Carga electrostática y ionización del aire en la sala limpia

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En los últimos tiempos se lograron avances significativos en la optimización de la producción respecto al desperdicio en la fabricación de semiconductores ultralimpios y en otros procesos de fabricación en condiciones de sala limpia. Sin embargo, incluso en salas limpias de clase 1, persisten los problemas derivados de los efectos no deseados de las partículas generadas en la propia sala limpia. Las cargas electrostáticas generan, además de los efectos negativos en la eliminación de partículas en la sala limpia, otros problemas de producción. Por lo tanto, una supervisión integral del ambiente de sala limpia debe incluir también medidas contra las cargas electrostáticas.

Formación de cargas electrostáticas

Carga triboeléctrica

Las cargas se generan por diversos efectos. La causa principal se conoce bajo el término de carga triboeléctrica. La fricción, el movimiento y la separación de materiales, así como los movimientos de líquidos y gases, producen cargas electrostáticas triboeléctricas. Siempre que dos partes en contacto se separan, una de las superficies pierde electrones y queda cargada positivamente, mientras que la otra superficie recibe un exceso de electrones y queda cargada negativamente. La polaridad esperada en cada caso depende de los materiales involucrados, como se muestra en la Tabla 1.

El total de carga de ambos objetos no cambia; solo al separarse adquieren cargas positivas y negativas. Cualquier material, ya sea sólido, líquido o gaseoso, puede cargarse triboeléctricamente. La intensidad y polaridad de la carga dependen de la naturaleza de la superficie, del área de contacto, de la velocidad de separación o fricción, y de otros factores. La capacidad de un material para cargarse o no también depende de su conductividad y de sus posibilidades de puesta a tierra.

Inducción

Otra forma de carga electrostática es la inducción. Cuando un objeto está cargado, se genera a su alrededor un campo electrostático. Si se introduce un objeto conductor en este campo y está conectado a tierra, dicho objeto se carga con un potencial opuesto al del campo original. Este efecto también puede ocurrir sin contacto directo entre las partes. El campo electrostático induce una carga opuesta en la superficie del nuevo objeto. Cuando el objeto cargado se separa de la tierra y se retira del campo electrostático, llevará una carga inducida. Es fácil imaginar que los recipientes o portadores de obleas cargados triboeléctricamente inducen cargas electrostáticas en los productos que contienen.

Descarga electrostática

En la mayoría de los casos, una carga electrostática no es visible a simple vista, pero puede detectarse y medirse con instrumentos adecuados. Una vez que se ha generado una carga, esta puede transferirse directamente (o por inducción opuesta) de un material a otro.

Esta transferencia se produce como una descarga electrostática (ESD), que puede causar problemas en el entorno de sala limpia. Al igual que la generación de cargas electrostáticas, la descarga puede ocurrir sin que se perciba. Sin embargo, los efectos de estas cargas invisibles son más fáciles de detectar. Las fuerzas de Coulomb atraen partículas transportadas por el aire hacia las superficies cargadas de obleas, lo que provoca defectos. Las partículas que se depositan en máscaras fotográficas cargadas generan desperdicio; en última instancia, se producen numerosos defectos en los circuitos integrados atribuibles a eventos de ESD. Fallos en máquinas de producción, que a menudo se atribuyen a diversas causas, suelen deberse en realidad a procesos de descarga estática. En salas limpias, los efectos son claramente evidentes: las cargas electrostáticas reducen el rendimiento y, por ende, los beneficios.

Control de ESD

Se han desarrollado diversas metodologías para tratar las cargas electrostáticas. En salas limpias modernas, se utilizan materiales conductores y antiestáticos siempre que sea posible, para prevenir las cargas electrostáticas desde el inicio. Para garantizar un control fiable de las cargas, debe existir una vía de descarga a tierra. La puesta a tierra neutraliza rápidamente —y de forma segura— las cargas en máquinas, materiales y personal. Sin embargo, muchos objetos en salas limpias no son conductores ni resistentes a cargas electrostáticas. Los buenos aislantes, como plásticos, cuarzo, cerámica y vidrio, son materiales esenciales en el proceso de producción. Estos aislantes, que se cargan con facilidad, mantienen sus cargas durante largos períodos y suelen estar en contacto directo con el producto.

