В сферах производства полупроводников, электроники и фотоники редко бывает так, чтобы несоответствие требованиям определялось исключительно по количеству частиц. Этапы нанесения покрытия на подложку, метрологического контроля и проволочной сварки могут относиться к одному и тому же классу чистоты помещения, но при этом сопряжены с совершенно разными рисками, связанными с загрязнением, статическим электричеством и температурными воздействиями. Практический вопрос для проектной группы заключается не в том, какой класс ISO следует указать, а в том, какой этап технологического процесса определяет необходимость каких мер контроля и где эти меры должны быть встроены в систему помещения, а не предполагаться исходя из номера класса.

Процессные риски, которые не охватывает классификация частиц

Классификация частиц позволяет ответить на один вопрос: сколько частиц заданного размера обнаруживается в определённых точках отбора проб в помещении. Это реальный и необходимый показатель, однако он описывает лишь состояние воздуха с точки зрения содержания частиц, а не весь комплекс путей загрязнения, влияющих на процессы изготовления, нанесения покрытий, сборки или испытаний.

Молекулярное загрязнение из воздуха представляет собой отдельный механизм. В ходе некоторых технологических процессов выделяются пары или газы, которые не фиксируются при подсчете частиц, но могут оседать на поверхности, изменять химический состав покрытия или мешать последующему этапу процесса. Если технологический процесс чувствителен к этому механизму, в рамках проекта необходимо оценка химической чистоты в качестве отдельного решения, отличного от класса частиц; если данный процесс не обладает такой чувствительностью, то такая оценка может вообще не входить в требования к проекту. ISO 14644-8:2022 касается оценки и классификации химической чистоты воздуха, но только в тех случаях, когда химические вещества в воздухе изначально создают риск для технологического процесса — она не заменяет классификацию частиц, а классификация частиц не заменяет её.

Третьим путём является осаждение на поверхности. Помещение может соответствовать своему классу загрязнённости по частицам на высоте отбора проб, используемой для классификации, в то время как на горизонтальной поверхности под оборудованием происходит накопление частиц в результате гравитационного осаждения, газовыделения или контакта при манипуляциях. Имеет ли это значение, зависит исключительно от чувствительности конкретной поверхности — незащищённая пластина, ожидающая следующего этапа технологического процесса, подвергается иному воздействию, чем упакованный и герметично закрытый компонент.

Электростатический разряд представляет собой четвертый, совершенно независимый механизм: это риск переноса заряда, связанный с материалами, правилами обращения с ними и заземлением, а не с концентрацией частиц в воздухе. Помещение может соответствовать требованиям по содержанию частиц и при этом представлять Риск электростатического разряда (ESD) к устройству, чувствительному к электрическому заряду, если напольное покрытие, одежда, рабочие места или средства ионизации не соответствуют чувствительности данного устройства.

Загрязнение, вызванное инструментами, относится к пятой категории и возникает непосредственно в технологическом оборудовании — это частицы или пары, образующиеся в месте использования, а не поступающие с приточным воздухом. Данный риск зависит от конкретного инструмента и этапа технологического процесса, а не от классификации помещения, и требует принятия решения о взаимодействии между инструментом и окружающей чистой комнатой, а не о классификации на уровне помещения. Стандарт ISO 14644-1:2015 устанавливает основания для подсчета частиц в определённых точках отбора проб и не выходит за пределы этой сферы; если рассматривать его как охватывающий также жизнеспособные микроорганизмы, химические и радиологические загрязнения или чистоту поверхностей, то эти пути загрязнения останутся не учтёнными в техническом задании проекта.

Соотнесение процессов изготовления, нанесения покрытий, сборки и испытаний с требованиями контроля

Каждый этап высокотехнологичной технологической линии сопряжён со своим собственным сочетанием пяти вышеуказанных категорий риска, и это сочетание меняется по мере продвижения материала по линии. Этап производства, на котором используются реактивные химические вещества, может нести значительный риск загрязнения молекулами, переносимыми воздухом, и загрязнения, генерируемого оборудованием, в то время как риск загрязнения частицами и электростатического разряда (ESD) на том же этапе сравнительно ограничен за счёт герметичного корпуса самого технологического оборудования. Этап нанесения покрытия может изменить этот баланс: контроль за частицами в точке нанесения может стать основным требованием, в то время как молекулярное загрязнение контролируется скорее химическим составом самого покрытия, чем условиями в помещении. Этап сборки, на котором обрабатываются неупакованные устройства, чувствительные к электрическому заряду, может предъявлять строгие требования к защите от электростатического разряда (ESD), даже если риск загрязнения частицами и молекулами является второстепенным. Этап тестирования, в зависимости от того, что измеряется и как обращаются с устройством, может вернуться к профилю риска, в котором доминируют риски, связанные с частицами или манипуляциями.

