Чистые помещения

Чистое помещение Зарубежные эксперты представляют свое видение чистых помещений будущего.
Шейла Галатович
Статья публикуется с разрешения журнала CleanRooms, www. cleanrooms. com, (перевод СБ. Коршунова)

В связи со всевозрастающим влиянием молекулярных загрязнений на технологический процесс, чистые помещения будущего будут собираться из готовых, предварительно собранных частей, а оборудование будет самоочищающимся. Если можно было бы войти в чистое помещение будущего, то оказалось бы, что оно во многом выглядело бы так же, как и нынешнее. Несмотря на то, что некоторые из предполагаемых перемен радикально изменят проектирование, строительство и эксплуатацию чистых помещений, сами чистые помещения станут более понятными для большинства потребителей. Недавно журнал CleanRooms попросил экспертов самых различных специальностей описать чистое помещение будущего, и хотя они не пришли к единому мнению в деталях, все сошлись на том, что принципы чистого производства найдут новые приложения. По словам Майкла О'Хэллорана, директора отдела технологии в IDC (Портленд, Орегон) , через десять лет «у чистого помещения будет много разных «лиц» в зависимости от того, кто им будет пользоваться и каким будет его назначение». Базовые знания потребителей вырастут до уровня, который сегодня невозможно представить, особенно за пределами западного мира, - говорит Р. Виджайакумар, вице-президент по технологии и маркетингу компании Mr Techniques International (Балтимор, Мэриленд). По мнению экспертов, желание всего мира дышать чистым воздухом и питаться незагрязненной пищей приведет к более глубокому внедрению принципов чистого производства в самые разные отрасли, например, переработку пищевых продуктов (включая розничную торговлю скоропортящимися продуктами), розничную продажу фармацевтических препаратов, печатное дело, упаковку, косметическую, автомобильную и аэрокосмическую отрасли промышленности и, возможно, даже в частные дома. Нетрудно представить себе, что через 10 лет больной хроническим заболеванием или аллергией сможет применить в своем доме основные приемы технологии чистых помещений, потому что все средства для этого -фильтрация, устранение газообразных загрязнений и обращение с материалами - доступны уже сейчас, - говорит Виджайакумар. - Внедрение очистителей комнатного воздуха демонстрируют это. К 2013 году принципы чистых помещений будут применяться повсеместно. Если сейчас владельцы предприятий, эксплуатирующих чистые помещения классов ISO 5-8, сосредоточены на проблемах удаления частиц, то в будущем контроль за загрязнениями в помещениях производства полупроводниковых устройств и другой электроники будет переведен на молекулярный уровень. Кроме того, к 2013 году акцент в оценке риска от загрязнения воздуха аэрозольными частицами сместится в сторону загрязнения поверхностей и загрязнений от технологического процесса, значение которых все возрастает -говорит Конор Мюррей, председатель Ирландского общества чистых помещений и технический директор компании Ardmac (Дюндалк, Ирландия). «В ближайшем будущем решение задачи исключения поверхностных заг- рязнений сосредоточится на трех ключевых направлениях: создании самоочищающихся чистых помещений с меньшим количеством персонала, непосредственно участвующем в технологическом процессе; использовании устройств со средствами вычислительной техники в саморегулирующихся процессах и создание изделий с элементами логики, которые будут включать специальные встроенные компоненты, либо не допускающие возникновения нарушений из-за наличия загрязнений, либо сигнализирующие об опасности загрязнения».

Скачать файл "Ламинарный бокс"

Разработки в альтернативных направлениях, таких как пульсирующая подача воздуха, продувка азотом и осуществление технологического процесса в минизонах с вакуумом, приведут к тому, что однонаправленный поток воздуха все в большей мере будет присущ чистым помещениям более низких классов чистоты», - говорит Мюррей. Будущее строительства чистого помещения вырисовывается следующим образом.

