Kontaminationsquellen vermeiden mit Strömungssimulation

Verschiedene Industriebereiche müssen vermehrt unter definiert reinen Bedingungen fertigen. Dabei ist nicht nur die Erhöhung des Yields von Bedeutung, sondern problemlose Umsetzung von Produktionsprozessen. Insbesondere Kontaminationen wie luftgetragene bzw. sedimentierte Partikel, Airborne Molecular Contamination sowie elektrostatische Eigenschaften sind ausschlaggebend. Zu den relevanten Branchen gehören die Halbleiterfertigung, die Feinwerktechnik, die Optik, die Mikrosystemfertigung sowie die Medizintechnik.

Anforderungen an reines Equipment
Häufig orientieren sich Hersteller an der »International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)« und am »Sematech Integrated Minienvironment Design Best Practices«. Diese geben spezifische technische Anforderungen vor, die im Equipment erreicht werden müssen. Dazu gehören u.a. die Luftreinheitsklasse, der PWP-Wert (Particles per Wafer and Pass), die AMC-Reinheit der Luft und Werkstoffe, der Strömungsparameter, die ESD-Eigenschaften sowie die Werkstoffauswahl.
Daneben hat auch der Aufstellort von reinem Equipment erhebliche Auswirkungen auf dessen Design. Der umgebende Reinraum mit seiner Luftreinheitsklasse (häufig Klasse 5 bis 7 nach ISO 14644-1) und seiner Strömungseigenschaften bestimmt weitgehend die Abschirmung des reinen Equipments und die Filterauswahl.
Die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe bilden eine weitere Voraussetzung für reines Equipment. In der Halbleiterindustrie spielen Partikelemissionsverhalten, Ausgasungsverhalten, elektrostatische Eigenschaften, Chemikalienbeständigkeit/Korrosionsbeständigkeit und Reinigbarkeit eine Rolle. Neben den Werkstoffen selbst sind jedoch genauso deren Bearbeitung und Beschichtung zu beachten.

Lösungsansätze und Realisierung
Die Wirkungsweise reinen Equipments basiert auf der permanenten Versorgung mit reiner Luft und der Vermeidung von Kontaminationsquellen im Inneren des Equipments. Über die Versorgung mit reiner Luft sowie entsprechender Strömungsführung und Versperrung wird eine wirkungsvolle Barrierewirkung zur Abgrenzung der meist weniger reinen Umgebung geschaffen.
Der Fokus wird hier auf die Versorgung des Equipments mit eigener Lüftungstechnik gelegt. Grund dafür ist der seit einigen Jahren vorherrschende Trend zum hochreinen Equipment (unabhängig vom Aufstellort im Reinraum) sowie der Wegfall von nachträglichen Anpassungsarbeiten. Die häufig eingesetzten mechanischen und elektronischen Komponenten sind einerseits als Kontaminationsquellen einzustufen, anderseits aber als Funktionselemente unverzichtbar.
Vor dem Hintergrund langjähriger Erfahrung in der Fertigung reinheitstauglicher Geräte und Anlagen erstellt das Fraunhofer IPA Reinheitskonzepte, die mithilfe von Simulation und Werkstoffdat
enbanken zu präzisen Lösungen ausgebaut werden.

Nutzung von Computational Fluid Dynamics (CFD)
Das Fraunhofer IPA nutzt die Simulationssoftware Fluent (ANSYS). Mit dieser Software steht ein enormes Potential an Simulationsmöglichkeiten von komplexen physikalischen Vorgängen zur Verfügung. CFD ermöglicht bereits in den frühen Anfangsphasen der Entwicklung eine präzise Gestaltung von reinraumgerechten Anlagen und Equipment. Hardware ist dabei nicht erforderlich. Die Komplexität der Modelle kann sehr hoch sein. Aufwändige Prototypen zur schrittweisen Optimierung entfallen. Von Konstrukteuren erstellte Zeichnungen können direkt in die Simulationssoftware eingelesen und auch wieder für weitere Verwendungen exportiert werden. Somit stehen die Ergebnisse sehr schnell und genau für die Konstruktion zur Verfügung. Verschiedene Setups sind nach der Erstellung des Rechenmodells durch die Änderung von Randbedingungen durchführbar.

Nutzung von Werkstoffdatenbanken
Die Auswahl geeigneter reinraumtauglicher Werkstoffe basiert auf über 20 Jahren Erfahrung sowie mehreren umfangreichen Fraunhofer-eigenen Datenbanken. Darin sind Werkstoffe nach Partikelemission, Ausgasung, ESD-Eigenschaften etc. geordnet, die standardisierten Messungen unterliegen.