Ни одно из мер контроля не действует на всех четырёх этапах, поскольку риск, определяющий данное требование, меняется от этапа к этапу. Применение единого подхода к контролю чистоты на каждом этапе — использование одного проектного решения для рисков, связанных с частицами, молекулами, электростатическим разрядом (ESD) и манипуляциями, независимо от того, о каком этапе идет речь — приводит к нерациональному распределению усилий по контролю: на этапах, где доминирует риск, не связанный с частицами, применяется решение, ориентированное на частицы, а на этапах, где доминирует риск, связанный с частицами, может не быть обеспечен необходимый локальный контроль.

Метод работы заключается в том, чтобы рассматривать каждый этап отдельно и задавать вопрос, какая из пяти категорий риска является доминирующей на данном конкретном этапе процесса, исходя из материалов, химических веществ и способов обращения с ними, используемых на этом этапе, а не начинать с целевой классификации и заполнять остальные категории риска задним числом. Если доминирующий риск на данном этапе неясен на основании одного лишь описания процесса, то эта информация должна быть выяснена проектной группой до назначения мер контроля — это не пробел, который следует устранять путем автоматического применения общей классификации помещения.

Выделение локальных зон чистоты вокруг наиболее уязвимых этапов

После определения основного риска, связанного с конкретным этапом технологического процесса, следующим решением становится выбор места, где следует реализовать меры контроля: в общем помещении или в локальной зоне, созданной вокруг самого этапа. Локальная чистая зона становится целесообразным выбором в тех случаях, когда конкретный этап технологического процесса требует существенно более строгого контроля — за частицами, молекулярным загрязнением, электростатическим разрядом (ESD) или их комбинацией — чем предусмотрено в проекте окружающего помещения, и когда распространение этого более строгого контроля на всё помещение не является предусмотренным проектным подходом.

Оборудование, используемое для создания таких местных условий, например, блоки фильтра с вентилятором или а Ступень фильтрации HEPA/ULPA Встроенное непосредственно в точке использования, оно создает зону усиленного контроля внутри помещения, которое в остальном функционирует в соответствии с иными базовыми параметрами. Речь идет о конструктивном решении, касающемся воздуха в помещении и локальной зоны, а не о том, какой классификационный номер применяется ко всему объекту, и оборудование, выполняющее эту функцию, отличается от компонентов технологического оборудования даже в тех случаях, когда оно установлено рядом с ним или соединено с ним.

Определение зоны — это лишь первая половина решения. Вторая половина заключается в определении того, как будет осуществляться доступ к этой зоне и как она будет проверяться после её создания. Локальная зона, к которой невозможно получить доступ для технического обслуживания без нарушения работы её собственной системы управления, или у которой отсутствует определённая точка проверки для подтверждения поддержания повышенного состояния, не функционирует как надёжная локальная система управления — она функционирует как предположение. Вопросы доступа и проверки должны решаться одновременно с вопросом зонирования, а не откладываться на этап монтажа, поскольку именно физическая конфигурация зоны определяет, какой доступ и какие проверки будут возможны впоследствии.

Если проект состоит из нескольких последовательных этапов, каждый из которых сопряжен с собственным риском, решение о зонировании следует принимать поэтапно, а не выделять единую зону, охватывающую всю последовательность — зона, размер которой определяется самым требовательным этапом, может обеспечить чрезмерный контроль над остальными, в то время как зона, размер которой определяется исключительно из соображений удобства, может обеспечить недостаточный контроль над тем этапом, который в этом действительно нуждается.

Координация вопросов, связанных с вытяжными системами, инженерными сетями, отоплением и доступом для технического обслуживания

Техническое задание на создание чистой комнаты, ограничивающееся лишь определением класса чистоты и зонированием, оставляет нерешенными ряд вопросов, связанных с координацией работ, и каждый из них оказывает реальное влияние на то, будет ли готовое помещение функционировать в соответствии с задуманным.

Наиболее наглядным примером является вытяжная система для технологического оборудования. Вытяжка удаляет из помещения загрязнения, образующиеся при работе оборудования, и побочные продукты технологического процесса, однако сама вытяжная система является элементом проекта со своим собственным определённым объёмом работ, и этот объём должен быть согласован с комплексом чистой комнаты, а не считаться его частью. Если объём работ по вытяжке остаётся неопределённым, воздушный баланс помещения, его передавливание по отношению к соседним помещениям и фактические показатели загрязнения в зоне оборудования могут отличаться от того, что предполагалось при принятии решений о классификации и зонировании.

