Elektrostatische lading en luchtionisatie in de cleanroom

Faust01

Tabel_01_web

Tabelle_02_web

Tabelle_03_web

Tabel_04_web

In de afgelopen tijd zijn belangrijke vorderingen geboekt op het gebied van productieoptimalisatie met betrekking tot het afvalpercentage in de ultrareine halfgeleiderfabricage en andere fabricageprocessen onder cleanroomomstandigheden. Toch blijven, zelfs in klasse 1 cleanrooms, de problemen bestaan van de ongewenste effecten van de deeltjes die in de cleanroom zelf worden gegenereerd. Door elektrostatische ladingen worden echter naast de negatieve invloeden op de deeltjesverwijdering in de cleanroom ook andere productieproblemen veroorzaakt. Een uitgebreide cleanroommonitoring moet dus ook maatregelen tegen elektrostatische ladingen omvatten.

Ontstaan van elektrostatische ladingen

Tribo-elektrische lading

Ladingen ontstaan door verschillende effecten. De belangrijkste oorzaak is bekend onder de term tribo-elektrische lading. Wrijving, beweging en scheiding van materialen, evenals vloeistof- en gasbewegingen produceren tribo-elektrische elektrostatische ladingen. Telkens wanneer twee contactoppervlakken worden gescheiden, verliest een van de oppervlakken elektronen en wordt positief geladen, terwijl het andere oppervlak een elektronenoverschot krijgt en negatief geladen wordt. De verwachte polariteit hangt af van de gebruikte materialen, zoals weergegeven in tabel 1.

De totale lading van de twee objecten verandert daarbij niet; pas bij scheiding krijgen ze hun positieve en negatieve lading. Elk materiaal, vast, vloeibaar of gasvormig, kan tribo-elektrisch geladen worden. De sterkte en polariteit van de lading hangen af van de oppervlakte-eigenschappen, de contactoppervlakte, de scheidings- of wrijvingsnelheid en andere factoren. Of een materiaal zich laadt of niet, hangt verder af van zijn geleidbaarheid en aardingsmogelijkheden.

Inductie

Een andere vorm van elektrostatische lading is inductie. Wanneer een geladen object zich in een elektrisch veld bevindt, bouwt zich een elektrisch veld op. Wanneer nu een geleidend object in dit veld wordt gebracht en geaard is, wordt dit geaarde object tegenpolig geladen ten opzichte van het oorspronkelijke ladingsveld. Dit effect treedt ook op zonder directe aanraking tussen de twee delen. Het elektrostatische veld induceert dus een tegenpolige lading op het oppervlak van het nieuwe object. Wanneer het nieuw geladen object van de aarding wordt losgekoppeld en uit het elektrisch veld wordt verwijderd, zal het een geïnduceerde lading dragen. Het is gemakkelijk voor te stellen dat tribo-elektrisch geladen containers of waferdragers een elektrostatische lading kunnen induceren op de producten die ze bevatten.

Elektrostatische ontlading

In de meeste gevallen is een elektrostatische lading op het eerste gezicht niet zichtbaar, maar kan deze wel worden opgespoord en gemeten met geschikte meetapparatuur. Wanneer een lading eenmaal is ontstaan, kan deze vaak direct (of tegenpolig geïnduceerd) worden overgedragen van het ene materiaal op het andere.

Deze overdracht vindt plaats als elektrostatische ontlading (ESD), die vooral in de cleanroomomgeving problemen kan veroorzaken. Net als het ontstaan van elektrostatische ladingen kan ook de ontlading onopgemerkt plaatsvinden. De effecten van deze onzichtbare, elektrostatische ladingen zijn echter gemakkelijker vast te stellen. Coulomb-krachten trekken luchtgedragen deeltjes uit de laminair stromende lucht naar de geladen waferoppervlakken, wat defecten veroorzaakt. Deeltjes die zich op geladen maskers afzetten, leiden tot afkeur; uiteindelijk ontstaan er een groot aantal defecten op IC's die kunnen worden toegeschreven aan ESD-incidenten. Storingen van productiemachines, die vaak aan allerlei oorzaken worden toegeschreven, kunnen vaak worden teruggevoerd op statische ontladingen. In de cleanroom zijn de effecten hiervan zeer duidelijk: elektrostatische ladingen leiden tot een lagere opbrengst en dus tot lagere winsten.

