Anlagenbau & Prozesstechnik

Luftgetragene Kontaminationen

Mobile Technik zur Identifikation von Kontaminationsquellen im Reinraum

04.10.2012 -

ReinRaumTechnik - Die schnelle Aufdeckung von punktuellen Kontaminationsquellen im Reinraum bietet einen signifikanten Vorteil bei den Kosten zur Defektreduzierung im Produktionsprozess. Abhängig vom Produktionsvolumen und den Kosten des Produkts können späte Entdeckungen schnell zu einem schwerwiegenden finanziellen Problem werden. Eine multi-dimensionale Strategie unter Einbeziehung von Echtzeit Vor-Ort und mobilen Monitoringtechniken kann effizient bei der Entdeckung und Lokalisation von Kontaminationsquellen in einer kritischen Produktionsumgebung helfen.

Alle Monitoringtechniken zu luftgetragenen Kontaminationen (Airborne Molecular Contamination = AMC) benötigen konzeptionell drei ähnliche Schritte zur Analyse und Messung von repräsentativen Konzentrationen für die zu untersuchende Umgebung. Diese Schritte sind: Probennahme, Probenanalyse und Ergebnisbericht.
Eine wünschenswerte Eigenschaft jedes Monitorings im Reinraum sind Echtzeit-Daten. Überwachungstechniken, die auf Probennahme mit anschließender Analyse beruhen, wie z. B. die Verwendung von Waschflaschen (Impinger) mit folgender Ionenchromatographie, ermöglichen keine Ergebnisse in Echtzeit. Die Wartezeit zwischen Probennahme und dem Vorliegen der Ergebnisse beträgt typischerweise Tage, wenn nicht gar Wochen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein mit der Kontaminationskontrolle betrauter Techniker diese Ergebnisse einem spezifischen, oft nur sporadisch auftretenden Ereignis in der Produktion zuordnen kann ist sehr gering. Bei Ergebnissen außerhalb der Vorgaben oder Erwartungen ist die Fähigkeit diese einem spezifischen Ereignis zuzuordnen und entsprechende sinnvolle Gegenmaßnahmen einzuleiten jedoch von höchster Wichtigkeit und Dringlichkeit.

Die Messung
Eine oft verwendete andere Probennahmetechnik verwendet einen Verteiler zur Probennahme mit anschließendem Nachweis. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, die Kosten für den Analysator auf mehrere Messpunkte zu verteilen und somit die Kosten pro Messpunkt zu verringern. Ein dadurch entstehender Nachteil besteht im konzeptionellen Unvermögen Konzentrationsänderungen zu erfassen während der Zeit, in der keine Probennahme erfolgt. Die Zeit, die ein solches System zur Spülung und zum Umschalten zum nächsten Messpunkt benötigt bis zur Reaktion auf mögliche Kontaminationen steht zur Messung nicht zur Verfügung und reduziert so die reale Messzeit, was in typischerweise eher kurzen Messzeiten pro Punkt resultiert. Als Beispiel nehme man einen 30-Punkt Verteiler, der es möglicherweise nur erlaubt repräsentative Daten für reale sechs Minuten pro Tag und Punkt zu gewinnen und die restliche Zeit mit der Spülung des Systems oder der Messung anderer Punkte verbringt.
Ein dritter Ansatz, der in kritischen Produktionsumgebungen oft zum Einsatz gelangt ist das Echtzeit „point-of-use"-Monitoring. Die vergleichsweise geringen Kosten für die Analysatoren (z. B. Airsentry II von Particle Measuring Systems Inc.) erlauben den umfassenden Einsatz im AMC-Monitoring. Die Messungen am „point-of-use" liefern kontinuierliche Daten und stellen sicher, dass eine Kontamination selbst nur in der Nähe der Analysatoren schnell entdeckt wird. Dies geschieht typischerweise innerhalb einer Minute nach dem Eintritt des Ereignisses und eine softwarebasierte Alarmierung des zuständigen Personals ermöglicht rasches, zielgerichtetes Handeln.
Oft ist eine der ersten Aktionen der alarmierten Personen eine weitere oder Referenzanalyse zur Ergebnisverifikation vorzunehmen. So wird ausgeschlossen, dass es sich bei dem Ereignis um ein vorübergehendes Problem handelt oder einen defekten Analysator. Abhängig von der in dieser Umgebung eingesetzten Messtechnik stellt diese Referenzanalyse eine echte Herausforderung dar. Die primären Beschränkungen der weiter oben beschriebenen Techniken stellen die Verzögerung bzw. die unveränderlichen Messpunkte dar. Im Falle eines „point-of-use" Analysators ist die zum Aufbau und zur Erreichung der Systemstabilität notwendige Zeit die wichtigste Beschränkung. Abhängig vom Status des eingesetzten Analysators in dem dieser vorgehalten wurde (eingeschaltet oder ausgeschaltet) kann die nötige Zeit bis zur Systemstabilität von zwei Stunden bis zu über Nacht variieren. Dieses Problem kann durch den Einsatz einer mobilen Plattform mit eigener Stromversorgung und mehreren eingebauten Analysatoren gelöst werden. Ein solches mobiles System ist im Idealfall in der Zeit einsatzbereit, die es braucht das System bis zum Einsatzort zu bringen. Eine integrierte eigene Stromversorgung ist insbesondere im Hinblick auf den Einsatz als Referenzanalysator zur Überprüfung von durch fest installierte Geräte gemessene Werte und die Suche nach Kontaminationsquellen um Maschinen und Werkzeuge herum nützlich. Ein mobiles System erleichtert das Auffinden luftgetragener Kontaminationen (AMC) im Produktionsbereich erheblich.