К технологическим инженерным сетям предъявляются те же требования по координации. Инженерные сети, обслуживающие технологическое оборудование, относятся к отдельной сфере, отличной от сферы оборудования чистых помещений, и взаимодействие между ними должно быть четко определено, а не оставлено для урегулирования в ходе монтажа.

Тепловая нагрузка — это отдельный параметр, который не учитывается при классификации по уровню чистоты. Технологическое оборудование выделяет тепло, поэтому система вентиляции и кондиционирования помещения должна быть рассчитана и регулироваться таким образом, чтобы справляться с этой нагрузкой на каждом соответствующем этапе; даже помещение, правильно классифицированное по уровню чистоты, может не поддерживать заданные условия, если при проектировании не была учтена тепловая нагрузка на данном этапе. Решение о тепловой нагрузке следует принимать в рамках оценки рисков на каждом этапе технологического процесса, а не на основе классификации по уровню чистоты.

Доступ для технического обслуживания является координационным пунктом, связанным с решением о зонировании. Местная чистая зона или интерфейс для инструментов, созданные без определённого пути доступа для технического обслуживания, впоследствии приводят к конфликту: сама деятельность по техническому обслуживанию становится источником загрязнения или нарушения рабочего состояния зоны, которую она призвана обслуживать. Решение о доступе, принимаемое на этапе зонирования, должно учитывать, как на самом деле будет осуществляться доступ к фильтрам, компонентам инструментов или подключениям к инженерным сетям в данной зоне, а также как после этого их состояние будет восстановлено до контролируемого уровня.

Разделение сферы ответственности поставщика по оборудованию и сферы ответственности за технологическую систему

Комплекс оборудования, поставляемый поставщиком чистых помещений, и сопутствующие технологические системы относятся к разным сферам ответственности в рамках проекта, и размывание границ между ними приводит к появлению пробелов, которые выявляются лишь после монтажа.

Пакет «Чистое помещение и оборудование» включает такие элементы, как каркас помещения, блоки FFU и фильтрующее оборудование, системы управления, а также внутреннюю отделку. Именно эти компоненты обеспечивают вентиляцию помещения, герметичность его оболочки и возможность контроля уровня чистоты. Вытяжные системы технологического оборудования, инженерные коммуникации и окончательная квалификация установленного оборудования не входят в этот пакет в соответствии с распределением ответственности по проекту, даже если они физически к нему подключены. Поставщик, поставляющий корпус помещения, блоки FFU и фильтрующее оборудование, системы управления и внутреннюю отделку, не несет, исходя исключительно из факта поставки, ответственности за вытяжные системы или инженерные коммуникации, обслуживающие технологическое оборудование, установленное внутри помещения, а также за квалификационные испытания, подтверждающие, что установленная система функционирует в соответствии с требованиями.

Это разделение имеет наибольшее значение именно в тех точках взаимодействия, которые были определены ранее: там, где вытяжные газы оборудования влияют на воздушный баланс помещения; там, где инженерные коммуникации проходят через оболочку чистой комнаты; а также там, где требования к доступу и испытаниям локальной чистой зоны соприкасаются с проектированием окружающих помещений. Каждый такой интерфейс должен иметь четко обозначенного ответственного. Если исходить из того, что «комплект» чистой комнаты автоматически включает в себя всё, вплоть до технологического оборудования включительно, то именно эти интерфейсы остаются без ответственных.

Кроме того, именно на этом этапе разработки проекта информация, собранная заказчиком — карта рисков по этапам процесса, решения по зонированию и уже определённые границы взаимодействия — становится основой, на которой поставщик, такой как YOUTH, будет опираться при рассмотрении запроса на конфигурацию или коммерческое предложение для модуль для чистой комнаты в полупроводниковой промышленности, а Схема расположения FFU, либо ступень фильтрации HEPA/ULPA. Запрос, в котором указана только целевая классификация без сопутствующей карты рисков и назначений интерфейсов, дает более узкую основу для такой экспертизы, чем запрос, включающий эти элементы.

Вопросы, требующие уточнения перед подготовкой отчета по высокотехнологичным чистым помещениям

Прежде чем техническое задание будет отправлено поставщикам на рассмотрение, проектной группе полезно точно знать, какие фактические данные подтверждают те или иные утверждения и где заканчивается действие каждого из этих оснований.

ISO 14644-1:2015 обеспечивает классификацию взвешенных в воздухе частиц в установленных точках отбора проб — это определённая и поддающаяся проверке основа для оценки чистоты помещения с точки зрения содержания частиц и только этого аспекта. Данный стандарт не определяет степень жизнеспособности микроорганизмов, химическую, радиологическую или поверхностную чистоту, и в документах, где этот стандарт приводится в качестве доказательства какого-либо из этих других условий, он используется вне пределов своей сферы применения.

