Charge électrostatique et ionisation de l'air en salle blanche

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Récemment, des progrès significatifs ont été réalisés dans l'optimisation de la production concernant le taux de rebuts dans la fabrication de semi-conducteurs ultra-propres ainsi que dans d'autres processus de fabrication sous conditions de salle blanche. Cependant, même dans des salles blanches de classe 1, les problèmes liés aux effets indésirables des particules générées dans la salle blanche elle-même persistent. Par des charges électrostatiques, d'autres problèmes de production sont également engendrés en plus des influences négatives sur l'élimination des particules dans la salle blanche. Une surveillance complète de la salle blanche doit donc également inclure des mesures contre les charges électrostatiques.

Formation des charges électrostatiques

Charge triboélectrique

Les charges se forment par divers effets. La principale cause est connue sous le nom de charge triboélectrique. Le frottement, le mouvement et la séparation de matériaux, ainsi que les mouvements de liquides et de gaz, produisent triboélectriquement des charges électrostatiques. Chaque fois que deux parties en contact sont séparées, l'une d'elles perd des électrons et devient positivement chargée, tandis que l'autre reçoit un excès d'électrons et devient négativement chargée. La polarité attendue dépend des matériaux respectifs, comme indiqué dans le tableau 1.

La charge totale des deux objets ne change pas, ce n'est qu'après séparation qu'ils reçoivent leurs charges positive et négative. Tout matériau, qu'il soit solide, liquide ou gazeux, peut être triboélectriquement chargé. La force et la polarité de la charge dépendent de la nature de la surface, de la surface de contact, de la vitesse de séparation ou de frottement, ainsi que d'autres facteurs. La capacité d'un matériau à se charger ou non dépend également de sa conductivité et de ses possibilités de mise à la terre.

Induction

Une autre forme de charge électrostatique est l'induction. Lorsqu'un objet est chargé, un champ électrostatique se forme autour de lui. Si un objet conducteur, relié à la terre, est introduit dans ce champ électrostatique, il se charge en opposition de polarité par rapport au champ de charge initial. Cet effet se produit même sans contact direct entre les deux parties. Le champ électrostatique induit donc une charge de polarité opposée à la surface du nouvel objet. Lorsqu'on sépare l'objet chargé de la mise à la terre et qu'on le retire du champ électrostatique, il portera une charge induite. Il est facile d'imaginer que des contenants ou porte-wafers triboélectriquement chargés peuvent induire une charge électrostatique sur les produits qu'ils contiennent.

Décharge électrostatique (ESD)

Dans la majorité des cas, une charge électrostatique n'est pas immédiatement visible, mais elle peut être détectée et mesurée à l'aide d'instruments appropriés. Lorsqu'une charge est présente, elle peut souvent être transférée directement (ou par induction de polarité opposée) d'un matériau à un autre.

Ce transfert se produit sous forme de décharge électrostatique (ESD), qui peut poser problème en environnement de salle blanche. Tout comme la formation de charges électrostatiques, la décharge peut également se produire à l'insu de l'utilisateur. Cependant, les effets de ces charges électrostatiques invisibles sont plus faciles à constater. Les forces de Coulomb attirent les particules en suspension dans l'air vers les surfaces de wafers chargés, ce qui entraîne des défauts. Les particules qui se déposent sur des masques photographiques chargés provoquent des rebuts ; en fin de compte, une multitude de défauts apparaissent sur les circuits intégrés, imputables à des incidents de décharge électrostatique. Les pannes de machines de production, souvent attribuées à toutes sortes de causes, sont souvent simplement dues à des processus de décharge statique. En salle blanche, les effets sont tout simplement évidents : les charges électrostatiques conduisent à une baisse du rendement et, par conséquent, à une réduction des profits.

Contrôle ESD

Une multitude de méthodes différentes ont été développées pour traiter les charges électrostatiques. Dans les salles blanches modernes, des matériaux conducteurs et antistatiques sont utilisés dans la mesure du possible, afin de prévenir dès le départ toute charge électrostatique. Pour garantir une gestion fiable de ces charges, il doit être possible de les décharger via une mise à la terre. La mise à la terre neutralise rapidement — et surtout en toute sécurité — les charges sur les machines, matériaux et personnel. Cependant, de nombreux objets en salle blanche ne sont ni conducteurs ni insensibles à l'électricité statique. Les bons isolants, tels que certains plastiques, le quartz, la céramique et le verre, sont des matériaux essentiels dans le processus de fabrication. Ces isolants, qui se chargent très facilement, conservent souvent leur charge pendant de très longues périodes et sont fréquemment en contact direct avec le produit.