Las exigencias de las salas limpias excluyen el uso de partículas de carbono o aditivos superficiales que hagan estos materiales aislantes inmunes a la carga estática. También los sprays químicos o soluciones causarían problemas de contaminación. Durante un tiempo, se intentó solucionar los problemas electrostáticos mediante el control de humedad, pero esto resultó ser demasiado costoso e ineficaz, además de que podría generar problemas de corrosión y procesamiento.

Reducción de fallos

La práctica de diseñar salas limpias con concentraciones de partículas lo más bajas posible a menudo tiene el efecto contrario respecto a las cargas electrostáticas. La mejora esperada en la reducción de desperdicio no siempre se logra. La filtración de aire ultralimpio también reduce el contenido de iones naturales en el aire no filtrado, lo que aumenta la densidad de cargas electrostáticas en la sala limpia.

El uso continuo y la limpieza repetida de materiales inmunes a cargas, con el tiempo, destruyen esta propiedad. Guardar obleas en cassettes o transportadores también inmunes a cargas solo tiene sentido si están correctamente conectados a tierra. Sin embargo, en la práctica, no es factible poner a tierra todos estos objetos o al personal en movimiento que trabaja con ellos. Para garantizar la pureza del producto, se requieren guantes, pero la fricción entre estos y otros objetos en la sala limpia genera cargas electrostáticas. La Tabla 2 muestra niveles típicos de carga generados por el personal.

Por lo tanto, está demostrado que, debido a la contaminación por cargas electrostáticas en la sala limpia, no se puede alcanzar la reducción de desperdicio prevista solo con métodos de control de partículas. Para neutralizar las cargas electrostáticas en aislantes (o conductores aislados), se necesita algún método de ionización del aire. Los sistemas de ionización generan nubes de iones positivos y negativos que, distribuidos por el aire filtrado de la sala limpia, neutralizan las cargas electrostáticas sin importar dónde se hayan formado. La ionización del aire complementa otros métodos de reducción de defectos, permitiendo aprovechar todo el potencial para aumentar el “rendimiento”. Además, la ionización del aire tiene un impacto importante en la prevención de errores en productos causados por descargas y en la evitación de fallos en los microprocesadores del equipo de sala limpia.

Ionización del aire

El aire está compuesto principalmente por nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y otros gases en pequeñas cantidades. Los iones en el aire son moléculas que han perdido o ganado un electrón. Los dos métodos más comunes de ionización del aire son la descarga por corona y la ionización nuclear.

Descarga por corona

En la descarga por corona, se genera un campo eléctrico muy intenso mediante una alta tensión en un punto afilado. Este campo es suficiente para arrancar o añadir electrones a las moléculas de aire, dependiendo de la polaridad de la tensión. Cuando los electrones se transfieren al punto emisor, dejan moléculas de aire con déficit de electrones, es decir, moléculas positivas. Cuando se liberan electrones desde el emisor, estas se unen a moléculas neutras, formando iones negativos.

Ionización nuclear

En la ionización nuclear, se emplea una fuente radiactiva (normalmente polonio 210) que funciona como emisora de partículas alfa. Estas partículas alfa colisionan con las moléculas de aire, arrancando un electrón de ellas. Las moléculas que pierden un electrón se convierten en iones positivos. Los electrones libres son captados por otras moléculas neutras, formando iones negativos. Este proceso es similar a la formación natural de iones en la atmósfera, que ocurre por la desintegración radiactiva de materiales terrestres (como uranio), gases en el aire (como radón) y por las interacciones con la radiación cósmica. En el aire ambiente normal, existen iones positivos y negativos, pero la filtración eficiente elimina estos iones, haciendo que el aire en la sala limpia actúe como aislante y favorezca la generación de cargas electrostáticas.

