Carica elettrostatica e ionizzazione dell'aria in ambiente sterile

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Negli ultimi tempi sono stati fatti progressi significativi nell'ottimizzazione della produzione riguardo allo scarto nella produzione di semiconduttori ultra-puri e in altri processi di produzione in ambienti di camere bianche. Tuttavia, anche in camere bianche di Classe 1, rimangono i problemi degli effetti indesiderati delle particelle generate all'interno della camera stessa. Attraverso cariche elettrostatiche vengono però anche create, oltre agli effetti negativi sull'eliminazione delle particelle nella camera bianca, ulteriori problemi di produzione. Pertanto, una sorveglianza completa della camera bianca deve includere anche misure contro le cariche elettrostatiche.

Formazione di cariche elettrostatiche

Carica triboelettrica

Le cariche si formano attraverso vari effetti. La causa principale è nota come carica triboelettrica. Attrito, movimento e separazione di materiali, così come il movimento di liquidi e gas, producono cariche elettrostatiche triboelettriche. Ogni volta che due parti a contatto vengono separate, una delle superfici perde elettroni e si carica positivamente, mentre l'altra superficie acquisisce un eccesso di elettroni e si carica negativamente. La polarità prevista dipende dai materiali coinvolti, come indicato nella tabella 1.

In questo modo, la carica totale dei due oggetti non cambia, ma solo al momento della separazione essi assumono rispettivamente una carica positiva e negativa. Ogni materiale, sia solido, liquido o gassoso, può caricarsi triboelettricamente. La forza e la polarità della carica dipendono dalla natura superficiale, dall'area di contatto, dalla velocità di separazione o attrito e da altri fattori. Se un materiale si carica o meno dipende anche dalla sua conducibilità e dalle possibilità di messa a terra.

Induzione

Un altro tipo di carica elettrostatica è l'induzione. Quando un oggetto è carico, si forma intorno ad esso un campo elettrostatico. Se ora un oggetto conduttore, collegato a terra, viene inserito in questo campo elettrostatico, questo oggetto si carica con una polarità opposta rispetto al campo di origine. Questo effetto si verifica anche senza contatto diretto tra le parti. Il campo elettrostatico induce quindi una carica di polarità opposta sulla superficie del nuovo oggetto. Se il nuovo oggetto viene separato dalla messa a terra e rimosso dal campo elettrostatico, porterà una carica indotta. È facile immaginare che contenitori caricati triboelettricamente o portacampioni di wafer possano indurre carica elettrostatica sui prodotti in essi contenuti.

Scarica elettrostatica

In molti casi, una carica elettrostatica non è immediatamente visibile, ma può essere rilevata e misurata con strumenti appropriati. Una volta che una carica si è formata, può spesso essere trasferita direttamente (o indotta polarmente) da un materiale a un altro.

Questo trasferimento avviene come scarica elettrostatica (ESD), che può causare problemi soprattutto in ambienti di camere bianche. Così come la formazione di cariche elettrostatiche, anche lo scaricamento può avvenire senza essere percepito. Tuttavia, gli effetti di queste cariche invisibili sono più facilmente riconoscibili. Le forze di Coulomb attraggono particelle trasportate dall'aria verso le superfici di wafer cariche, causando difetti. Particelle che si depositano su maschere fotolitografiche cariche provocano scarti; alla fine, si verificano numerosi difetti sui circuiti integrati riconducibili a episodi di ESD. Guasti alle macchine di produzione, attribuibili a molte cause, sono spesso semplicemente riconducibili a scariche statiche. In ambiente di camera bianca, gli effetti sono ancora più evidenti: le cariche elettrostatiche portano a una minore resa e quindi a profitti più bassi.

Controllo ESD

Sono state sviluppate numerose metodologie diverse per trattare le cariche elettrostatiche. Nei moderni ambienti di camere bianche si utilizzano, ove possibile, materiali conduttivi e antistatici per prevenire fin dall'inizio le cariche elettrostatiche. Per garantire un controllo affidabile delle cariche, deve essere prevista una via di scarico tramite messa a terra. La messa a terra neutralizza rapidamente e in modo sicuro le cariche di macchinari, materiali e personale. Tuttavia, molti oggetti di camera bianca non sono conduttivi né resistenti all'elettricità statica. Isolanti come plastica, quarzo, ceramica e vetro sono materiali fondamentali nel processo produttivo. Questi isolanti, facilmente caricabili, tendono a mantenere le loro cariche per lunghi periodi e sono spesso in contatto diretto con il prodotto.