Les exigences des salles blanches excluent l'utilisation de particules de carbone ou d'additifs de surface qui rendraient ces matériaux isolants insensibles à l'électricité statique. Les sprays ou solutions chimiques entraîneraient également des problèmes de contamination. Pendant un certain temps, on a tenté de résoudre les problèmes électrostatiques par le contrôle de l'humidité, mais cela s'est avéré coûteux et inefficace, sans parler du fait que cela pourrait entraîner des problèmes de corrosion et de traitement.

Réduction des pannes

La pratique de conception de salles blanches visant à réduire au maximum la concentration de particules aboutit souvent à l'effet inverse en ce qui concerne les charges électrostatiques. L'amélioration attendue dans la réduction des rebuts n'est souvent pas atteinte. La filtration d'air ultra-propre réduit également la quantité d'ions naturels dans l'air non filtré, ce qui augmente la densité de charge électrostatique dans la salle blanche.

Le processus continu de manipulation et de nettoyage répétée de matériaux insensibles à la charge détruit avec le temps cette propriété. Le stockage de wafers dans des cassettes ou contenants de transport insensibles à la charge n'a de sens que si leur mise à la terre est assurée. La mise à la terre de ces nombreux objets ou du personnel en mouvement qui les manipule est cependant difficile à réaliser en pratique. Pour garantir la pureté du produit, des gants sont nécessaires, mais la friction entre la couche de gant et d'autres objets en salle blanche peut entraîner une charge électrostatique. Le tableau 2 présente des niveaux de charge typiques attribués au personnel opérateur.

Il est donc prouvé que, en raison de la contamination par charge électrostatique en salle blanche, la réduction prévue des rebuts par une simple méthode de contrôle des particules ne peut être atteinte. Pour neutraliser les isolants ou conducteurs isolés chargés électrostatiquement, il est nécessaire d'utiliser une méthode d'ionisation de l'air. Les systèmes d'ionisation produisent des nuages d'ions d'air positifs et négatifs, répartis dans l'air filtré de la salle blanche, neutralisant ainsi les charges électrostatiques, peu importe où elles se sont formées dans la salle. L'ionisation de l'air agit en complément d'autres méthodes de réduction des défauts pour exploiter tout le potentiel d'augmentation du « rendement ». De plus, l'ionisation de l'air a une influence significative pour prévenir les défauts produits par décharge et éviter les dysfonctionnements des microprocesseurs dans l'équipement de salle blanche.

Ionisation de l'air

L'air est principalement composé d'azote, d'oxygène, de dioxyde de carbone et d'autres gaz traces. Les ions d'air sont des molécules de gaz de l'air qui ont perdu ou gagné un électron. Les deux méthodes d'ionisation de l'air les plus courantes sont la décharge corona et l'ionisation nucléaire.

Décharge corona

Lors de la décharge corona, une haute tension appliquée à un point émetteur pointu crée un champ électrique très intense. Ce champ est suffisant pour arracher ou ajouter des électrons aux molécules d'air, en fonction de la polarité de la haute tension. Lorsque des électrons passent au niveau de l'émetteur, ils laissent derrière eux des molécules d'air déficientes en électrons, c'est-à-dire des ions positifs. Si des électrons sont émis par l'émetteur, ils se fixent sur des molécules d'air neutres, créant ainsi des ions négatifs.

Ionisation nucléaire

Dans l'ionisation nucléaire, une source radioactive (typiquement du polonium 210) est utilisée comme source d'émission de particules alpha. Ces particules alpha entrent en collision avec des molécules d'air, arrachant un électron à ces molécules. Les molécules qui perdent un électron deviennent des ions positifs. Les électrons libres sont ensuite captés par d'autres molécules neutres, qui deviennent alors des ions négatifs. Ce processus est similaire à celui par lequel des ions naturels se forment dans l'atmosphère, issus de la désintégration radioactive de substances terrestres (par exemple, l'uranium), de gaz atmosphériques (par exemple, le radon) et des interactions avec le rayonnement cosmique. Dans l'air ambiant normal, on trouve à la fois des ions positifs et négatifs, mais ceux-ci sont généralement éliminés par une filtration d'air très efficace. Cela explique que l'air en salle blanche agit comme un isolant, favorisant la formation de charges électrostatiques.