Efecto de la ionización del aire

Los sistemas de ionización restauran o aumentan el contenido de iones en el aire de la sala limpia. Cuando el aire ionizado entra en contacto con superficies cargadas, estas superficies absorben iones de la polaridad opuesta, resultando en la neutralización de la carga electrostática. Para que la neutralización sea efectiva, es necesario que existan iones de ambos polos, ya que en la sala limpia también pueden generarse cargas de ambas polaridades. Existen diferentes métodos para producir y transportar estos “iones bipolares” a la altura de trabajo, aunque ninguna de las técnicas puede considerarse la mejor en todos los casos. La siguiente sección describe algunos ejemplos de aplicaciones de la ionización del aire para controlar la contaminación electrostática en salas limpias.

Aplicaciones específicas de la ionización del aire

Cassettes de obleas

Las obleas permanecen en cassettes durante la mayor parte del proceso de fabricación. Aunque en algunas aplicaciones se pueden usar cassettes antiestáticas impregnadas con carbono, el proceso generalmente requiere el uso de Teflón y cuarzo en muchas estaciones. No es raro que los cassettes tengan cargas electrostáticas de hasta 35,000 V (Tabla 4).

Estos cassettes actúan como imanes de partículas alrededor de la oblea, contaminando su superficie. Un estudio demostró que una carga electrostática relativamente baja de 500 V en la superficie de la oblea era suficiente para atraer partículas del flujo laminar de aire [1].

Los cassettes son conocidos por ser difíciles de limpiar y de verificar su limpieza. Los cassettes impregnados con carbono están sujetos a un desgaste que no puede controlarse ni evitarse. La forma más efectiva de controlar la carga de los cassettes es mediante la ionización del aire, que neutraliza las cargas electrostáticas en su origen. El aire ionizado en la sala limpia rodea las cassettes y obleas en cada etapa del proceso de fabricación. Los iones neutralizan cualquier carga electrostática antes de que puedan atraer partículas o causar defectos en los productos.

Litografía por fotomascarilla

Los procesos de fotolithografía requieren plantillas sin defectos, ya que cualquier error en cada exposición se reproduciría continuamente, y múltiples exposiciones podrían generar errores adicionales. Los sustratos de cuarzo y vidrio de las máscaras son buenos aislantes y pueden acumular cargas electrostáticas en el entorno de la sala limpia. Las superficies cargadas atraen partículas que causan defectos en las máscaras. La limpieza adecuada reduciría la vida útil de las máscaras y agravaría el problema de carga.

La ionización del aire en las áreas de fotolitografía controla la carga estática y aumenta el rendimiento. Elimina cargas de las máscaras y otras superficies, y casi evita la deposición de partículas en ellas. Además, permite reducir la frecuencia de limpieza, prolongando la vida útil y disminuyendo los costos de producción. La ionización también ayuda a minimizar eventos de ESD. Los usuarios han reportado que la ionización eliminó significativamente los errores en las retículas. En resumen, las obleas presentan los mismos mecanismos de error por cargas electrostáticas que los objetos de fotolitografía.

Máquinas de producción

Además de los problemas ya mencionados por contaminación de partículas y ESD, las cargas electrostáticas pueden causar fallos en las máquinas de producción. Los problemas pueden deberse al producto cargado con electricidad o al personal cargado estáticamente que opera las máquinas. Las máquinas modernas controladas por microprocesador son especialmente sensibles a eventos de ESD. Estos problemas a menudo se atribuyen erróneamente a fallos de software. Sin embargo, el problema de la carga electrostática puede causar paradas de máquina y fallos en la producción. Los sistemas automáticos de trabajo suelen ser muy propensos a estos errores. Una investigación de la empresa Akashic Memories mostró que, tras instalar un sistema de ionización en una zona donde un robot manipulaba cassettes, el tiempo de actividad de la máquina aumentó del 45% al 99,5% [2]. Diversos fabricantes que usan sistemas robotizados, como Infineon, Texas Instruments y Siltronic, emplean sistemas de ionización para aplicaciones similares. Otras empresas con salas limpias descubrieron que sus supuestos errores de software en diferentes equipos de proceso desaparecieron tras implementar controles de carga electrostática. Los sistemas de ionización del aire llevan años en uso en la industria gráfica y en la industria del procesamiento de plásticos, que enfrentan problemas similares relacionados con la manipulación de productos y cargas estáticas.