Le esigenze delle camere bianche escludono l'uso di particelle di carbonio o additivi superficiali che renderebbero questi materiali isolanti meno sensibili all'elettricità statica. Anche spray chimici o soluzioni comporterebbero problemi di contaminazione. Per un certo periodo si è tentato di risolvere i problemi elettrostatici attraverso il controllo dell'umidità, ma questa soluzione si è rivelata troppo costosa ed inefficace, senza contare che potrebbe causare problemi di corrosione e di lavorazione.

Riduzione dei guasti

La pratica di progettare ambienti di camere bianche con la concentrazione di particelle più bassa possibile spesso ha l'effetto opposto per quanto riguarda le cariche elettrostatiche. Il miglioramento atteso nella riduzione dello scarto non viene spesso raggiunto. La filtrazione dell'aria ultra-pura riduce anche la quantità di ioni naturali nell'aria non filtrata, portando a un aumento delle densità di carica elettrostatica nell'ambiente di camera bianca.

Processi continui e ripetuti di pulizia di materiali insensibili alle cariche statiche ne compromettono nel tempo le proprietà. Conservare i wafer in cassette o contenitori di trasporto insensibili alle cariche ha senso solo se sono messe a terra. Tuttavia, mettere a terra questa moltitudine di oggetti o il personale in movimento non è praticabile. Per garantire la purezza del prodotto, sono necessari guanti, ma proprio l'attrito tra i guanti e altri oggetti di camera bianca può generare cariche elettrostatiche. Nella tabella 2 sono elencati i livelli tipici di carica generati dal personale.

È quindi dimostrato che, a causa della contaminazione da carica elettrostatica in ambiente di camera bianca, la riduzione dello scarto prevista con metodi di controllo delle particelle da soli non può essere raggiunta. Per neutralizzare le cariche elettrostatiche di isolanti (o conduttori isolati), è necessario utilizzare un metodo di ionizzazione dell'aria. I sistemi di ionizzazione generano nubi di ioni positivi e negativi che, distribuiti attraverso l'aria filtrata della camera bianca, neutralizzano le cariche elettrostatiche ovunque si siano formate. L'ionizzazione dell'aria supporta altri metodi di riduzione dei difetti, massimizzando il potenziale di aumento del "yield". Inoltre, l'ionizzazione dell'aria ha un ruolo importante nel prevenire errori di prodotto causati da scariche e nel evitare malfunzionamenti delle apparecchiature di camera bianca.

Ionizzazione dell'aria

L'aria è composta principalmente da azoto, ossigeno, anidride carbonica e altri gas in tracce. Gli ioni dell'aria sono molecole di gas che hanno perso o acquisito un elettrone. Le due principali metodologie di ionizzazione dell'aria sono la scarica a corona e l'ionizzazione nucleare.

Scarica a corona

Con la scarica a corona, si genera un campo elettrico molto intenso tramite una tensione elevata applicata a un punto di emissione appuntito. Questo campo è sufficiente per strappare o aggiungere elettroni alle molecole di aria, a seconda della polarità della tensione applicata. Quando gli elettroni passano al punto di emissione, lasciano molecole di aria con carenza di elettroni, cioè molecole di aria positive. Quando gli elettroni vengono emessi dal punto di emissione, si accumulano su molecole di aria neutre, formando ioni di aria negativi, mentre le molecole di aria con carenza di elettroni sono ioni positivi.

Ionizzazione nucleare

Con l'ionizzazione nucleare si utilizza una sorgente radioattiva (tipicamente Polonio 210) che emette particelle alfa. Queste particelle alfa collidono con le molecole di aria, strappando un elettrone e formando ioni positivi. Gli elettroni liberi vengono catturati da altre molecole neutre, formando ioni negativi. Questo processo è simile alla formazione di ioni naturali nell'atmosfera, che avviene tramite decadimento radioattivo di sostanze terrestri (come l'uranio), gas nell'aria (come il radon) e interazioni con la radiazione cosmica. Nell'aria normale, sono presenti sia ioni positivi che negativi, ma vengono rimossi con filtri altamente efficienti, rendendo l'aria di camera bianca isolante e favorendo la formazione di cariche elettrostatiche.

