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Mysteriöser Reinraum: Warum brauchen Halbleiterfabriken eine solche Umgebung?
Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die Halbleiterindustrie zu einem unverzichtbaren Teil der Weltwirtschaft geworden. Der Prozess der Herstellung elektronischer Komponenten wie Mikroprozessoren und Speicher wird als Halbleiterherstellung bezeichnet. Dieser Prozess ist nicht nur technisch komplex, sondern erfordert auch äußerst strenge Umgebungsbedingungen. Unter ihnen ist das Konzept des „Reinraums“ besonders wichtig. Da die Halbleiterherstellung extrem hohe Anforderungen an die Schadstoffkontrolle stellt, ist der Reinraum zum Kern der Halbleiterfabrik geworden.
Reinräume dienen nicht nur dazu, Staub fernzuhalten, sondern auch dazu, die Genauigkeit aller Herstellungsprozesse sicherzustellen und die Produktausbeute zu verbessern.
Der Halbleiterherstellungsprozess umfasst Dutzende von Schritten, darunter Fotolithografie, thermische Oxidation, Dünnschichtabscheidung, Ionenimplantation und Ätzen. Jede kleine Verunreinigung in einem dieser Prozesse kann zum Versagen der gesamten Charge führen. Daher ist die Reinraumgestaltung für die Kontrolle winziger Partikel (im Allgemeinen kleiner als 0,5 Mikrometer) von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund werden in Reinräumen spezielle Luftfiltersysteme eingesetzt, die potenzielle Schadstoffe aus der Luft entfernen.
In Reinräumen herrscht normalerweise eine ständige Luftzirkulation und es werden HEPA-Filter verwendet, um die Luft sauber zu halten. Dieser Betriebsmodus verringert nicht nur die Kontaminationsgefahr, sondern gewährleistet auch eine stabile Umgebung während der Halbleiterherstellung. Darüber hinaus müssen sich die Mitarbeiter vor dem Betreten des Reinraums normalerweise einer Reihe von Hygienemaßnahmen unterziehen, z. B. dem Tragen professioneller sauberer Kleidung und einer Desinfektion, um die Innenumgebung sauber zu halten.
Bei der Herstellung hochwertiger Halbleiter kann die Prozesszeit bis zu 15 Wochen betragen und die Fähigkeit zur Kontrolle der Kontaminationssicherheit wirkt sich direkt auf die Leistung und Qualität des Endprodukts aus.
Mit dem Fortschritt in Wissenschaft und Technik sind durch die immer weiter fortschreitende Halbleitertechnologie die Anforderungen an Reinraumumgebungen gestiegen. Bei 14 nm und darunter beginnen Selbsterhitzung und andere Phänomene wie Plasmatisierung, insbesondere bei abnehmender Transistorgröße, Designentscheidungen zu beeinflussen, wodurch der Bedarf an einer Reinraumumgebung noch dringlicher wird.
War der Reinraumbau früher oft auf spezielle Material- und Prozessanforderungen ausgerichtet, muss er heute an die Anforderungen unterschiedlicher Technologieknoten angepasst werden. Darüber hinaus hat sich mit der Einführung größerer Wafergrößen auch das Design der Reinräume schrittweise weiterentwickelt, wobei von 200-mm-Wafer auf 300-mm-Wafer und in Zukunft möglicherweise auf 450-mm-Wafer umgestiegen wurde. Daher werden die Reinraumstandards ständig aktualisiert, um sie an diese Änderungen anzupassen.
Tatsächlich sind mit der Gestaltung und dem Betrieb von Reinräumen nicht nur wissenschaftliche und technologische Entwicklungen verbunden, sondern sie wirken sich auch auf die Wettbewerbsfähigkeit der gesamten Branche aus.
Halbleiterhersteller wie TSMC und Intel legen beispiellosen Wert auf Reinräume. Da die Nachfrage steigt, können die Prozesskapazitäten der Vergangenheit nicht mehr mit den Anforderungen des Marktes mithalten, was die Unternehmen dazu veranlasst hat, ihre Reinräume kontinuierlich zu erweitern. Während der COVID-19-Epidemie sind die Gestaltung und Verwaltung von Reinräumen in den Mittelpunkt der Diskussion gerückt, da sie nicht nur technische Herausforderungen bewältigen müssen, sondern auch Hygiene und Sicherheit berücksichtigen müssen.
Unter Berücksichtigung aller oben genannten Faktoren ist der Reinraum nicht nur die Kernumgebung der Halbleiterherstellung, sondern auch Zeuge des Fortschritts von Wissenschaft und Technologie. Mit der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie werden sich auch das Design, die Verwaltung und die Anwendung von Reinräumen weiterentwickeln. Eine solche Entwicklung wird dazu beitragen, die Produktqualität zu verbessern und den Wettbewerb zwischen den Branchen zu fördern. Werden wir angesichts der rasanten technologischen Fortschritte in der Zukunft noch größere Durchbrüche erleben, die durch Reinräume möglich werden?
