Elektrostatické nabíjení a ionizace vzduchu v čistém prostoru

Faust01

Tabulka_01_web

Tabulka_02_web

Tabulka_03_web

Tabulka_04_web

V poslední době byly dosaženy významné pokroky v optimalizaci výroby s ohledem na odpad v ultračisté výrobě polovodičů a dalších výrobních procesech v čistých prostorách. Přesto zůstávají, i v třídě 1 čistých prostor, problémy s nežádoucími dopady částic, které se generují přímo v čistém prostoru. Elektrostatičtí náboje však způsobují nejen negativní vlivy na eliminaci částic v čistém prostoru, ale také vytvářejí další výrobní problémy. Proto musí být komplexní monitorování čistého prostoru doplněno opatřeními proti elektrostatickému náboji.

Vznik elektrostatických nábojů

Triboelektrické nabíjení

Nabíjení vzniká různými efekty. Hlavní příčinou je pojem triboelektrické nabíjení. Tření, pohyb a oddělení materiálů, stejně jako pohyb kapalin a plynů, produkují triboelektrické elektrostatické náboje. Kdykoli jsou dvě části v kontaktu odděleny, jedna z nich ztrácí elektrony a je pozitivně nabitá, zatímco druhá část získává přebytek elektronů a je negativně nabitá. Očekávaná polarita závisí na použitých materiálech, jak je uvedeno v tabulce 1.

Celkové náboje obou objektů se při tom nemění; teprve při oddělení získají své kladné a záporné náboje. Každý materiál, pevný, kapalný nebo plynný, může být triboelektricky nabitý. Síla a polarita náboje závisí na vlastnostech povrchu, kontaktní ploše, rychlosti oddělení nebo tření a dalších faktorech. To, zda se nějaký materiál nabije nebo ne, dále závisí na jeho vodivosti a možnostech uzemnění.

Indukce

Další formou elektrostatického nabíjení je indukce. Pokud je předmět nabitý, kolem něj se vytváří elektrostatické pole. Pokud je do tohoto pole vložen vodivý předmět, který je uzemněn, nabije se tento předmět opačným nábojem vzhledem k původnímu poli. Tento efekt nastává i bez přímého kontaktu obou částí. Elektrostatické pole indukuje na povrchu nového předmětu opačný náboj. Pokud je tento nabitý předmět odpojen od uzemnění a odstraněn z pole, ponese indukovaný náboj. Je snadné si představit, že triboelektricky nabité nádoby nebo nosiče waferů mohou indukovat elektrostatické náboje na uložené produkty.

Elektrostatická výboj

Ve většině případů není elektrostatický náboj na první pohled patrný, lze jej však detekovat a měřit vhodnými přístroji. Jakmile dojde k náboji, může být často přímo (nebo opačně indukovaně) přenesen z jednoho materiálu na jiný.

Tento přenos probíhá jako elektrostatický výboj (ESD), který může v prostředí čistých prostorů způsobit problémy. Stejně jako vznik elektrostatického nabíjení může i výboj probíhat nepozorovaně. Dopady těchto neviditelných elektrostatických nábojů jsou však snáze rozpoznatelné. Coulombovy síly přitahují částice ve vzduchu k nabitým povrchům waferů, což vede ke vzniku vad. Částice usazené na nabitých maskách způsobují odpad, a nakonec dochází k řadě defektů na integrovaných obvodech, které lze připsat ESD událostem. Poruchy výrobních strojů, jejichž příčiny jsou často přičítány různým faktorům, jsou často způsobeny právě statickým výbojem. Ve čistých prostorách jsou tyto dopady velmi zřejmé: elektrostatické náboje vedou ke snížení výtěžnosti a tím i zisků.

Kontrola ESD

Vyvinulo se mnoho různých metod pro řešení elektrostatického nabíjení. V moderních čistých prostorách se co nejvíce používají vodivé a antistatické materiály, aby se elektrostatické nabíjení již od začátku zabránilo. Aby byla zajištěna spolehlivá kontrola náboje, musí být zajištěna cesta odtoku přes uzemnění. Uzemněním jsou náboje rychle – a především bezpečně – neutralizovány na strojích, materiálech a u personálu. Naopak však mnoho předmětů v čistých prostorách není vodivých ani antistatických. Důležité izolační materiály, jako jsou plasty, křemen, keramika a sklo, jsou klíčové ve výrobním procesu. Tyto velmi snadno nabíjecí se izolátory si udržují své náboje často po dlouhou dobu a jsou často v přímém kontaktu s produktem.

