Filtración en fase gaseosa para fábricas de semiconductores: cómo elegir medios químicos

Contaminación que un HEPA no atrapa

Una fábrica moderna puede mantener sus recuentos de partículas en clase ISO 3 o mejor y aun así perder rendimiento por una contaminación que ningún contador de partículas ve. La contaminación molecular transportada por el aire (AMC) es contaminación en fase gaseosa: ácidos como HCl y SO₂, bases como amoníaco y aminas, compuestos orgánicos y dopantes. Aparece en concentraciones demasiado bajas para olerse, a menudo de partes por mil millones o menos, pero suficientes para alterar una superficie.

Las moléculas de gas miden fracciones de nanómetro, miles de veces menos que las partículas para las que se diseña un HEPA, y no se adhieren a las fibras de vidrio como las partículas. Lo atraviesan salvo que algo las adsorba o neutralice. Esa es la tarea de la filtración química.

Por qué importan las partes por mil millones

El primer caso bien documentado vino de la litografía. A principios de los años noventa, investigadores de IBM demostraron que las resinas fotosensibles de amplificación química, que dependen de una pequeña cantidad de ácido fotogenerado, eran sensibles a las bases del aire. Trazas de amoníaco o aminas neutralizan el ácido en la superficie de la resina, de modo que la parte superior del patrón expuesto no se revela y las líneas adoptan un perfil en T, el llamado T-topping [4]. Desde entonces, el control de bases forma parte de toda zona de litografía.

Los ácidos causan otro tipo de daño. Corroen líneas metálicas, contactos y pads de soldadura, y atacan el cobre y la plata de la electrónica de control y de potencia. Los orgánicos condensables se depositan en obleas, ópticas y retículas y pueden cambiar la adherencia de las capas. Los dopantes, como compuestos de boro y fósforo, pueden alterar las propiedades eléctricas de los dispositivos.

Cómo se clasifica la AMC

La industria de semiconductores agrupa la AMC por su comportamiento químico. SEMI F21 usa cuatro familias: ácidos (MA), bases (MB), orgánicos condensables (MC) y dopantes (MD), y fija clases por concentración para cada una [2]. La ISO 14644-8 ofrece un método general para cualquier sala limpia: la limpieza química del aire se expresa como clase ISO-ACC N, donde la concentración de una sustancia o grupo es 10ᴺ g/m³, para concentraciones de 10⁰ a 10⁻¹² g/m³ [1]. Una concentración de 1 µg/m³ (10⁻⁶ g/m³) es la clase ISO-ACC −6.

Para salas de control, centros de datos y salas eléctricas, la referencia es ANSI/ISA-71.04, que clasifica lo corrosivo que es el aire a partir de la película de corrosión que crece en cupones de cobre y plata en 30 días [3].

La edición de 2013 de ISA-71.04 exige además la reactividad de la plata, y el mayor de los resultados de cobre y plata fija el nivel de severidad. Una humedad más alta aumenta la velocidad de corrosión para una misma concentración de gas.

Elegir el medio según el contaminante

Los filtros químicos eliminan gases de dos formas. El carbón activo adsorbe físicamente las moléculas en su enorme superficie interna, lo que funciona bien para la mayoría de los compuestos orgánicos. Los gases pequeños y reactivos como el amoníaco, el HCl o el H₂S quedan retenidos solo débilmente en el carbón normal, por lo que el medio se impregna con un producto que reacciona con ellos (quimisorción) y los fija.

Elegir el formato del filtro

• Los filtros de carbón encapsulado mantienen los gránulos dentro de un no tejido con muy poca emisión de partículas, adecuados para aire exterior y recirculación en fábricas.
• Los lechos de granulado retienen la mayor cantidad de medio para concentraciones altas a baja velocidad frontal.
• Los filtros de panal ofrecen baja resistencia a caudales altos para concentraciones bajas, por ejemplo en FFU.
• Disponga el medio en capas o mezclado cuando haya varias familias de contaminantes, y coloque un filtro de partículas aguas abajo de cualquier granulado suelto.

Dónde se instalan los filtros químicos

• Unidades de aire exterior: eliminan contaminantes exteriores como SO₂, NO₂ y ozono antes de que entren en el edificio.
• Recirculación y FFU sobre equipos sensibles: eliminan contaminantes liberados dentro de la fábrica, como amoníaco de productos de limpieza o ácidos de bancos húmedos.
• Envolventes de equipos y almacenes de obleas: dan el control más estricto donde las obleas esperan entre etapas.
• Salas de control y eléctricas: mantienen el aire en ISA-71.04 G1 para proteger la electrónica.

Información necesaria para la selección

La vida útil y la eficiencia de eliminación dependen por completo de las condiciones del lugar. Para elegir el medio y la profundidad del lecho necesitamos los gases objetivo y sus concentraciones, el caudal, la temperatura y la humedad relativa, y el nivel de eliminación o la vida útil que requiere. Si se desconoce la mezcla de gases, el primer paso es muestrear el aire en la toma o en la sala, y los cupones de reactividad dan una imagen de bajo coste de lo corrosivo que es el aire.

Una vez instalados, los filtros químicos se comprueban midiendo el aire aguas abajo, exponiendo cupones o enviando muestras del medio para analizar su capacidad restante. A diferencia de los filtros de partículas, apenas avisan por la pérdida de carga, porque el medio puede agotarse mucho antes de que cambie su resistencia.