ESD-controle

Er zijn diverse methoden ontwikkeld om elektrostatische ladingen te behandelen. In moderne cleanrooms worden waar mogelijk geleidende en antistatische materialen gebruikt om elektrostatische ladingen vanaf het begin te voorkomen. Om een betrouwbare controle van de ladingen te waarborgen, moet er een afvoermogelijkheid via aarding zijn. Door aarding worden de ladingen snel – en vooral veilig – geneutraliseerd via machines, materialen en personeel. Daarentegen zijn veel cleanroomonderdelen niet geleidend of niet elektrostatisch ongevoelig. Goede isolatoren, zoals kunststoffen, kwarts, keramiek en glas, zijn essentiële materialen in het productieproces. Deze zeer gemakkelijk op te laden isolatoren houden hun ladingen meestal lange tijd vast en bevinden zich vaak in direct contact met het product.

De eisen van de cleanroom sluiten het gebruik van koolstofdeeltjes of oppervlakte-actieve toevoegingen uit, die deze isolatiematerialen statisch ongevoelig zouden maken. Ook chemische sprays of oplossingen zouden contaminatieproblemen veroorzaken. Een tijdlang probeerde men elektrostatische problemen op te lossen door vochtigheidscontrole, maar dit bleek te duur en niet effectief, niet te vergeten dat dit ook corrosie- en verwerkingsproblemen met zich mee zou brengen.

Vermindering van uitval

De praktijk van het ontwerpen van cleanrooms met zo laag mogelijke deeltjesconcentraties leidt vaak tot het tegenovergestelde effect wat betreft elektrostatische ladingen. De verwachte verbetering in het verminderen van afval wordt vaak niet gehaald. Ultrareine luchtfiltratie vermindert namelijk ook het natuurlijke ionengehalte van de ongefilterde lucht, wat leidt tot verhoogde elektrostatische ladingsdichtheden in de cleanroom.

Voortdurende werkzaamheden en herhaald reinigen van ladingsongevoelige materialen vernietigen na verloop van tijd juist deze eigenschap. Het bewaren van wafers in ladingsongevoelige kasten of transportcontainers heeft alleen zin als deze geaard zijn. Het aarden van deze vele objecten of het personeel dat hiermee werkt, is in de praktijk echter niet haalbaar. Om de productzuiverheid te garanderen, zijn handschoenen nodig, maar juist de wrijving tussen de handschoenlagen en andere cleanroomobjecten leidt tot elektrostatische lading. In tabel 2 staan typische ladingsniveaus vermeld die door het bedienend personeel worden veroorzaakt.

Het is dus bewezen dat door elektrostatische ladingscontaminatie in de cleanroom de beoogde afvalvermindering met een zuivere deeltjescontrole niet kan worden bereikt. Om elektrostatisch geladen isolatoren (of geïsoleerde geleiders) te neutraliseren, is daarom een ionisatiemethode voor de lucht nodig. Ionisatiesystemen produceren wolken van positieve en negatieve luchtionen, die via de gefilterde cleanroomlucht worden verdeeld en elektrostatische ladingen neutraliseren, ongeacht waar deze zich in de cleanroom bevinden. Luchtionisatie ondersteunt andere defectverminderingsmethoden om het volledige potentieel voor het verhogen van de 'Yields' te benutten. Daarnaast heeft luchtionisatie een aanzienlijke invloed om productfouten door ontladingen te voorkomen en om microprocessorfouten in de cleanroomapparatuur te vermijden.