Effet de l'ionisation de l'air

Les ioniseurs d'air rétablissent ou augmentent la contenu en ions dans l'air de la salle blanche. Lorsque l'air ionisé entre en contact avec des surfaces chargées, celles-ci absorbent des ions de polarité opposée. Cela entraîne la neutralisation de la charge électrostatique. Pour que la neutralisation soit efficace, il faut bien sûr des ions de chaque polarité, car des charges électrostatiques de polarités différentes peuvent également apparaître en salle blanche. Il existe différentes méthodes pour produire ces « ions bipolaires » et les transporter à la hauteur de travail, mais aucune méthode unique ne peut être considérée comme la meilleure pour tous les cas d'application. La section suivante décrit quelques exemples d'applications de l'ionisation de l'air pour contrôler la contamination électrostatique en salle blanche.

Utilisation spécifique de l'ionisation de l'air

Cassettes de wafers

Les wafers passent la majorité du temps en fabrication dans des cassettes. Bien que pour certaines applications, des cassettes antistatiques imprégnées de carbone puissent être utilisées, le processus impose souvent l'utilisation de Teflon et de quartz dans de nombreuses stations. Il n'est pas rare que ces cassettes soient électrostatiquement chargées jusqu'à 35 000 V (voir tableau 4).

Ces cassettes agissent comme des aimants à particules autour des wafers et contaminent leur surface. Une étude a montré qu'une charge électrostatique relativement faible de 500 V sur la surface du wafer suffisait à attirer des particules du flux d'air laminaire [1].

Les cassettes sont connues pour être difficiles à nettoyer et à vérifier pour leur propreté. Les cassettes imprégnées de carbone subissent un effet d'usure qui n'est ni contrôlable ni évitable. La méthode la plus efficace pour contrôler la charge électrostatique des cassettes est l'ionisation de l'air, qui neutralise ces charges dès leur formation. L'air ionisé en salle blanche entoure les cassettes et wafers à chaque étape du processus de fabrication. Les ions d'air neutralisent toute charge électrostatique avant qu'elle n'attire des particules ou ne cause des défauts sur les surfaces de production.

Photolithographie

Les processus de photolithographie nécessitent des masques d'image exempts de défauts, sinon chaque exposition reproduirait continuellement une erreur « fatale ». Les expositions multiples entraîneraient des erreurs multiples. Les substrats en quartz et en verre des masques sont de bons isolants capables d'accumuler des charges électrostatiques très élevées dans l'environnement de salle blanche. Les surfaces chargées accumulent à nouveau des particules, ce qui entraîne des défauts sur les masques. Un nettoyage approprié réduirait considérablement la durée de vie des masques et aggraverait le problème de charge.

L'ionisation de l'air dans les zones de photolithographie contrôle la charge statique et augmente le rendement. Elle élimine les charges des masques et autres surfaces, empêchant presque la dépôt de particules et la formation de défauts. En plus d'augmenter le rendement, elle permet de réduire la fréquence de nettoyage, ce qui prolonge la durée de vie des masques et réduit ainsi les coûts de production. L'ionisation de l'air minimise également la survenue d'incidents ESD. Des utilisateurs ont rapporté que l'ionisation de l'air éliminait nettement les erreurs sur les réticles. En résumé, les wafers présentent finalement des mécanismes de défaut similaires liés à l'accumulation électrostatique, comme les objets de photolithographie.

Machines de production

Outre les problèmes déjà évoqués de contamination par particules et d'ESD, les charges électrostatiques peuvent également provoquer des dysfonctionnements des machines de production. Ces difficultés peuvent résulter du produit chargé en cours de traitement ou du personnel chargé de la manipulation, lui aussi chargé électrostatiquement. Les machines modernes contrôlées par microprocesseur peuvent être particulièrement sensibles aux incidents ESD. Ces problèmes sont souvent attribués à tort aux logiciels. Quoi qu'il en soit, le problème de la charge électrostatique entraîne des arrêts de machine et des pertes de production. Les systèmes automatisés sont très souvent sujets à ces erreurs. Une étude de la société Akashic Memories a montré une augmentation du temps de fonctionnement des machines de 45 % à 99,5 % après l'installation d'un système d'ionisation de l'air dans une zone où un robot manipulait diverses cassettes [2]. Divers fabricants utilisant des systèmes robotiques, comme Infineon, Texas Instruments et Siltronic, ont mis en œuvre des systèmes d'ionisation de l'air pour des applications similaires. D'autres entreprises en salle blanche ont constaté que leurs erreurs logicielles présumées sur divers outils de processus disparaissaient après avoir installé un contrôle de charge électrostatique sur ces machines. Les systèmes d'ionisation de l'air sont utilisés depuis de nombreuses années dans l'industrie de l'impression et dans l'industrie de la transformation des plastiques, qui rencontrent des problèmes similaires liés à la gestion des produits et à l'électricité statique.

