Elektrosztatikus feltöltődés és levegőionizáció a tisztatérben

Faust01

Táblázat_01_web

Táblázat_02_web

Táblázat_03_web

Tabelle_04_web

Az utóbbi időben jelentős előrelépések történtek a gyártás optimalizálásában a selejt arányának csökkentése érdekében az ultra tiszta félvezetőgyártásban, valamint más tisztatéri folyamatokban is. Ennek ellenére, még az 1. osztályú tisztatéri szobákban is fennállnak azok a problémák, amelyek a nem kívánt hatásokat okozzák a tisztatérben önmagában keletkező részecskék révén. Elektrosztatikus töltések révén azonban nemcsak a részecskék eliminációjára gyakorolt negatív hatások mellett, hanem további gyártási problémákat is okoznak. Ezért a teljes körű tisztatéri felügyeletnek magában kell foglalnia az elektrosztatikus töltések elleni intézkedéseket is.

Elektrosztatikus töltések keletkezése

Triboelektrikus töltődés

A töltődések különböző hatások eredményeként keletkeznek. A fő ok a triboelektrikus töltődés fogalma alatt ismert. Súrlódás, mozgás és anyagok elválasztása, valamint folyadék- és gázmozgások során triboelektrikus elektromos töltések keletkeznek. Amikor két érintkező részt elválasztunk egymástól, az egyik felület elektronokat veszít és pozitívan töltötté válik, míg a másik felület elektronhiányt szenved és negatívan töltött lesz. A várható polaritás az adott anyagoktól függ, ahogyan az az 1. táblázatban szerepel.

Az össztöltés a két tárgy között nem változik, csak az elválasztás során kapnak pozitív és negatív töltést. Minden anyag, legyen az szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú, triboelektrikusan tölthető. A töltés erőssége és polaritása függ a felület tulajdonságaitól, a kontaktus felületétől, az elválasztási vagy súrlódási sebességtől és más tényezőktől. Az, hogy valamely anyag töltődik-e vagy sem, továbbá a vezetőképességétől és földelési lehetőségeitől is függ.

Indukció

Egy másik elektrosztatikus töltődés mód az indukció. Amikor egy töltött tárgy van jelen, elektromos mező alakul ki körülötte. Ha egy vezető tárgyat ebbe az elektromos mezőbe helyezünk és földeljük, akkor ez a földelt tárgy ellentétes polaritású töltést kap az eredeti töltéshez képest. Ez a hatás akkor is megtörténik, ha a két részt nem érintkezik közvetlenül. Az elektromos mező így indukál ellenpólusú töltést az új tárgy felületén. Amikor az újratöltött tárgyat elválasztjuk a földeléstől és kivesszük az elektromos mezőből, akkor az indukált töltést viselni fog. Könnyen elképzelhető, hogy triboelektrikusan töltött tartályok vagy wafer szállítók elektromos töltést indukálnak a bennük tárolt termékekre.

Elektrosztatikus kisülés

A legtöbb esetben az elektrosztatikus töltés első pillantásra nem észlelhető, azonban megfelelő mérőeszközökkel felderíthető és mérhető. Miután egy töltés kialakult, gyakran közvetlenül (vagy ellenpólusú indukcióval) átadható egyik anyagról a másikra.

Ez az átvitel elektrosztatikus kisülésként (ESD) történik, amely különösen a tisztatéri környezetben okozhat problémákat. Ahogyan az elektrosztatikus töltődés keletkezése, úgy a kisülés is észrevétlenül történhet. Az ezen láthatatlan, elektrosztatikus töltéseket okozó hatások azonban könnyebben felismerhetők. Coulomb-erők vonzzák a levegőben lebegő részecskéket a töltött wafer felületekhez, ami hibákat eredményez. A töltött fotomátrixokra rakódó részecskék selejthez vezetnek; végső soron számos hiba keletkezik az IC-ken, amelyek ESD eseményekhez köthetők. A gyártási gépek meghibásodásai, amelyek okát gyakran minden lehetséges okra visszavezetik, gyakran csak statikus kisüléses eseményekre vezethetők vissza. A tisztatérben ezek a hatások nyilvánvalóbbak: az elektrosztatikus töltések alacsonyabb hozamhoz és ezáltal alacsonyabb nyereséghez vezetnek.