Ergebnisse
Kontinuierliche Beispieldaten aus einer reinen Produktionsumgebung gewonnen mit einem fest installierten Analysator für Amine sind in Abbildung 1 dargestellt. In der Zeit von Mitternacht bis 7:00 Uhr werden typische Hintergrundkonzentrationen an Aminen gemessen. Die kleinen Schwankungen beruhen auf einer Maschine A, die bekannterweise periodisch geringe Amin-Mengen freisetzt. Bei Schichtende wird Maschine A gestoppt und es zeigt sich ein typischer Abfall („dip") in der Aminkonzentration während des Schichtwechsels. Während der nächsten Schicht erzeugen Konstruktionsarbeiten in Sensornähe einen Anstieg der Hintergrundkonzentration. Dies wurde höchstwahrscheinlich durch gesteigerte Ammoniumemission des zusätzlichen Personals verursacht.
Um ca. 16:30 Uhr wird das Überwachungspersonal durch einen deutlich sichtbaren Anstieg der Aminkonzentration in der Umgebung des Sensors alarmiert. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine mobile Referenzeinheit zum Einsatz gebracht, um die Messung zu bestätigen und die Konzentrationen in der näheren Umgebung zu erfassen.
Abbildung 2 zeigt drei Grundrisspläne aus der Nähe des Ereignisses. Die Farbe zeigt die relative Aminkonzentration an - von grün bis rot bei ansteigender Konzentration. Grundriss A stellt die Standard-Monitoringpunkte dar, die für die bisherigen räumlichen Konzentrationsanalysen verwendet wurden. An diesen Punkten ist eine Stromversorgung vorhanden und das mobile Detektorsystem kann hier angeschlossen werden, um die integrierte Stromversorgung (UPS) zu unterstützen bzw. wieder aufzuladen. Grundriss B zeigt die typischen Hintergrundkonzentrationen im Fertigungsbereich und in Grundriss C werden die Konzentrationsgradienten in der Umgebung des alarmgebenden Sensors gezeigt. Diese Informationen wurden von einem Techniker genutzt, um letztlich ein leckgeschlagenes Ventil in der Maschine am Ort des blau dargestellten Sterns zu identifizieren. Nach Reparatur der Maschine zeigte der fest installierte Sensor eine auf den ursprünglichen Hintergrundwert zurückgehende Aminkonzentration.

Fazit
In diesem Beispiel wurde ein multi-dimensionaler Ansatz bestehend aus fest installierten Sensoren und einem mobilen System verwendet, um eine erhebliche Kontamination in einem Zeitraum von zwei Stunden zu bestätigen, identifizieren und zu isolieren. Dies ist ein deutlicher Gewinn im Vergleich zu anderen weitverbreiteten Messmethoden.
Das in diesem Beispiel eingesetzte mobile System ist eine mit eigener Stromversorgung und mit bis zu drei Analysatoren (IMS) ausgestatte mobile Plattform, die bis zu 60 Minuten völlig unabhängig von externer Stromversorgung betrieben werden kann. Wo immer eine schnelle Verifikation eines Ereignisses in einer reinen Fertigungsumgebung benötigt wird oder ein Techniker an und um schwer zugängliche Stellen „herumschnüffeln" muss, ermöglicht der mobile Ansatz wie hier besprochen die Gewinnung verlässlicher, genauer Daten so schnell wie das Gerät von einem Ort zum anderen transportiert werden kann. Die Beweglichkeit des Systems zusammen mit der nicht notwendigen Aufwärm- oder Umschaltzeit für die Analyse unterschiedlicher Kontaminationen gibt den Technikern ein leistungsfähiges Werkzeug an die Hand, das sie bei schneller Entdeckung von Kontaminationsquellen in Reinräumen unterstützt.

Literatur auf Anfrage bei den Autoren erhältlich.

 

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Im Tiefen See 45
64293 Darmstadt
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