Derin Okuma — Fab Yapısı ve Sismik İzolasyon

Yürüyen bir insanın litografiye verdiği zarar

Tayvan'ın Hsinchu kentinde bir fabrikanın litografi katına giriyorsun. Zemin cilalı, ayakkabılarında özel taban var, koridorda koşmak yasak. Yanındaki mühendis adımını yavaşlatıyor çünkü attığın her adım, tavandaki asansör raylarına, oradan da altındaki optik tablaya mikro bir dalga gönderiyor. Ölçek şu, bir insanın yürüyüşü zeminde kabaca 1-2 mikrometre genlikli bir titreşim yaratır. Bir deprem aynı zemine milimetre mertebesinde hareket bindirir. Aradaki fark üç basamak. Peki bir fabrika, üç basamaklık bu farkı tek bir tasarımda nasıl karşılıyor?

Titreşim neden bir gürültü değil, doğrudan verim kaybı

Yarı iletken üretiminde titreşim, gürültü gibi davranmaz. Doğrudan hizalama hatasına dönüşür. Litografi makinesi, bir silikon pulun üzerine onlarca katmanı üst üste basar. Her katmanın bir öncekine göre hizalanması gerekir. Modern bir EUV tarayıcısında bu hizalama toleransı kabaca 1-2 nanometre. Yani makine, saç telinin seksen binde biri kadar bir kaymayı tolere ediyor.

Zemin bu toleransın dışına çıktığında ne olur? Pul çöp olmaz hemen. Önce "yield" düşer. Aynı puldan çıkan çalışan çip sayısı azalır. Bir 300 milimetrelik pulda 500 çip varsa ve hizalama kayması yüzde 2 fire yaratıyorsa, o puldan 10 çip eksik çıkar. Fab günde binlerce pul işler. Kayma sürerse kayıp, cihaz maliyetinden değil, kaybedilen wafer başına işlem süresinden gelir.

Hizalama hatasının bir de "overlay" adı verilen kümülatif versiyonu vardır. Her katman bir öncekine göre kayarsa, hatalar toplanır. Onuncu katmana gelindiğinde tek bir katmanın 1,5 nanometrelik kayması, toplamda 5-6 nanometreye çıkabilir. Noktada transistörün kapı kanalı, kaynak ve drenaj bölgelerine yanlış oturur. Çip çalışır ama sızıntı akımı yükselir, güç tüketimi artar, saat hızı düşer. Yani titreşim, çipi öldürmeden sakat bırakır.

Fab yapısının ilk işi bu yüzden "binayı ayakta tutmak" değil. Zemini, makinenin toleransına göre şekillendirmek. Bir fabın zemin plakası, üzerindeki her makinenin toleransına göre ayrı ayrı hesaplanır. Aynı katta iki farklı litografi modeli varsa, ikisinin de titreşim bütçesi ayrı ayrı karşılanır.

Sismik izolasyon nasıl çalışır, binayı değil zemini ayırmak

Klasik deprem mühendisliği binayı güçlendirir. Fab mühendisliği başka bir yol seçer, binayı zeminden ayırır. Araya "izolatör" denen katmanlar koyar. Bunlar çelik ve kauçuk lamellerden yapılmış, kurşun çekirdekli silindirik yastıklardır. Deprem sırasında zemin yatay hareket ederken bina, bu yastıkların üzerinde kayarak hareketin bir kısmını emer.

Mekanik şu, izolatörün yatay sertliği düşük, dikey sertliği yüksektir. Yani bina ağırlığını taşır ama yatay sarsıntıya karşı yumuşak davranır. Depremin enerjisi binaya değil, izolatörün deformasyonuna gider. Tipik bir kurşun-kauçuk izolatör, 5-8 saniyelik bir periyoda sahiptir. Çoğu depremin baskın periyodu 0,3-1 saniye arasındadır. İki periyot çakışmadığı için bina rezonansa girmez.

İzolatörün bir de "sönümleme oranı" vardır. Kurşun çekirdek, deformasyon sırasında ısı üretir ve enerjiyi emer. Tipik bir kurşun-kauçuk izolatörde sönümleme oranı yüzde 15-30 arasındadır. Saf kauçuk izolatörde bu oran yüzde 5 civarındadır. Kurşun çekirdeğin işi, izolatörün salınımını hızla söndürmek. Yoksa bina, deprem bittikten sonra dakikalarca sallanmaya devam eder.

Fab ölçeğinde bu yeterli değil. Çünkü izolatör binayı korur, ama litografi makinesinin kendi içindeki optik tablayı korumaz. İzolatörün geçirdiği düşük frekanslı hareket, makinenin içindeki mekanik parçaları hala etkiler. O yüzden ikinci bir katman gerekir.