ESD-ellenőrzés

Számos módszert fejlesztettek ki az elektrosztatikus töltések kezelésére. A modern tisztatéri környezetekben vezető és antistatikus anyagokat alkalmaznak, hogy megelőzzék az elektrosztatikus töltést már a keletkezés pillanatában. Az ilyen töltések megbízható ellenőrzéséhez biztosítani kell a földelési lehetőséget. A földelés révén a gépek, anyagok és személyzet gyorsan és biztonságosan semlegesíthetik a töltéseket. Ezzel szemben azonban sok tisztatéri tárgy nem vezető vagy nem ellenáll az elektrosztatikus töltésnek. A jó szigetelők, mint például a műanyagok, kvarc, kerámia és üveg, alapvető anyagok a gyártási folyamatban. Ezek a könnyen feltölthető szigetelők általában hosszú ideig megtartják töltésüket, és gyakran közvetlenül érintkeznek a termékkel.

A tisztatéri követelmények nem engedik meg szénrészecskék vagy felületi hatású adalékok alkalmazását, amelyek az izolációs anyagokat statikusan érzéketlenné tennék. Kémiai spray-k vagy oldatok alkalmazása is szennyeződést okozna. Egy ideig a páratartalom szabályozásával próbálták kezelni az elektrosztatikus problémákat, de ez kiderült, hogy túl költséges és hatástalan, nem utolsósorban pedig a korrózió és a feldolgozási problémák miatt.

Hibák csökkentése

A tisztatéri kialakítás gyakorlata, hogy a részecskemennyiséget a lehető legalacsonyabb szintre csökkentse, gyakran ellenkező hatást eredményez az elektrosztatikus töltések tekintetében. A selejt arányának csökkenésében várt javulás gyakran nem valósul meg. Az ultra tiszta levegőszűrés ugyanakkor csökkenti a természetes iontartalmat is a szűretlen levegőhöz képest, ami növeli az elektrosztatikus töltések sűrűségét a tisztatérben.

A folyamatos munkafolyamatok és az újra tisztítás a töltésmentes anyagokon idővel rontja ezeket a tulajdonságokat. A waferek tárolása töltésmentes kazettákban vagy szállítótartályokban csak akkor értelmes, ha azok földelve vannak. Az ilyen tárgyak földelése vagy a mozgó személyzet földelése azonban a gyakorlatban nem kivitelezhető. A termék tisztaságának biztosítása érdekében kesztyűk szükségesek, de éppen a kesztyű és más tisztatéri tárgyak közötti súrlódás elektrosztatikus töltést eredményez. A 2. táblázatban tipikus töltésszintek szerepelnek a kezelőszemélyzet által.

Ezért bebizonyosodott, hogy az elektrosztatikus töltés által okozott szennyeződés a tisztatérben nem csökkenti a selejt arányát kizárólag részecskeellenőrző módszerekkel. Az elektrosztatikus töltések semlegesítéséhez valamely ionizációs módszerre van szükség a levegőben. Az ionizációs rendszerek pozitív és negatív levegőionokat hoznak létre, amelyek a szűrt levegőn keresztül eloszlanak, és semlegesítik az elektrosztatikus töltéseket, függetlenül attól, hol keletkeztek a tisztatérben. A levegő ionizáció támogatja más hibacsökkentő módszereket, és lehetővé teszi a teljes potenciál kihasználását a „hozam” növelése érdekében. Emellett jelentősen hozzájárul a termékhibák megelőzéséhez az elektrosztatikus kisülések révén, valamint a mikroprocesszoros berendezések hibamentes működésének biztosításához.

Levegő ionizáció

A levegő főként nitrogénből, oxigénből, szén-dioxidból és egyéb nyomokban előforduló gázokból áll. A levegőionok gázmolekulák, amelyek vagy elvesztettek egy elektront, vagy hozzáadtak egyet. A két leggyakrabban alkalmazott levegőionizációs módszer a koronakisülés és a nukleáris ionizáció.

Koronakisülés

A koronakisülés során egy magasfeszültségű csúcskiindulóponton erős elektromos mező alakul ki. Ez a mező elegendő ahhoz, hogy elektronokat vonjon el vagy adjon hozzá a levegőmolekulákhoz, attól függően, hogy a magasfeszültség polaritása milyen. Amikor elektronok kerülnek a kiindulópont felé, a levegőmolekulák elektronhiányt szenvednek, pozitív ionokat hozva létre. Ha elektronokat adnak le a kiindulóponton, azok a semleges levegőmolekulákhoz kötődnek, így keletkeznek a negatív levegőionok.