Упрощенное строительство

По мнению Брайэна Мазура, начальника отдела продаж компании Aketon Technologies (Корваллис, Орегон) , через 10 лет строительство чистых помещений сильно упростится. Полы, потолки и стены будут изготавливаться в виде предварительно собранных элементов, отправляться в упаковке к месту монтажа, а затем собираться подрядчиками на местах с использованием очень небольшого количества инструментов. Такая концепция, основанная на принципе детского конструктора, позволяет возводить комплексы чистых помещений в регионах с низким уровнем технологического развития, то есть там, где у подрядчиков часто бывает ограниченный опыт их строительства. Кроме того, это позволит сократить стоимость и время строительства. В значительной мере изменятся материалы для изготовления полов, потолков и стен, которые должны будут выдержать постоянно увеличивающийся вес.

Например, говорит Мазур, - вместо системы из сборных элементов инженеры разработают потолочную систему, обладающую конструктивной целостностью и подвешиваемую непосредственно к несущему стальному перекрытию, что приведет к более длинным пролетам. Такой подход сделает потолочные системы достаточно прочными, чтобы выдержать вес унифицированных контейнеров, трубопроводов и человека, обслуживающего наружную сторону потолка.Полы подвергнутся аналогичной трансформации. «Я предвижу переход в напольной системе, которая в большей мере будет способна гасить вибрации и выдерживать все возрастающую массу минизон и оборудования, - говорит Мазур. - Мы бы хотели убрать из-под пола всю инфраструктуру и сделать его несущим элементом всего оборудования».

Системы стеновых ограждений станут тоньше, прочнее и более гибкими в реконструкции. «В некоторых лабораторных чистых помещениях электронной и фармацевтической промышленности владельцам необходимо иметь возможность модернизации технологического процесса: размещать в чистых помещениях установки разных размеров или увеличивать размеры самих помещений. Когда стеновые панели можно будет легко вставлять или вынимать с любой стороны, пространство можно будет использовать более эффективно. При такой гибкости ограждающих конструкций уже через неделю владельцы смогут перейти на совершенно новый технологический процесс». Светодиодные светильники в  гибридных чистых помещениях
Кроме того, в чистом помещении будущего расходы на электроэнергию и вопросы технического обслуживания станут причиной замены люминесцентного освещения на светоизлучающие диоды (СВД).

«Люминесцентные лампы приходится заменять через каждые два или три года, зачастую над установками», - замечает Мазур. «Это не исключает возможности того, что люминесцентную трубку уронят прямо в помещении, что может быть губительным для технологического процесса. Светильники на основе СИД, напротив, будут более эффективными в смысле энергопотребления, прослужат до 10 лет без всякого техобслуживания и их можно сконструировать так, чтобы они давали рассеянное освещение, пульсировали или меняли цвета и сигнализировали о необходимости покинуть помещение. Широкое применение светодиодных светильников - это прогноз, в котором не приходится сомневаться».

"Вероятно также, что чистые помещения будущего будут в большей мере гибридными», - говорит Томас Хансз, президент Facility Planning & Resources (FPR; Питтсбург, Пенсильвания). «Раньше, если вы увидели участок розлива одного фармацевтического продукта или участок полупроводникового производства, то можно было сказать, что вы увидели и все производство. К 2013 году чистые помещения будут иметь менее общий характер, их специфика будет в большей степени зависеть от нужд владельцев, - говорит Виджайакумар, - и не обязательно от технологического процесса».

Это означает, что в пределах одного чистого помещения будут вероятны самые необычные планировки, а оборудование и системы жизнеобеспечения будут приспособлены для быстрых модификаций. «Все дело в гибкости и защите от загрязнений», - говорит Хансз.

Скачать файл "Фильтр"

Новые чистые помещения, старые классификации

Даже при всех переменах в строительстве и планировке чистых помещений они и через 10 лет будут выглядеть так же как современные. Вдобавок классификация их останется прежней не только в плане контроля частиц, но и в плане техобслуживания и организации воздушных потоков. Хотя оборудование для технологического процесса все в большей мере будет изолироваться от окружающей его среды, оно, тем не менее, будет требовать технического обслуживания и, следовательно, периодически контактировать с этой средой. Но, по всей вероятности, первостепенная причина сохранения прежней классификации заключается в тепле.