İki katmanlı koruma, bina izolatörü ve makine içi aktif sönümleme

Fab'ın zemin katı izolatörlerin üzerinde durur. Ama litografi makinesi, kendi içinde ayrı bir titreşim kontrol sistemine sahiptir. Buna "aktif titreşim izolasyonu" denir. Makinenin optik tablası, piezo aktüatörler ve ivmeölçerlerle sürekli dengelenir. Sensör zemindeki hareketi okur, aktüatör ters yönde kuvvet uygular. Tepki süresi milisaniye mertebesindedir.

Aktif sistemin çalışma bandı kritik. Piezo aktüatörler genelde 1-2 Hz'in üzerindeki titreşimleri bastırır. Altındaki frekanslarda, yani yavaş salınımlarda etkisizdir. Çünkü aktüatörün hareket mesafesi sınırlıdır, tipik olarak onlarca mikrometre. Zemin 5 milimetre kayarsa, aktüatör bunu telafi edemez. O yüzden bina izolatörü önce büyük hareketi keser, aktif sistem kalan küçük hareketi temizler.

İki katman birbirini tamamlar. Bina izolatörü, deprem gibi büyük genlikli, düşük frekanslı hareketi keser. Makine içi sistem, yürüyüş, asansör, HVAC gibi küçük genlikli, yüksek frekanslı titreşimi keser. İkisi arasında bir "frekans boşluğu" vardır ve fab tasarımı bu boşluğu bilerek kurar. İzolatör 0,2-1 Hz bandında çalışır, aktif sistem 1 Hz üzerinde devralır.

Üçüncü bir katman daha var. Fab'ın kendi içindeki "sub-fab" alanı. Pompalar, kompresörler, kimyasal dağıtım üniteleri. Ana üretim katından ayrı bir temele oturur. Üniteler sürekli çalışır ve kendi titreşimlerini üretir. Ana katla aralarında fiziksel bir ayrım olmazsa, pompa titreşimi litografiye sızar. Sub-fab temeli, ana temelden bağımsız kazıklanır ve arada genelde bir "titreşim derzi" bırakılır.

Titreşim bütçesi nasıl ölçülür, VC sınıfları ve eşikler

Fab zemininin titreşim performansı, "VC" harfleriyle anılan bir ölçekle sınıflandırılır. Ölçek, 1-100 Hz bandında zemin hızının RMS değerini mikrometre/saniye cinsinden verir. VC-A en gevşek sınıftır, kabaca 8 µm/s. VC-E en sıkı sınıflardan biridir, kabaca 3 µm/s. VC-G ise 0,5 µm/s altını ifade eder ve yalnızca en hassas metroloji cihazları için gerekir.

Eşiklerin anlamı şu. VC-A, optik mikroskoplar için yeterlidir. VC-C, çoğu litografi dışı ekipman için uygundur. VC-E, EUV tarayıcıların bulunduğu katlarda hedeflenen sınıftır. VC-G ise genelde elektron mikroskopları ve atomik kuvvet mikroskopları için istenir. Bir fab katında farklı sınıflar bir arada bulunabilir, ama geçiş bölgeleri özel tasarlanır.

Ölçüm nasıl yapılır? Zemine ivmeölçerler yerleştirilir, genelde sismometre sınıfı cihazlar. Ölçüm 24 saat sürer çünkü titreşim ortamdan ve faaliyetten değişir. Gündüz vardiya geçişleri, gece HVAC yükü, hafta sonu bakım faaliyetleri farklı spektrumlar üretir. Fab tasarımı, en kötü senaryoya göre yapılır. Yani vardiya geçişinin yarattığı tepe değer, bütçeye dahil edilir.

Bir de "yürüyüş yolu" meselesi var. Litografi makinesinin çevresinde belirli bir yarıçap içinde yürüme yasağı uygulanır. Yarıçap, makinenin modeline göre değişir, tipik olarak 3-10 metre. Zemin kaplaması da farklıdır, yürüyüş yollarında sönümleyici malzeme kullanılır. Malzeme, adım darbesinin yüksek frekanslı bileşenini emer.

Fab 18'in zemini neden bir mühendislik manifestosu

TSMC'nin Fab 18 tesisi, Güney Tayvan Bilim Parkı'nda yer alır. Bölge, Tayvan'ın en aktif fay hatlarından birine yakın konumdadır. Tesis, 5 nanometre ve altı süreçler için tasarlanmıştır. Süreçlerde hizalama toleransı, önceki nesillere göre daha da sıkıdır. Yani zemin toleransı da daha sıkı olmak zorundadır.

