должны определяться в рамках собственной эксплуатационной спецификации объекта, а не выводиться исключительно из самого стандарта.

Наиболее сложной для диагностики схемой отказа в распределенных конфигурациях является частичный прорыв в одном фильтрующем блоке при том, что остальные блоки продолжают функционировать. Поскольку датчики AMC редко устанавливаются на каждом выходе фильтра, локализованный прорыв может привести к загрязнению конкретной технологической зоны, в то время как совокупные показатели на уровне помещения останутся в пределах допустимых значений. План мониторинга должен включать схему размещения датчиков, отражающую места, где прорыв в первую очередь достигнет чувствительного оборудования или технологической зоны, а не просто те места, где датчики проще всего установить. Для литографических кластеров это, как правило, означает размещение датчиков внутри корпусов оборудования или непосредственно перед ними, а не на линии возврата модуля. Команды, работающие с архитектурой рециркуляции на основе FFU, обнаружат, что распределенный характер массивов вентиляторов с фильтрами еще больше усложняет размещение датчиков; вопрос согласования расположения химических сред с геометрией массива FFU и путями обратного воздуховода более подробно рассматривается в контексте Сравнение FFU и традиционных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Контрольный список для принятия решения об установке химического фильтра

Приведенный ниже контрольный список служит вспомогательным средством для планирования, а не гарантированным рецептом проектирования. Его ценность заключается в том, что он заставляет ответить на вопросы, касающиеся характеристики источника и обеспечения отчетности, до того, как места размещения фильтров будут окончательно закреплены в схеме модуля — а не после того, как оборудование уже заказано.

Наиболее распространенным неоднозначным случаем является ситуация, когда значительный вклад в загрязнение вносят как наружные, так и внутренние источники. Объект, расположенный рядом с промышленным коридором и осуществляющий при этом высокопроизводительную обработку фоторезиста, не может устранить риск AMC с помощью решения, основанного на выборе одного пути. Как в контуре приточного воздуха, так и в контуре рециркуляции требуется химическая фильтрация, при этом технические характеристики фильтрующих материалов для каждого из них могут различаться по приоритету классов соединений — в MAHU (установке приточного воздуха) важна способность поглощения кислых газов для улавливания SO₂ из окружающей среды, а в RAHU (установке рециркуляционного воздуха) — амин-специфическая хемосорбция для улавливания аминов из фоторезиста. Навязывание решения, основанного на выборе одного контура, в данном сценарии, как правило, приводит к недостаточной очистке одного из источников, а последствия этой проблемы откладываются до этапа ввода в эксплуатацию или начала производства.

Пороговые значения концентрации по стандарту SEMI F21, указанные в контрольном списке — амины ниже 0,1 мкг/м³, органические соединения ниже 1 мкг/м³, кислые газы ниже 0,1 мкг/м³ — выступают в качестве общепринятых в отрасли проектных ориентиров для определения критериев выбора фильтрующих материалов и прорыва при отсутствии договорных ограничений, специфичных для конкретного объекта. Они не являются универсальными нормативными требованиями; их применимость зависит от того, включены ли они в технические условия объекта или в требования заказчика. Использовать их в качестве ориентиров при планировании целесообразно; представлять их в качестве пороговых значений соответствия без такого договорного обоснования — нет.

Этап «Ответственность за проверку» в контрольном списке — именно здесь возникает большинство пробелов в координации проекта. Когда блоки химических фильтров распределены между MAHU (указанным подрядчиком по системам ОВКВ), модулями RAHU (указанными поставщиком модулей для чистых помещений) и локальными кожухами оборудования (указанными поставщиком оборудования или ответственным за технологический процесс), ни одна из сторон не несет естественной ответственности за конечный результат эффективности AMC на всех этапах. Вопрос в контрольном списке не является риторическим — он требует указания конкретной стороны, определения метода мониторинга, критерия замены и документированного процесса передачи ответственности до того, как проект достигнет этапа ввода в эксплуатацию. Без такой структуры случаи проникновения загрязнений в производство, скорее всего, вызовут взаимные обвинения, а не оперативное реагирование, а задержка между появлением загрязнения и его влиянием на выход продукции усугубит сложность диагностики.

Наиболее важные решения по размещению принимаются на этапе компоновки, когда исходные данные по характеристикам источников могут быть ещё неполными и возникает соблазн отложить размещение сред фильтрации на более поздний этап проектирования. К моменту начала изготовления модуля схемы доступа, кривые работы вентиляторов и логика управления заслонками уже зафиксированы — а дооснащение готового модуля химическими фильтрами или инфраструктурой мониторинга обходится несоразмерно дорого по сравнению с принятием этих решений на этапе эскизного проектирования.