«Определенное количество воздуха должно пропускаться через чистое помещение, чтобы обеспечить охлаждение и устранить выделяемое тепло», - говорит Билл Фоснайт, вице-президент по разработке стационарного производственного оборудования компании Brooks-PRI Automation (Челмсфорд, Массачусетс).

Выделяемое тепло может достигать 30 ватт на кв. фут. «Для того чтобы воздух, поступающий в чистое помещение, нейтрализовал это тепло, необходимо, чтобы его температура была на 10-15 градусов ниже, чем температура воздуха в самом помещении, и в случае предприятий по производству полупроводниковых пластин для устранения тепловой нагрузки требуются скорости воздушного потока, соответствующие классам ISO 5 и 6,» - говорит Фоснайт.

«Однако получение однонаправленного потока воздуха в 2013 г. может стать архаизмом, поскольку владельцы стремятся заменять вентиляционные шахты и большие централизованные системы воздухоподготовки на фильтровентиляторные блоки, у которых и габариты меньше, и более умеренный расход электроэнергии», - добавляет Фоснайт. «Турбулентный поток позволяет получать условия классов 5 и 6, одновременно обеспечивая требуемый воздушный поток для устранения тепла».

Соображения  по  поводу автоматизации и изоляции

Далее Фоснайт предсказывает, что в течение последующих 10 лет владельцы предприятий по выпуску полупроводниковых устройств повысят уровень их автоматизации. «Сегодня на большинстве предприятий операторы совершают множество движений между производственным оборудованием. Несомненно, что к 2013 году программные и аппаратные средства автоматизации будут в достаточной мере зрелыми и надежными, чтобы фактически устранить необходимость в ручном труде».

Между тем владельцы чистых помещений будут увеличивать использование технологических минизон и изоляторов для критических процессов, и решать технологические проблемы, к числу которых, например, в 2003 году относятся трудности в достижении низких уровней шума и вибрации, а также жесткого контроля температуры и влажности.

Скачать файл "Корпус фильтра"

Кластерная установка для производства микросхем

«Проблемы, которые не заметны сегодня, будут более очевидными при применении независимых систем мониторинга в 2013 году», - говорит Марк Хемингуэй, вице-президент по технологии машиностроения компании Sterling Engineering Co. Ink. (Стербридж, Массачусетс) . «Датчики, компьютеры и программное обеспечение будут контролировать, опознавать, записывать и анализировать критические данные самой среды независимо от общей системы управления комплексом».

«В такие системы мониторинга внесет свой вклад нанотехнология», - добавляет Мюррей из Ardmac. Будут разработаны чрезвычайно малые устройства, встраиваемые непосредственно в продукт и технологические процессы в качестве «механизмов, осуществляющихих постоянный или выборочный мониторинг и объединяющих метрологические данные не только для измерения загрязнений, но и для анализа их возможного воздействия на продукт или процесс». Через 10 лет мониторинг загрязнений как в чистых помещениях, так и в минизонах перейдет от ежедневного и почасового снятия показаний к получению результатов в режиме реального времени. Вместо обязательной обработки результатов после сканирования помещения или минизоны владельцы чистого помещения хотят получать результаты мониторинга непосредственно на рабочем месте», - говорит О'Хэллоран. «В настоящее время имеется несколько патентованных устройств, которые могут вести мониторинг частиц и газов в режиме реального времени, но в 2013 году эта технология станет рутинной».

Участники дискуссии считают, что датчики со средствами обработки данных дадут инженерам возможность контролировать чистые помещения дистанционно, даже если они будут находиться на другом континенте. Контрольно-измерительная аппаратура и системы контроля позволят инженерам проводить ремонт и наладку чистых помещений на расстоянии.