Effetto dell'ionizzazione dell'aria

Attraverso gli ionizzatori, il contenuto di ioni nell'aria di camera bianca viene ripristinato o aumentato. Quando l'aria ionizzata entra in contatto con superfici cariche, queste ultime assorbono ioni di polarità opposta, risultando in una neutralizzazione della carica elettrostatica. Per la neutralizzazione sono necessari ioni di entrambe le polarità, poiché anche le cariche elettrostatiche di entrambe le polarità si formano in ambiente di camera bianca. Esistono diverse modalità per produrre e trasportare a livello di lavoro questi "ioni bipolari", senza che una singola metodologia possa essere considerata la migliore per tutte le applicazioni. La sezione successiva descrive alcuni esempi di applicazioni di ionizzazione dell'aria per il controllo della contaminazione elettrostatica in camere bianche.

Uso specifico dell'ionizzazione dell'aria

Cassette per wafer

Il wafer trascorre la maggior parte del tempo durante il processo di produzione all’interno di cassette. Sebbene per alcune applicazioni siano utilizzate cassette antistatiche impregnate di carbonio, il processo richiede ancora l’uso di Teflon e quarzo in molte stazioni. Cassette cariche fino a 35000 V di carica elettrostatica non sono rare (tabella 4).

Queste cassette agiscono come magneti di particelle intorno al wafer, contaminandone la superficie. Uno studio ha dimostrato che anche una carica elettrostatica relativamente bassa di 500 V sulla superficie del wafer era sufficiente a richiamare particelle dal flusso d'aria laminare [1].

Le cassette sono note per essere difficili da pulire e da verificare in termini di pulizia. Le cassette impregnate di carbonio sono soggette a un'usura che non può essere controllata o evitata. Il metodo più efficace per controllare la carica delle cassette è l’ionizzazione dell’aria, che neutralizza le cariche elettrostatiche fin dalla loro formazione. L’aria di camera bianca ionizzata avvolge cassette e wafer in ogni fase del processo produttivo. Gli ioni neutralizzano ogni carica elettrostatica prima che possa attrarre particelle o causare difetti sui prodotti.

Litografia

I processi di litografia richiedono maschere prive di difetti, altrimenti ogni esposizione riprodurrebbe continuamente un errore "mortale". Le esposizioni multiple comporterebbero errori multipli. I substrati di quarzo e vetro delle maschere sono ottimi isolanti e tendono ad accumulare cariche elettrostatiche in ambiente di camera bianca. Le superfici cariche raccolgono di nuovo particelle, portando a difetti sulle maschere. La pulizia di queste superfici ridurrebbe notevolmente la vita utile delle maschere e peggiorerebbe il problema delle cariche.

L’ionizzazione dell’aria nelle aree di litografia controlla l’accumulo di carica statica e aumenta la resa. Rimuove le cariche dalle maschere e da altre superfici, riducendo al minimo l’accumulo di particelle. Oltre ad aumentare la resa, permette di ridurre la frequenza di pulizia. La vita più lunga dei componenti riduce i costi di produzione. L’ionizzazione dell’aria riduce anche gli episodi di ESD. I clienti hanno riferito che l’ionizzazione ha eliminato significativamente gli errori sui reticoli. In conclusione, i wafer presentano gli stessi meccanismi di errore dovuti a cariche elettrostatiche delle componenti litografiche.

Macchinari di produzione

Oltre ai problemi già discussi di contaminazione da particelle e di ESD, le cariche elettrostatiche possono causare malfunzionamenti nelle macchine di produzione. Questi problemi possono essere causati dal prodotto carico durante la lavorazione o dal personale staticamente carico che opera sulle macchine. Le moderne macchine controllate da microprocessore sono particolarmente sensibili a episodi di ESD. Spesso questi problemi vengono erroneamente attribuiti al software. Tuttavia, il problema delle cariche statiche porta spesso a fermi macchina e a interruzioni della produzione. I sistemi automatici di lavoro sono frequentemente soggetti a questi errori. Uno studio della società Akashic Memories ha rilevato un aumento del tempo di attività delle macchine dal 45% al 99,5% dopo l’installazione di sistemi di ionizzazione in un’area in cui un robot gestiva cassette [2]. Vari produttori, come Infineon, Texas Instruments e Siltronic, utilizzano sistemi di ionizzazione per applicazioni simili. Altre aziende con camere bianche hanno scoperto che i loro presunti errori software su vari strumenti di processo scomparivano dopo aver installato sistemi di controllo delle cariche elettrostatiche. I sistemi di ionizzazione dell’aria sono in uso da molti anni nell’industria della stampa e nella lavorazione della plastica, che affrontano problemi analoghi di gestione del prodotto legati all’elettricità statica.