Criterios para la selección de sistemas de ionización

Al elegir un sistema de ionización, se deben considerar diversos criterios. En primer lugar, el sistema no debe actuar como una “aspiradora de partículas”. Por ejemplo, Simco-Ion Systems utiliza diferentes materiales de emisores para distintas aplicaciones. Para salas limpias de clase 5 (según EN ISO 14644-1) y superiores, ofrecen puntas de ultra limpieza de silicio, que en pruebas en EE. UU. y Europa demostraron no liberar partículas (> 0,1 µm). Esta propiedad se refuerza por el hecho de que cada punta de emisor solo es responsable de una polaridad de ionización, lo que reduce la carga del material en comparación con emisores que trabajan con polaridades alternas. Además, se debe procurar producir un equilibrio de iones lo más homogéneo posible, lo cual solo es posible con módulos emisores ajustables individualmente, ya que diferentes equipos en la sala limpia pueden absorber iones de manera distinta. En las series de modelos 5509 y 5511, se puede ajustar la intensidad de ionización de cada polaridad en el emisor de forma independiente. Un criterio importante es la facilidad de montaje, que no debe interferir con las operaciones normales, incluso durante la instalación. También debe ser posible ajustar el sistema posteriormente sin gran esfuerzo ante cambios en la sala limpia. Se prefieren conexiones de enchufe sencillas y cables sin complicaciones, similares a las instalaciones telefónicas. La alimentación en baja tensión, por ejemplo 24 VAC, es claramente preferible a una alta tensión, ya que no genera interferencias en los cables y es más estable. La alta tensión necesaria se genera en el propio emisor, y la manipulación del emisor es segura. Un sistema de ionización maduro es el modelo 5084e/5024e, que cumple con los criterios mencionados y además tiene una característica especial: en este sistema, que es compatible con control por computadora (FMS), cada emisor funciona también como sensor de supervisión de su contraparte, permitiendo detectar y mostrar posibles fallos o errores en el sistema.

Resumen

Las tecnologías para reducir partículas están en constante desarrollo, pero no será posible crear y mantener un entorno completamente libre de partículas. Por ello, es necesario ampliar la definición del control de contaminación e incluir otras fuentes, como las cargas electrostáticas. Como parte significativa de un programa integral de control de contaminación, la supervisión de las cargas electrostáticas logra un mayor éxito en comparación con otros métodos de control. La ionización del aire es uno de los pocos métodos efectivos para controlar las cargas electrostáticas en entornos de salas limpias avanzadas; en algunos casos, incluso el único método aplicable. Además de reducir defectos relacionados con contaminación, la ionización del aire minimiza los tiempos de inactividad de las máquinas y las posibles daños en productos por cargas electrostáticas o ESD. En condiciones de sala limpia, la ionización del aire es la forma más rentable de supervisar la electrostática, una fuente invisible de contaminación.

El Ing. (FH) Reimund Rieger es socio gerente de QC-Quality Control GmbH en 85757 Karlsfeld.

Bibliografía:
[1) Inoue M., Sakata S., Chirifu S, .Depósito de aerosol en obleas", Actas de la 34ª Reunión Técnica Anual de la IES, King of Prussia, PA, páginas 423-428, 1988.
[2) Hili J., "La ionización mejora el rendimiento del robot", Evaluation Engineering, edición 31 (4): páginas 128 - 134, 1992.