Скачать файл "Локальная чистая зона"

Летучие   молекулярные загрязнения и моделирование воздушного потока

Тогда как в течение первых пятидесяти лет развития чистых помещений акцент делался на понимании и контроле загрязнения частицами, в следующем десятилетии центром внимания станут летучие молекулярные загрязнения (airborne molecular contaminations) . Эта тенденция связана с развитием полупроводниковых устройств, размер которых измеряется миллимикронами, которые выходят из строя под действием таких загрязнений. В отраслях промышленности, связанных с живой природой, биологические загрязнители, плесень и вирусы также можно отнести к взвешенным в воздухе органическим загрязнениям. «Вот почему моделирование воздушного потока с помощью расчетов станет необходимым условием создания чистых помещений будущего», - говорит Энди Солберг, инженер по регулированию воздушных потоков в IDC. «С помощью моделирования воздушных потоков можно отследить источник летучих органических загрязнений и спрогнозировать пути их распространения в чистых помещениях, изоляторах и мини зонах, а также определить наиболее подходящее место для расположения фильтра».

Через 10 лет моделирование воздушных потоков будет настолько точно прогнозировать поведение, что модели помещений и сред будут получаться до их фактического сооружения. О'Хэллоран считает, что владельцы чистых помещений будут получать «готовые решения с предварительно размещенными и установленными фильтрами вместо того, чтобы тратить время и деньги на работу, выполняемую вручную и наугад».

Кроме того, моделирование воздушных потоков будет применяться и для контроля качества воздуха вне чистого помещения, особенно для указания самых лучших мест для забора воздуха - насущной потребности в сильно загрязненных районах мира.

Мультифункциональная фильтрация летучих молекулярных Загрязнений

Сами по себе фильтры НЕРА и ULPA не задерживают летучие молекулярные загрязнения, для которых может потребоваться особьй вид фильтрующей среды, причем специальный для каждого типа загрязнений. В то время как сегодня необходимо два отдельных фильтра для кислот и оснований, в будущем для фильтрации такого типа загрязнений потребуется один многофункциональный фильтр. «Сегодня уже существует технология удаления почти всех нежелательных летучих молекулярных загрязнений, но она включает в себя несколько типов фильтрующих сред и методик удержания веществ (адсорбцию, абсорбцию, хемзсорбцию, окисление, катализ и т.д.). Это означает, что количество разных ступеней фильтрации может доходить до шести», - говорит Крис Мюллер, менеджер технических служб компании Purafil Inc. «Дело в том, что в установке для обработки и кондиционирования воздуха нет ни достаточного места, ни условий для поддержания необходимого давления и увеличения несущей способности потолочной решетки, которые необходимы для обеспечения требуемого уровня очистки воздуха и размещения такого количества ступеней фильтрации. Заказчики хотят иметь маленькую черную коробочку, которую они могли бы разместить в своей установке для обработки воздуха и, в то же время, достичь более высокой эффективности фильтрации, чем возможно сегодня».

К 2013 году пользователи чистых помещений будут иметь более четкий подход к решению проблем с таким типом загрязнений. Он будет включать не только идентификацию нежелательных летучих молекулярных загрязнений, но и любых других молекулярных соединений в технологической среде, которые могут неблагоприятно повлиять на защиту от летучих молекулярных загрязнений. Усилия по защите от молекулярных загрязнений примут официальный характер и станут прерогативой специальной группы персонала, которая будет осуществлять контроль этих загрязнений в течение всего рабочего дня.
Мюллер считает также, что больший упор на фильтрации летучих молекулярных загрязнений будут делать в оборудовании и минизонах, а не в общей системе кондиционирования и обработки воздуха. А Виджайакумар полагает, что кроме этого будут вестись поиски путей осуществления более высокоэффективной фильтрации и для технологических жидкостей.

Скачать файл "Локальная чистая зона"

Разрушительной электростатики станет больше

Через 10 лет персонала в чистых помещениях будет меньше, чем сейчас. Но это не означает, что число возможных электростатических разрядов снизится. «По мере расширения миниатюризации во всех областях техники вероятность ущерба от электростатических разрядов будет возрастать», - заявляет Арнольд Штайнман, главный технолог из ION Systems Inc. (Беркли, Калифорния).