Nukleáris ionizáció

A nukleáris ionizáció során radioaktív forrást (általában Polonium 210) használnak, amely alfa-részecskék kibocsátására képes. Ezek az alfa-részecskék ütköznek a levegőmolekulákkal, és leválasztanak egy elektront róluk. Az elektront elvesztő molekulák pozitív levegőionokat képeznek. A szabad elektronokat más semleges molekulák veszik fel, amelyek így negatív levegőionokká válnak. Ez hasonló folyamat, mint a természetes ionok keletkezése a légkörben, például a földben lévő urán vagy a levegőben lévő radon radioaktív bomlásából, illetve a kozmikus sugárzás hatására. A normál környezeti levegőben pozitív és negatív ionok egyaránt megtalálhatók, de ezeket a hatékony légtisztítás eltávolítja, így a tisztatéri levegő szigetelő hatásúvá válik, és elősegíti az elektrosztatikus töltések kialakulását.

Levegő ionizáció hatása

A levegő ionizátorok révén a tisztatéri levegő iontartalma helyreáll vagy növekszik. Amikor az ionizált levegő érintkezik töltött felületekkel, azok az ellenpólusú ionokat fogadják el. Ennek eredményeként a elektrosztatikus töltés semlegesítése történik. A semlegesítéshez természetesen mindkét polaritású levegőionokra szükség van, mivel a tisztatérben mindkét polaritású elektrosztatikus töltések keletkezhetnek. Többféle módszer létezik a „kétpólusú” levegőionok előállítására és munkamagasságban történő szállítására, de egyik módszer sem lehet minden alkalmazási esetben a legjobb. A következő szakasz néhány példát mutat be a levegő ionizáció alkalmazásaira az elektrosztatikus szennyeződés ellenőrzésében a tisztatérben.

Speciális alkalmazások a levegő ionizációban

Wafer kazetták

A waferek a gyártási folyamat során leginkább kazettákban vannak. Bár bizonyos alkalmazásokhoz szén-impregnált, antistatikus kazetták is használhatók, a folyamat továbbra is megköveteli a Teflon és kvarc alkalmazását számos állomáson. Kazetták, amelyek akár 35000 V elektrosztatikus töltéssel rendelkeznek, nem ritkák (4. táblázat).

Ezek a kazetták részecskemagnetként működnek a waferek körül, és szennyezik azok felületét. Egy tanulmány kimutatta, hogy már egy viszonylag alacsony, 500 V-os elektrosztatikus töltés is elegendő volt ahhoz, hogy részecskéket vonzzon a lamináris levegőáramból [1].

A kazetták ismerten nehezen tisztíthatók és a tisztaságuk ellenőrizhető. A szén-impregnált kazetták kopásnak vannak kitéve, ami nem ellenőrizhető vagy elkerülhető. A legjobb módszer a kazetták töltésének ellenőrzésére a levegő ionizáció, amely már a keletkezés pillanatában semlegesíti az elektrosztatikus töltéseket. Az ionizált tisztatéri levegő körülveszi a kazettákat és a wafereket minden gyártási szakaszban. Az ionok semlegesítik az elektrosztatikus töltéseket, mielőtt azok részecskéket vonzanának, vagy hibákat okoznának a felületeken.

Fotolitográfia

A fotolitográfiai folyamatok hibátlan mintázatokat igényelnek, különben minden expozíció során „halálos” hibát reprodukálnának. Többszöri expozíció több hibát eredményezne. A maszkok kvarc- és üvegalapú hordozói jó szigetelők, amelyek képesek a tisztatéri környezetben abszolút magas elektrosztatikus töltéseket felhalmozni. A töltött hordozók ismét részecskéket gyűjtenek, amelyek hibákat okoznak a maszkokon. A megfelelő tisztítás jelentősen csökkentené a maszkok élettartamát, és tovább rontaná a töltés problémáját.

A levegő ionizáció a fotolitográfiai területeken ellenőrzi a statikus töltést és növeli a hozamot. A töltéseket eltávolítja a maszkokról és más felületekről, így szinte megakadályozza a részecskék lerakódását ezeken a felületeken. A hozam növelése mellett lehetővé teszi a tisztítási gyakoriság csökkentését is. Ez a hosszabb élettartam csökkenti a gyártási költségeket. Természetesen az ionizáció minimalizálja az ESD-események előfordulását is. A felhasználók beszámoltak arról, hogy az ionizációval jelentősen megszüntették a retikülökön keletkező hibákat. Összefoglalva, a waferek végül ugyanazokat a hibamekanizmusokat mutatják az elektrosztatikus töltés révén, mint a fotolitográfiai objektumok.