Critères de sélection des systèmes d'ionisation

Lors du choix d'un système d'ionisation, plusieurs critères doivent être pris en compte. Tout d'abord, un tel système ne doit pas agir comme une « machine à particules ». Par exemple, Simco-Ion Systems utilise différents matériaux d'émetteurs pour différentes applications. Pour les classes de salle blanche 5 (selon EN ISO 14644-1) et supérieures, des pointes ultra-propres en silicium sont proposées, ayant prouvé lors de divers tests aux États-Unis et en Europe qu'elles ne libèrent pas de particules (> 0,1 µm). Cette propriété est renforcée par le fait que chaque pointe d'émetteur ne doit être responsable que d'une seule polarité d'ionisation, ce qui réduit la charge matérielle par rapport à une configuration où chaque pointe serait soumise à une polarité alternative. Ensuite, il faut produire un équilibre ionique aussi homogène que possible. Cela n'est possible qu'avec des modules d'émetteurs réglables individuellement, car différents équipements en salle blanche nécessitent des taux d'absorption d'ions différents. Sur les gammes de modèles 5509 et 5511, il est possible d'ajuster séparément la force d'ionisation de chaque polarité au niveau de l'émetteur. Un critère important est la facilité d'installation de ces systèmes, qui ne doit pas perturber le fonctionnement normal, même pendant l'installation. La possibilité d'adapter ultérieurement le système à d'éventuels changements en salle blanche, avec peu d'effort, est également souhaitable. Des connecteurs simples et des câbles sans problème, pouvant être configurés comme des systèmes téléphoniques, sont préférables. Une alimentation en basse tension de 24 VAC est évidemment préférable à une alimentation haute tension. En effet, cela évite les interférences dues au câblage, la tension basse étant plus stable, et la haute tension étant générée directement dans l'émetteur. La touche finale est la sécurité : toucher la pointe de l'émetteur doit être sans danger. Un système d'ionisation avancé est représenté par l'unité de contrôle modèle 5084e/5024e, qui répond à ces critères tout en présentant une caractéristique particulière. Construit pour être compatible FMS (commandé par ordinateur), chaque émetteur fonctionne également comme capteur de surveillance de son contre-émetteur, permettant la détection et l'affichage automatique de toute erreur ou panne dans le système.

Résumé

Les technologies de réduction des particules sont constamment améliorées, mais il ne sera pas possible de créer et de mettre en place un environnement totalement exempt de particules. Il est donc nécessaire d'élargir la définition du contrôle de la contamination pour inclure d'autres sources, notamment l'électricité statique. En tant que composante essentielle d'un programme global de contrôle de la contamination, la surveillance des charges électrostatiques offre un succès supérieur à celui d'autres méthodes de contrôle. L'ionisation de l'air est l'une des rares méthodes de contrôle de l'électricité statique dans des environnements de salle blanche avancés ; dans certains cas, c'est même la seule méthode applicable. En plus de réduire le nombre de défauts liés à la contamination, l'ionisation de l'air permet de minimiser les temps d'arrêt des machines de production, ainsi que les dommages aux produits causés par l'électricité statique ou l'ESD. En environnement de salle blanche, l'ionisation de l'air constitue la méthode de surveillance de l'électricité statique la plus rentable, source invisible de contamination.

Dipl. Ing. (FH) Reimund Rieger est associé gérant de QC-Quality Control GmbH à 85757 Karlsfeld.

Références :
[1) Inoue M., Sakata S., Chirifu S, « Aerosol Deposition on Wafers », Actes de la 34e
Réunion technique annuelle de l'IES, King of Prussia, PA, pages 423-428, 1988.
[2) Hili J., « Ionisation Improves Robot Performance », Evaluation Engineering, édition 31 (4) : pages 128 - 134, 1992.