Например, если к 2013 году полупроводниковая промышленность перейдет на производство микросхем с геометрией в 32 нм, то чувствительность к электростатическому разряду понизится до уровня в 10 - 15 вольт по сравнению с 250 вольтами сегодня. «При таком низком электростатическом напряжении предотвращение ущерба до того, как он произойдет, будет иметь ключевое значение», - указывает Штайнман.

«Мы заменяем человека роботами и оборудованием, что может привести к появлению электростатических разрядов в 10 раз более разрушительных, чем те, что вызываются людьми», - говорит Стивен Гальперин, президент ESD Association (Роум, Нью-Йорк) - «а это еще больше усложнит проблему».

Хотя основные принципы защиты от электростатического разряда не изменятся, из-за возрастающего насыщения технологического процесса различным оборудованием, инструментами и материалами, их антистатические свойства будут рассматриваться скорее как стандартная особенность, а не как дополнительное преимущество. Владельцы чистых помещений будут оценивать и выбирать сырье, производственные вспомогательные средства и упаковочные материалы, основываясь на их антистатических свойствах, а затем использовать эти материалы вкупе с датчиками электростатических разрядов по всему чистому помещению, чтобы предотвратить возможный ущерб.

«Всем зонам, связанным с изготовлением изделий, предстоит пройти весь цикл изменений, начиная с проектирования, с упором на предотвращение ущерба, а не на анализ его последствий после того, как он уже произошел, - говорит Гальперин. -Это делает будущее восхитительным с точки зрения защиты от электростатических разрядов».

Произойдет сдвиг в расходных материалах

В течение последующих 10 лет у основных расходных материалов прибавится антистатических свойств, но не следует ждать в этой области больших технологических достижений. С уменьшением количества персонала, работающего в самих чистых помещениях, произойдет смещение акцентов и в потреблении расходных материалов.

«Самые чистые производства будут продолжать применять маты для защиты от загрязнений, но не в таких количествах, как сейчас, - говорит Дэннис Еодцуин, президент Purus International Inc. (№дио, Калифорния).

Маты, будут ли они моющимися, многократного использования или одноразовыми с липким слоем, сохранятся во всех случаях, потому что они представляют собой как физический, так и психологический барьер при входе в чистое помещение. «Всюду, где люди присутствуют в критических помещениях, всегда будет необходимость в напольных покрытиях, защищающих от распространения загрязнений», -поясняет Марк Далзиль, управляющий директор Dycem (Бристоль, Соединенное королевство). «Тканые материалы из сложного полиэфира, применяющиеся в настоящий момент в качестве протирочных материалов для чистых помещений, будут и в 2013 г. обеспечивать наилучшее сочетание цена/рабочие характеристики, - говорит Говард Сигерман, директор по маркетингу в ITW Texwipe (Аппер Сэддл Ривер, Нью Джерси) . В полупроводниковых производствах наиболее значительное изменение в предстоящее десятилетие произойдет в том, как используются протирочные материалы - в меньшей степени для ограждающих поверхностей и в большей степени для технологического оборудования . «Между тем в фармацевтике потребуются более чистые протирочные материалы и стерильные, готовые к применению изделия», -добавляет Кэти Мишиошио, также директор по маркетингу в ITW Texwipe.

Скачать файл "Классы чистоты"

Чистые помещения будут выглядеть обманчиво

«Через десять лет чистые помещения будут напоминать модернизированные классические ретро автомобили», -подводит итоги дискуссии Уилли Кони, старший инженер-механик в IDC. Кони, приступивший к работе над своим первым чистым помещением еще в 1972 году, говорит, что эти будущие сооружения, возможно, будут выглядеть так же, как и нынешние, но творческая инженерная мысль реализует под этой оболочкой куда больше технических достижений, чем люди в состоянии представить себе сейчас».