Požadavky čistých prostor vylučují použití uhlíkových částic nebo povrchově aktivních přísad, které by činily tyto izolační materiály staticky odolnými. Chemické spreje nebo roztoky by také mohly způsobit kontaminační problémy. Po určitou dobu se zkoušelo řešit elektrostatické problémy pomocí kontroly vlhkosti, avšak ukázalo se, že je to příliš drahé a neúčinné, navíc by to mohlo vést ke korozím a problémům s manipulací.

Snížení poruchovosti

Praktika navrhování čistých prostor s co nejnižší koncentrací částic často vede k opačnému efektu, pokud jde o elektrostatické nabíjení. Očekávané zlepšení v redukci odpadu se často nedostaví. Ultračisté filtrace vzduchu snižují také přirozený obsah iontů ve vzduchu, což vede ke zvýšené hustotě elektrostatických nábojů v čistém prostoru.

Průběžné práce a opakované čištění materiálů odolných vůči náboji časem tuto vlastnost ničí. Ukládání waferů do odolných vůči náboji karet nebo přepravních obalů má smysl pouze tehdy, je-li zajištěno jejich uzemnění. Uzemnění těchto předmětů nebo personálu, který s nimi manipuluje, však v praxi není vždy možné. K zajištění čistoty produktu jsou nutné rukavice, avšak právě tření mezi rukavicemi a dalšími předměty v čistém prostoru vede ke vzniku elektrostatického náboje. Tabulka 2 uvádí typické úrovně náboje u obsluhujícího personálu.

Je tedy prokázáno, že kvůli kontaminaci elektrostatickým nábojem v čistém prostoru nelze dosáhnout zamýšlené redukce odpadu pouze pomocí čistě částicové kontroly. Proto je třeba k neutralizaci elektrostaticky nabitých izolátorů (nebo izolovaných vodičů) použít nějakou ionizační metodu vzduchu. Ionizační systémy vytvářejí mraky kladných a záporných iontů, které jsou rozptýleny v filtrovém vzduchu v čistém prostoru a neutralizují elektrostatické náboje bez ohledu na jejich původ. Ionizace vzduchu působí jako doplněk k dalším metodám snižování vad, aby se maximalizoval potenciál zvýšení výtěžnosti. Navíc má ionizace vzduchu významný vliv na prevenci výrobních chyb způsobených výboji a na zabránění mikroprocesorových poruch zařízení v čistém prostoru.

Ionizace vzduchu

Vzduch se skládá převážně z dusíku, kyslíku, oxidu uhličitého a dalších stopových plynů. Ionty vzduchu jsou molekuly plynu, které ztratily nebo získaly elektron. Dvě nejběžnější metody ionizace vzduchu jsou koróna a nukleární ionizace.

Korónová ionizace

Při korónové ionizaci je vysokým napětím na špičkovém emitru vytvářeno velmi silné elektrické pole. Toto pole je dostatečné k odtržení elektronů od molekul vzduchu nebo jejich přidání, v závislosti na polaritě napětí. Pokud elektrony přecházejí na emitter, vznikají molekuly vzduchu s nedostatkem elektronů, tedy kladně nabité. Pokud jsou elektrony emitovány, připojují se k neutrálním molekulám, čímž vznikají záporné ionty vzduchu.

Nukleární ionizace

Při nukleární ionizaci se používá radioaktivní zdroj (obvykle Polonium 210), který pracuje jako zdroj alfa částic. Tyto částice se srážejí s molekulami vzduchu a odtrhávají od nich elektron. Molekuly, které při tom ztrácejí elektron, jsou kladné ionty. Volné elektrony jsou opět zachycovány jinými neutrálními molekulami, čímž vznikají záporné ionty. Tento proces je podobný přirozené tvorbě iontů v atmosféře. Přirozené ionty vznikají radioaktivním rozpadem látek v zemi (např. uran), v plynech ve vzduchu (např. radon) nebo vlivem kosmického záření. V běžném okolním vzduchu jsou přítomny jak kladné, tak záporné ionty, které však jsou odstraňovány vysoce účinnou filtrací vzduchu. To způsobuje, že vzduch v čistých prostorách je izolační a podporuje vznik elektrostatického nabíjení.