Прежде чем утвердить стратегию размещения химических фильтров, необходимо убедиться в трёх вещах: что при характеристике источников загрязнения различаются источники AMC из внешней среды, из самого объекта и из технологического процесса, а не рассматриваются как единая нагрузка; что падение давления в химических фильтрующих элементах проверено с учётом кривых работы вентиляторов FFU в условиях максимальной нагрузки; и что ответственность за мониторинг прорыва загрязнений возложена на конкретное лицо с указанием использующегося прибора, местоположения датчика и порогового значения сигнализации, привязанного к целевым показателям AMC для данного проекта. Если какой-либо из этих моментов останется невыясненным к моменту начала закупки модулей, риск перестанет быть абстрактным — он превратится в проблему каскадного падения давления или в случай загрязнения, влияющий на выход продукции, который будет значительно сложнее устранить в введенной в эксплуатацию чистой комнате, чем на этапе рассмотрения проекта.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: А что, если в нашей чистой комнате используется система однократного проветривания вместо рециркуляции?
A: В системе с однократным проходом вся химическая фильтрация должна быть размещена в тракте приточного воздуха. Проблема выбора между рециркуляцией и приточным воздухом отпадает, поэтому при проектировании основное внимание уделяется правильному подбору размеров химических фильтрующих элементов для приточного воздуха, рассчитанных как на загрязнения из внешней среды, так и на любые неконтролируемые внутренние выбросы, которые попадают обратно через воздушные шлюзы или утечки в системе поддержания давления.

Вопрос: После того как мы определимся со стратегией размещения, каким будет первый конкретный шаг по проверке?
A: Закажите проведение базового обследования AMC с учетом специфики объекта с использованием того же метода измерения (например, APIMS), который будет применяться для текущей верификации. Это позволит подтвердить, что нагрузки от внешних источников, оборудования и технологических процессов, принятые за основу при размещении, соответствуют реальным концентрациям, что даст вам возможность правильно рассчитать размеры фильтрующих слоев и установить обоснованные пороговые значения сигнализации прорыва загрязнения ещё до закупки оборудования.

Вопрос: При какой концентрации централизованная рециркуляционная фильтрация перестает быть достаточной, в результате чего становится необходимым использование локальных фильтров на уровне инструмента?
A: Когда смоделированная или измеренная концентрация загрязняющего вещества на входе в наиболее чувствительное оборудование достигает примерно 50 % от меньшего из двух значений: рекомендованного предела по стандарту SEMI F21 или предельного значения, указанного в технических условиях производителя оборудования. При значениях ниже этого порога обычно достаточно централизованной очистки; при значениях выше него более безопасным способом предотвращения отклонений, влияющих на выход продукции, является добавление локальной фильтрации в защитной камере.

Вопрос: Что более экономично: централизованная установка химических фильтров в RAHU или их размещение рядом с технологическим оборудованием?
A: Централизация сокращает количество точек технического обслуживания и затраты на доступ, но может потребовать создания более крупного резервуара рабочей среды и привести к тому, что локальные всплески выбросов могут затронуть несколько инструментов. Распределенные модули снижают общий объем рабочей среды и локализуют локализацию утечек, но при этом увеличивают трудозатраты на замену и количество точек мониторинга. Оптимальный баланс зависит от плотности размещения инструментов, схем их распределения и доступа к сервисным коридорам — в случае плотно сгруппированных инструментов часто целесообразнее применять централизованную обработку RAHU, тогда как для изолированных чувствительных инструментов оправданно использовать локальные модули.

Вопрос: Если воздух с улицы постоянно остается чистым, а количество используемых химикатов невелико, как мы можем обосновать установку систем химической фильтрации в обоих воздуховодах?
A: Если бюджет диктует необходимость поэтапного внедрения, сначала установите систему фильтрации рециркулирующего воздуха для защиты технологического оборудования от внутренних выбросов. Такой подход будет безопасен только в том случае, если уровни AMC на открытом воздухе подтвержденно не превышают 10 % от целевого значения SEMI F21 для наиболее чувствительного класса соединений, и вы обязуетесь осуществлять постоянный мониторинг состояния воздуха на открытом воздухе — чтобы вы могли добавить систему фильтрации приточного воздуха до того, как какие-либо сезонные или производственные изменения приведут к преждевременному износу фильтрующих элементов системы рециркуляции.