Ganzheitliche Methode zur Auslegung von Reinräumen mit definierter organischer Luftreinheit

Abstract

Chemische Oberflächenkontaminationen werden ein immer wichtigerer Aspekt für kontaminationskritische industrielle Prozesse. Viele Materialen emittieren unerwünschte gasförmige Substanzen in die Umgebungsluft kontrollierter Produktionsumgebungen, welche später auf kritischen Oberflächen beispielsweise auf Silizium-Wafer in der Halbleiterindustrie und empfindlichen Optiken kondensieren und zu massiven Schädigungen des finalen Produkts führen können. Aus diesem Grund müssen Materialien, welche in den entsprechenden kontaminationskritischen Umgebungen eingesetzt werden sollen, hinsichtlich deren Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) bewertet und klassifiziert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen können Materialien direkt untereinander hinsichtlich deren VOC-Emissionen betrachtet und Materialien ohne Emission von prozesskritischen Verbindungen wie Phthalate, Siloxane und Organophosphate ausgewählt werden. Die im Rahmen dieser Dissertation neu beschriebene ganzheitliche Methode beinhaltet dazu folgende Teilschritte: Zuerst wurden alle zu untersuchenden Materialien vorbereitet und in einer VOC-reduzierten Umgebung mit turbulenzarmer Verdrängungsströmung vorkonditioniert. Anschließend folgte die Emissionsmessung aufgeteilt in die Probenahme mit Hilfe einer Mikrokammer und anschließender Analytik mittels Thermodesorption und Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektroskopie. Alle relevanten Parameter wie die Temperatur während der Probenahme, Volumenstrom und Dauer der Emissionsmessung wurden während der Methodenentwicklung als standardisierte Werte festgelegt. Die Analytik basierte auf einer bereits normierten Methode. Die ermittelte oberflächenspezifische Materialemissionsrate wurde zur Klassifizierung in eine standardisierte Kennzahl zur Klassifizierung überführt. Diese Materialklassifizierung ermöglichte eine gezielte Materialauswahl schon während der Planungsphase einer Reinraumumgebung. Zur Abschätzung der zu erwartenden VOC-Konzentration einer geplanten Reinraumumgebung in Abhängigkeit der Materialauswahl wurde ein geeignetes Simulationsmodell aufgestellt. Unter Zuhilfenahme dieses Modells wurden für zwei geplante Reinräume mit geringer VOC-Konzentration Grenzwerte hinsichtlich der maximalen oberflächenspezifischen Materialemissionsrate für Materialien mit großer Oberfläche (Boden und Wandsysteme) und Materialien mit hohen Ausgasungswerten (Dichtungs- und Klebstoffe) aufgestellt. Basierend auf diesen Grenzwerten wurden Materialempfehlungen ausgehend von allen klassifizierten Materialien gegeben. Beide Reinräume (ein Reinraum unter anderem für das Raumfahrtprojekt ExoMars bei der ESA-ESTEC in Noordwijk und ein Forschungsreinraum am Fraunhofer IPA) wurden dann mit den vorab ausgewählten Materialien errichtet. Die letztendlich ermittelten VOC-Konzentrationen zum Zeitpunkt der Fertigstellung entsprachen den festgelegten Vorgaben. Die ganzheitliche Methode zur Auslegung von Reinräumen mit definierter organischer Luftreinheit konnte damit verifiziert werden.

Chemical surface contamination is becoming an increasingly important issue for contamination sensitive industrial processes. Many materials emit undesired gaseous chemical substances into the atmosphere of controlled environments which can later condense on critical surfaces such as silicon wafer for semiconductor processing and sensitive optics with major consequences for the final product. Therefore, materials implemented in controlled environments need to be assessed and classified regarding the emission of volatile organic compounds (VOC). Based on these results, direct comparisons can be made and materials without any emission of process critical organic contaminations, such as phthalates, siloxanes and organophosphates can be selected. The newly described method uses a holistic approach with following steps: First, all material samples to be screened were prepared and preconditioned in a VOC reduced environment with unidirectional airflow. Then, emission testing was done first by emission sampling using a micro chamber and then analysis via thermodesorption coupled with gas chromatography and mass spectrometry. All relevant sampling parameters such as temperature, volume flow and duration were standardized during method development. Analysis was performed using an already standardized method. The obtained surface-specific material emission rate was converted into a standardized classification number. This material classification enabled a targeted material selection already in the planning phase of a cleanroom. For that, a suitable simulation model for cleanroom settings was set-up in order to estimate the VOC-level of the environment to be constructed depending on the selected materials. Using this model, limit values regarding surface specific material emission rates for materials with large surface area (floor and wall systems) and materials with high outgassing values (sealants and adhesives) were calculated for two planned cleanroom settings with low VOC concentration. Based on these limit values, a material proposal from all classified materials was given. Both cleanroom settings (one cleanroom for the space research project ExoMars at ESA-ESTEC in Noordwijk and one research cleanroom at Fraunhofer IPA) were then built using the previously selected materials. The finally measured VOC concentrations by the time of completion of the cleanrooms correlated to the prior defined specifications. Thus, the holistic method for the layout of cleanrooms with defined organic air cleanliness was verified.