Vliv ionizace vzduchu

Ionizační zařízení obnovují nebo zvyšují obsah iontů ve vzduchu v čistých prostorách. Pokud ionizovaný vzduch přijde do kontaktu s nabitými povrchy, tyto povrchy absorbují ionty opačné polarity. Výsledkem je neutralizace elektrostatického náboje. K neutralizaci jsou zapotřebí ionty obou polarit, protože v čistém prostoru vznikají elektrostatické náboje obou polarit. Existuje několik způsobů, jak tyto „bipolární“ ionty produkovat a přenášet na pracovní výšku, přičemž žádná z metod nelze jednoznačně označit za nejlepší pro všechny případy. Následující část popisuje některé příklady použití ionizace vzduchu ke kontrole elektrostatické kontaminace v čistých prostorách.

Zvláštní použití ionizace vzduchu

Karty waferů

Wafer je většinu času během výroby uložen v kartách. Ačkoliv pro některé aplikace lze použít antistatické karty potažené uhlíkem, proces stále vyžaduje použití teflonu a křemene na mnoha stanicích. Karty, které jsou nabité až do 35000 V elektrostatickým nábojem, nejsou výjimečné (tabulka 4).

Tyto karty působí jako magnety částic kolem waferů a kontaminují jejich povrch. Studie ukázala, že již relativně nízké elektrostatické nabití na povrchu waferu, například 500 V, je dostatečné k odtržení částic ve vzduchu laminárního proudění [1].

Karty jsou známé tím, že jsou obtížně čistitelné a kontrolovatelné z hlediska čistoty. Uhlíkem potažené karty podléhají oděru, který nelze přesně kontrolovat ani předcházet. Nejrozumnější metodou pro kontrolu nabití karet je ionizace vzduchu, která již při vzniku neutralizuje elektrostatické náboje. Ionizovaný vzduch v čistém prostoru obklopuje karty a wafery v každé fázi výrobního procesu. Iony v něm neutralizují každý elektrostatický náboj, než může přitahovat částice nebo způsobit vady na povrchu výrobku.

Fotolitografie

Procesy fotolitografie vyžadují bezvadné šablony, jinak by při každém expozici docházelo k opakovanému vzniku „smrtelných“ vad. Vícenásobné expozice by vedly k mnohonásobným vadám. Křemíkové a skleněné substráty mask jsou dobrými izolátory s schopností hromadit v čistém prostředí vysoké elektrostatické náboje. Nabité substráty opět shromažďují částice, což vede k vadám masky. Čištění by výrazně zkrátilo životnost masek a zároveň by zhoršilo problém s nabíjením.

Ionizace vzduchu v oblastech fotolitografie kontroluje statické nabíjení a zvyšuje výtěžnost. Odstraňuje náboje z masek a jiných povrchů a téměř eliminuje usazování částic na těchto površích. Kromě zvýšení výtěžnosti umožňuje i nižší frekvence čištění. Tato prodloužená životnost snižuje výrobní náklady. Ionizace vzduchu přirozeně také minimalizuje výskyt ESD událostí. Uživatelé hlásili, že díky ionizaci vzduchu byly výrazně eliminovány chyby na maskách. Shrnutím lze říci, že wafery mají nakonec stejné chybové mechanismy způsobené elektrostatickým nabíjením jako objekty při fotolitografii.