Fab 18'in inşasında zemin, sıradan bir beton dökmeyle değil, katmanlı bir sistemle kurulmuştur. Önce kazıklar kayaya iner. Üzerine izolatör katmanı gelir. Sonra "mat" denen devasa beton plaka dökülür. Plaka, tek bir rijit kütle gibi davranır. Mat plakasının kalınlığı yer yer 1 metreyi aşar ve içine yoğun donatı yerleştirilir.

Amaç, plakanın kendi içinde eğilmemesi. Çünkü plaka eğilirse, üzerindeki makine de eğilir. Bir litografi makinesi, kendi ağırlığıyla zemine onlarca ton yük bindirir. Yük, plakanın belirli bir noktasına odaklanır. Plaka bu noktada çökerse, makinenin optik ekseni kayar. Optik eksen kayması, hizalama hatasının en sinsi biçimidir çünkü yavaş gelişir ve fark edilmesi zordur.

Fab 18'in ölçeği şu, tek bir fazda on binlerce metrekare temiz oda alanı. Alanın tamamı, aynı titreşim bütçesine uymak zorundadır. Bir köşede yapılan bir değişiklik, diğer köşedeki makinenin toleransını bozabilir. Fab tasarımı bu yüzden bir bina projesi değil, bir sistem projesidir. Yeni bir makine kurulduğunda, zemin ölçümü yeniden yapılır ve komşu makinelerin bütçesi gözden geçirilir.

Piyasa Hafızası - 3 Nisan 2024, Hualien depremi ve Fab 18

3 Nisan 2024'te Tayvan'ın Hualien kenti açıklarında 7,4 büyüklüğünde bir deprem oldu. Bu, son 25 yılın en güçlü Tayvan depremiydi. Sarsıntı, Hsinchu ve Güney Tayvan Bilim Parkı'na kadar hissedildi. TSMC, Fab 18 dahil birçok tesisinde üretimi geçici olarak durdurdu ve çalışanları tahliye etti.

Ders şu, deprem olduğunda fab durur, ama yıkılmaz. İzolatörler ve makine içi sönümleme, yapısal hasarı önler. Asıl maliyet, duruş süresidir. Bir EUV tarayıcıyı yeniden kalibre etmek saatler alır. Fab 18 gibi bir tesiste bu, milyonlarca dolarlık üretim kaybı demektir. Sismik izolasyon, binayı kurtarır. Ama üretimi kurtarmak için başka bir şey gerekir, hızlı yeniden başlatma protokolü.

Küçük Bir Hesap, bir fabın titreşim bütçesi

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tablodaki en kritik satır, "zemin titreşim bütçesi" satırıdır. VC-E sınıfı, yarı iletken sektöründe en sıkı titreşim standardıdır. Bütçe, 1-100 Hz bandında saniyede 3 mikrometrelik bir hız sınırı koyar. Bir insanın yürüyüşü bu sınırın hemen altındadır. Bir kapı çarpması bu sınırı aşar.

Duyarlılık şurada, izolatör periyodunu 6 saniyeden 4 saniyeye düşürürsen, bina daha rijit olur, maliyet düşer. Ama 4 saniye, bazı depremlerin periyoduna yaklaşır. Rezonans riski artar. Yani tasarımda "daha ucuz" ile "daha güvenli" arasında bir eşik vardır ve bu eşik, fabın bulunduğu fay hattının karakteristiğine göre belirlenir. Aynı mantık tersine de çalışır, periyodu 8 saniyeye çıkarırsan izolatörün yer değiştirme kapasitesi büyür, izolatör daha geniş bir alan ister, mat plakasının boyutu büyür, maliyet yükselir.

Üç katmanlı okuma

1. Yapısal katman. İzolatörler binayı korur. Deprem enerjisini deformasyona çevirir. Katman olmadan fab, her büyük depremde yapısal hasar riski taşır.

2. Makine katmanı. Aktif sönümleme, litografi makinesinin içindeki optik tablayı korur. Katman olmadan, bina ayakta kalsa bile üretim durur.

3. Operasyonel katman. Yeniden başlatma protokolü, duruş süresini kısaltır. Katman olmadan, ilk iki katmanın koruduğu değer, zaman içinde erir.

Bir fabın sismik dayanıklılığı, bu üç katmanın toplamıdır. Ve üçü de aynı soruya cevap verir, zemini, makinenin toleransına göre şekillendirebiliyor musun?