Criteri di selezione dei sistemi di ionizzazione

Quando si sceglie un sistema di ionizzazione, bisogna considerare vari criteri. Innanzitutto, il sistema non deve funzionare come una "schiacciaspore di particelle". Ad esempio, Simco-Ion Systems utilizza diversi materiali di emissione per varie applicazioni. Per le classi di ambiente di camera bianca 5 (secondo EN ISO 14644-1) e superiori, vengono offerti aghi ultra-puri in silicio, che in vari test negli USA e in Europa hanno dimostrato di non rilasciare particelle (> 0,1 µm). Questa caratteristica è ulteriormente supportata dal fatto che ogni punta di emissione è responsabile di una sola polarità di ionizzazione, riducendo il carico sul materiale rispetto a un sistema in cui ogni punta può generare entrambe le polarità. Successivamente, si dovrebbe cercare di produrre un equilibrio di ioni il più omogeneo possibile. Ciò è possibile solo con moduli di emissione regolabili individualmente, poiché attrezzature di diverso tipo di ambiente di camera bianca assorbono ioni in modo diverso. Con le serie modello 5509 e 5511, si può regolare singolarmente la forza di ionizzazione di ciascuna polarità. Un altro criterio importante è la facilità di installazione, che non deve disturbare il normale funzionamento anche durante l’installazione. Inoltre, dovrebbe essere possibile adattare facilmente il sistema a eventuali modifiche dell’ambiente di camera bianca senza grandi sforzi. Sono preferibili connettori semplici e cablaggi senza problemi, simili a quelli delle linee telefoniche. È certamente preferibile un’alimentazione a bassa tensione di 24 VAC rispetto a una ad alta tensione, poiché non ci sono interferenze di segnale attraverso i cavi, e la tensione bassa è più stabile di quella alta, con la tensione elevata generata direttamente dall’emettitore. È possibile toccare la punta dell’emettitore senza rischi. Un sistema di ionizzazione maturo è rappresentato dal modello 5084e/5024e, che soddisfa i criteri sopra menzionati e presenta anche caratteristiche particolari. Questo sistema, compatibile con sistemi di controllo computerizzati (FMS), fa sì che ogni emettitore funzioni anche come sensore di monitoraggio del suo contro-emettitore, consentendo di rilevare e visualizzare eventuali errori o guasti nel sistema stesso.

Sintesi

Le tecnologie di riduzione delle particelle sono in continua evoluzione, ma non sarà mai possibile creare e mantenere un ambiente completamente privo di particelle. Per questo motivo, è necessario ampliare la definizione di controllo della contaminazione includendo anche altre fonti di contaminazione, tra cui le cariche elettrostatiche. Come parte significativa di un programma completo di controllo della contaminazione, il monitoraggio delle cariche elettrostatiche ha un successo maggiore rispetto ad altri metodi di controllo. L’ionizzazione dell’aria è una delle poche tecniche di controllo delle cariche elettrostatiche in ambienti di camere bianche altamente sviluppati; in alcuni casi, è anche l’unica applicabile. Oltre a ridurre i difetti legati alla contaminazione, l’ionizzazione dell’aria minimizza i tempi di fermo delle macchine di produzione e i danni ai prodotti causati da cariche elettrostatiche o ESD. In ambienti di camere bianche, l’ionizzazione dell’aria rappresenta il metodo di sorveglianza dell’elettricità statica più economico, una fonte di contaminazione invisibile.

Il Dott. Ing. (FH) Reimund Rieger è socio amministratore della QC-Quality Control GmbH a Karlsfeld, 85757.

Bibliografia:
[1) Inoue M., Sakata S., Chirifu S., "Deposizione di aerosol sui wafer", Atti del 34° Incontro Tecnico dell’IES, King of Prussia, PA, pagine 423-428, 1988.
[2) Hili J., "L’ionizzazione migliora le prestazioni del robot", Evaluation Engineering, numero 31 (4): pagine 128-134, 1992.