Výrobní stroje

Kromě již zmíněných problémů s kontaminací částicemi a ESD mohou být elektrostatické náboje příčinou poruch výrobních strojů. Potíže mohou být způsobeny nabitým výrobkem nebo staticky nabitým personálem obsluhy. Moderní mikroprocesorem řízené stroje jsou na ESD události zvláště citlivé. Tyto problémy jsou často mylně přisuzovány softwaru. Jakékoli, problém však vede ke stavu zastavení strojů a výrobním výpadkům. Automatické pracovní systémy jsou k těmto chybám náchylné. Studie firmy Akashic Memories ukázala zvýšení provozní doby strojů z 45 % na 99,5 % po instalaci ionizace vzduchu v oblasti, kde robot manipuloval s různými kartami [2]. Různí výrobci, například Infineon, Texas Instruments a Siltronic, používají ionizační systémy pro podobné aplikace. Jiné firmy s čistými prostory zjistily, že jejich zdánlivé softwarové chyby na různých výrobních zařízeních zmizely poté, co zavedly kontrolu elektrostatického náboje na těchto strojích. Ionizační systémy jsou již dlouho používány v tiskařském průmyslu a v plastové výrobě, kde se potýkají s podobnými problémy manipulace s výrobky a statickým nábojem.

Kritéria výběru ionizačních systémů

Při výběru ionizačního systému je třeba vzít v úvahu několik kritérií. Především nesmí systém působit jako „částicový mlýn“. Například společnost Simco-Ion Systems používá různé emitery pro různé aplikace. Pro čisté prostory třídy 5 (podle EN ISO 14644-1) a vyšší jsou nabízeny ultračisté špičky z křemíku, které při různých testech v USA a Evropě prokázaly, že nevypouštějí částice (> 0,1 μm). Tato vlastnost je dále podporována tím, že každá emitterová špička je určena pouze pro jednu polaritu ionizace, což znamená menší zátěž materiálu než v případě, že by byla vystavena střídavé polaritě. Dále by měl systém produkovat co nejvíce homogenní rovnováhu iontů. To je možné pouze s individuálně nastavovatelnými emitery, protože různé vybavení v čistých prostorách má odlišnou absorpci iontů. U modelových řad 5509 a 5511 lze například nastavit intenzitu ionizace pro každou polaritu zvlášť. Důležitým kritériem je také snadná instalace takových zařízení, která nesmí narušovat běžný provoz ani během instalace. Mělo by být možné je dodatečně upravit podle změn v prostředí bez velké námahy. Výhodné jsou jednoduché konektory a bezproblémové kabelové spojení, podobné telefonním systémům. Napájení stejnosměrným napětím 24 V AC je jistě vhodnější než vysoké napětí, protože nevede ke vzniku rušení a je stabilnější, zatímco vysoké napětí je generováno přímo v emitteru. Dotknutí se emitterové špičky je bezpečné. Vyspělý ionizační systém představuje řídicí jednotku model 5084e/5024e, která splňuje výše uvedená kritéria a má ještě jednu zvláštnost. Tento systém, který je počítačem řízený (FMS-kompatibilní), má každý emitter zároveň jako monitorovací senzor svého protilehlého emitru, což umožňuje systémům samostatně detekovat a zobrazovat případné chyby nebo poruchy.

Shrnutí

Technologie snižování částic je neustále rozvíjena, přesto se nepodaří vytvořit a udržet absolutně částicově volné prostředí. Proto je nutné rozšířit definici kontroly kontaminace o další zdroje, včetně elektrostatického nabíjení. Jako významná součást komplexního programu kontroly kontaminace dosahuje monitorování elektrostatických nábojů většího úspěchu než jiné metody kontroly. Ionizace vzduchu je jednou z mála metod kontroly elektrostatického nabíjení v pokročilých čistých prostorách; v některých případech je dokonce jedinou použitelnou metodou. Kromě snížení počtu vad souvisejících s kontaminací přispívá ionizace vzduchu ke snížení prostojů výrobních strojů a také ke snížení poškození produktů způsobeného elektrostatickým nábojem nebo ESD. V prostředí čistých prostor je ionizace vzduchu nejefektivnější a nejlevnější metodou monitorování elektrostatiky, neviditelného zdroje kontaminace.

Dipl. Ing. (FH) Reimund Rieger je jednatel společnosti QC-Quality Control GmbH v Karlsfeldu.

Literatura:
[1) Inoue M., Sakata S., Chirifu S, .Aerosol Deposition on Wafers", Proceedings of the 34th
Annual Technical Meeting of the IES, King of Prussia, PA, strana 423-428, 1988.
[2) Hili J., "Ionisation Improves Robot Performance", Evaluation Engineering, číslo 31 (4): strany 128 - 134, 1992.