Стандарт ISO 14644-8:2022 предусматривает оценку и классификацию химической чистоты воздуха и становится актуальным только в тех случаях, когда в ходе картирования рисков технологических этапов уже установлено, что химические вещества в воздухе создают технологический риск как минимум на одном из этапов. Если ни один из этапов в картировании не несет такого риска, данный стандарт не имеет отношения к данному заданию. Если же какой-либо этап несет такой риск, данный стандарт не заменяет классификацию частиц, уже установленную в соответствии с ISO 14644-1 — оба стандарта применяются, охватывая различные пути проникновения.

ISO 14644-4:2022 поддерживает последовательность этапов — от требований до проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию и проверки — то есть процедурный путь, по которому проходит проект, чтобы пройти путь от сформулированного требования до проверенного состояния установки. В нем не предписываются конкретные технологии, технологические средства или объем поставок, поэтому ссылка на него не решает вопрос о том, какое семейство оборудования, подход к зонированию или интерфейс вытяжной системы следует использовать в конкретном проекте; эти решения остаются прерогативой проекта и принимаются с учетом уже обсужденного сопоставления этапов процесса и согласования интерфейсов.

Если в техническом задании проекта указаны требуемый класс частиц, требования к химической чистоте, границы зон, назначение вытяжных систем и подключений к инженерным сетям, а также условия доступа для технического обслуживания — причем каждый из этих пунктов привязан к соответствующему этапу технологического процесса — такое задание предоставляет поставщику, рассматривающему запрос, четкую основу для подготовки предложения по конфигурации. Если какой-либо из этих пунктов отсутствует, пробел носит конкретный характер: речь идет не об общей неопределенности в отношении проекта, а о конкретном элементе информации, который проектная команда еще должна уточнить, прежде чем техническое задание можно будет считать полным.

Часто задаваемые вопросы

Q: Достаточно ли одного конкретного класса частиц для определения проекта высокотехнологичной чистой комнаты?
A: Нет. Классификация частиц позволяет определить концентрацию взвешенных в воздухе частиц в установленных точках отбора проб, тогда как загрязнение молекулами в воздухе, осаждение на поверхностях, электростатический разряд (ЭСД), тепловая нагрузка и загрязнение, создаваемое инструментами, требуют принятия отдельных проектных решений. Перед назначением мер контроля необходимо сопоставить эти риски с каждым этапом изготовления, нанесения покрытий, сборки и испытаний.

Q: В каких случаях на этапе технологического процесса следует использовать локальную чистую зону, а не полагаться на условия окружающего помещения?
A: Используйте локальную зону чистоты, если данный этап требует более строгого контроля, чем окружающее помещение. Перед выбором подхода определите риски, связанные с конкретным этапом, порядок доступа операторов или материалов в зону, а также порядок проверки соблюдения необходимых мер контроля.

Q: Какую информацию необходимо подготовить перед тем, как запросить предложение по оборудованию для чистых помещений?
A: Подготовьте схему технологического процесса, в которой будут указаны требуемый класс чистоты частиц и критерии проверки, любые требования к химической чистоте, специфические для данного процесса требования к поверхности и электростатической разрядке (ESD), риски загрязнения, создаваемые технологическим оборудованием, тепловые нагрузки, подключения к системам вытяжки и инженерным сетям, а также доступ для технического обслуживания. Это даст поставщикам четкую основу для разграничения требований к контролю состояния помещения и требований к технологической системе.

Q: Как покупатели могут сравнить объем услуг поставщиков, не оставив при этом без внимания важные интерфейсы?
A: Сравните предложения с учетом четкого разграничения объема работ. Укажите, включены ли в них каркас помещения, оборудование FFU и фильтры, системы управления и отделочные работы, а затем отдельно выделите системы вытяжки технологического оборудования, инженерные сети и окончательную квалификацию установленного оборудования, при этом конечные точки каждого интерфейса должны быть указаны в техническом задании.

Q: Какой из стандартов ISO 14644 должен служить основой для каждого раздела технического задания проекта?
A: Соотнесите ссылку с тем стандартом, который она фактически поддерживает: ISO 14644-1 — для классификации взвешенных в воздухе частиц, ISO 14644-8 — в случаях, когда химические вещества, содержащиеся в воздухе, создают технологический риск, и ISO 14644-4 — для описания всего процесса от требований до проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию и проверки. Ни один из этих стандартов сам по себе не позволяет выбрать технологическое оборудование, определить объем поставки или устранить все риски загрязнения.