Gyártógépek

A részecske szennyeződés és az ESD által eddig ismertetett problémák mellett az elektrosztatikus töltések zavarokat okozhatnak a gyártógépek működésében is. A problémák oka lehet a kezelt, töltött termék vagy a gyártógépet kezelő statikusan töltött személyzet. A modern mikroprocesszoros gépek különösen érzékenyek az ESD-eseményekre. Gyakran tévesen a szoftveres problémákhoz kötődnek. Mindegy, a probléma az elektrosztatikus töltés, amely géptelenséghez és gyártási kieséshez vezet. Az automata munkarendszerek gyakran hajlamosak ilyen hibákra. Az Akashic Memories cég vizsgálata szerint a gépek működési ideje 45%-ról 99,5%-ra nőtt a levegő ionizáció telepítése után azon a területen, ahol egy robot kazettákat kezel [2]. Különböző gyártók, mint például az Infineon, Texas Instruments és Siltronic, használnak levegő ionizációs rendszereket hasonló alkalmazásokhoz. Más cégek, tisztatéri környezetben, tapasztalták, hogy az elektrosztatikus töltés ellenőrzése után eltűntek a különféle folyamatberendezéseken jelentkező szoftverhibák. Az ionizációs rendszerek már régóta alkalmazottak a nyomdaiparban és a műanyagfeldolgozó iparban, ahol hasonló problémákkal küzdenek a termékkezelés során az elektrosztatikus töltés miatt.

Az ionizációs rendszerek kiválasztási szempontjai

Az ionizációs rendszer kiválasztásánál több szempontot figyelembe kell venni. Először is, az ilyen rendszer nem lehet „részecskék szórója”. A Simco-Ion Systems például különböző emitteranyagokat alkalmaz különböző alkalmazásokhoz. Az EN ISO 14644-1 szerint 5-ös vagy jobb tisztatéri osztályokhoz szilíciumból készült, ultra tiszta csúcsokat kínálnak, amelyek különböző tesztek során bebizonyították, hogy nem bocsátanak ki részecskéket (> 0,1 µm). Ezt a tulajdonságot tovább erősíti, hogy minden emittercsúcs csak egy adott polaritásért felelős, így kisebb az anyagterhelés, mint ha minden emitter mindkét polaritásban működne. A következő szempont a lehető legegységesebb ionegyensúly kialakítása, amit csak egyedileg állítható emittermodulokkal lehet elérni, mivel a különböző tisztatéri berendezések eltérő ionelnyelést eredményeznek. A 5509-es és 5511-es modellcsaládokban például az egyes polaritások ionizációs erősségét külön lehet beállítani az emitteren. Fontos szempont a rendszer egyszerű telepítése, hogy az ne akadályozza a normál munkafolyamatokat, még a telepítés ideje alatt sem. Emellett a későbbi módosításoknak is könnyen végrehajthatónak kell lenniük, azaz nem igényelhetnek nagy erőfeszítést. Előnyös a könnyű csatlakozók és problémamentes kábelkapcsolatok alkalmazása, amelyek hasonlóak lehetnek a telefonközpontokhoz. A 24 V-os alacsony feszültségű tápegység előnyösebb a magasfeszültségű rendszerrel szemben, mivel nincs zavarkeltés a kábelezésben, és stabilabb, mint a magasfeszültség. A szükséges magasfeszültséget az emitter maga állítja elő, így érintése biztonságos. A kiforrott ionizációs rendszer a 5084e/5024e típusú vezérlőegység, amely megfelel a fent említett kritériumoknak, és különleges jellemzője, hogy a rendszer, amely számítógéppel vezérelhető, minden emitter egyidejűleg ellenőrző érzékként működik, így a rendszer saját maga képes felismerni és jelezni a hibákat vagy meghibásodásokat.

Összegzés

A részecskemennyiség csökkentését célzó technológiák folyamatosan fejlődnek, azonban nem lesz lehetőség teljesen részecskamentes környezet kialakítására. Ezért szükséges a szennyeződésellenőrzés fogalmát kiterjeszteni, és más szennyező forrásokat, köztük az elektrosztatikus töltéseket is figyelembe venni. A komplex szennyeződésellenőrző program részeként az elektrosztatikus töltések felügyelete nagyobb eredményt ér el, mint más ellenőrzési módszerek. Az levegő ionizáció az egyik legkevésbé invazív és legköltséghatékonyabb módszer az elektrosztatikus töltések ellen a fejlett tisztatéri környezetekben, sőt, bizonyos esetekben ez az egyetlen alkalmazható módszer. Az ionizáció nemcsak a szennyeződésekhez köthető hibák számát csökkenti, hanem minimalizálja a gyártógépek leállási idejét és a termékek elektrosztatikus töltése vagy ESD által okozott károsodását is. A tisztatéri környezetben az levegő ionizáció a legköltséghatékonyabb módszer az elektromos statika, az észrevehetetlen szennyezőforrás ellenőrzésére.

Dipl. mérnök (FH) Reimund Rieger a QC-Quality Control GmbH ügyvezető partnere, Karlsfeld, 85757.