Luchtionisatie

De lucht bestaat voornamelijk uit stikstof, zuurstof, kooldioxide en andere sporen-gassen. Luchtionen zijn gasmoleculen in de lucht die of een elektron hebben verloren, of er een hebben gekregen. De twee meest gebruikte methoden voor luchtionisatie zijn de corona-ontlading en de nucleaire ionisatie.

Corona-ontlading

Bij corona-ontlading wordt door een hoogspanning op een spits emitterpunt een zeer sterk elektrisch veld opgebouwd. Dit veld is krachtig genoeg om elektronen van de luchtmoleculen af te trekken of toe te voegen, afhankelijk van de polariteit van de hoogspanning. Wanneer elektronen naar het emitterpunt gaan, blijven luchtmoleculen achter met een tekort aan elektronen, oftewel positieve luchtmoleculen. Wanneer elektronen worden afgegeven door het emitterpunt, hechten deze zich aan neutrale luchtmoleculen, die daardoor een elektronoverschot krijgen en negatieve luchtionen vormen.

Nucleaire ionisatie

Bij nucleaire ionisatie wordt gebruikgemaakt van een radioactieve bron (meestal Polonium-210), die als alfa-deeltjes-emissiebron fungeert. Deze alfa-deeltjes botsen met luchtmoleculen en scheiden daarbij een elektron van deze moleculen af. Moleculen die een elektron verliezen, worden positieve luchtionen. De vrije elektronen worden weer opgenomen door andere neutrale moleculen, die daardoor negatieve luchtionen worden. Dit is een vergelijkbaar proces als de natuurlijke ionen in de atmosfeer. Natuurlijke ionen ontstaan door radioactief verval van stoffen in de aarde (bijvoorbeeld uranium), of gassen in de lucht (bijvoorbeeld radon), en door wisselwerkingen met kosmische straling. In de normale omgeving lucht hebben we zowel positieve als negatieve ionen, die echter door de hoogefficiënte luchtfiltratie worden verwijderd. Dit leidt ertoe dat de cleanroomlucht isolerend werkt en de vorming van elektrostatische lading bevordert.

Werking van luchtionisatie

Door luchtionisatoren wordt het luchtionengehalte in de cleanroomlucht weer hersteld of vergroot. Wanneer de geïoniseerde lucht in contact komt met geladen oppervlakken, neemt deze het tegenpolige ionen aan. Dit resulteert in een neutralisatie van de elektrostatische lading. Voor de neutralisatie zijn uiteraard luchtionen van beide polariteiten nodig, omdat ook elektrostatische ladingen van beide polariteiten in de cleanroom kunnen ontstaan. Er zijn verschillende manieren om deze 'bipolaire' luchtionen te produceren en op werkhoogte te transporteren, waarbij geen enkele methode voor alle toepassingen als de beste kan worden beschouwd. De volgende paragraaf beschrijft enkele voorbeelden van luchtionisatie-toepassingen voor het controleren van elektrostatische contaminatie in cleanrooms.

Specifieke toepassing van luchtionisatie

Waferkarren

De wafers bevinden zich het grootste deel van de tijd tijdens het fabricageproces in karren. Hoewel voor sommige toepassingen koolstofgeïmpregneerde, antistatische karren kunnen worden gebruikt, dicteert het proces nog steeds het gebruik van Teflon en kwarts op veel stations. Karren die tot 35.000 V elektrostatisch geladen zijn, zijn geen uitzondering (tabel 4).

Deze karren fungeren als deeltjesmagneten rondom de wafers en contamineren hun oppervlak. Een studie toonde aan dat zelfs een relatief lage elektrostatische lading van 500 V op het waferoppervlak voldoende was om deeltjes uit de laminair stromende lucht weg te trekken [1].

Karren zijn bekend als moeilijk te reinigen en te controleren op netheid. Koolstofgeïmpregneerde karren ondergaan een slijtage-effect dat niet controleerbaar of te vermijden is. De meest verstandige methode om de lading van de karren te beheersen, is luchtionisatie, om de elektrostatische ladingen al bij ontstaan te neutraliseren. De geïoniseerde cleanroomlucht omringt de karren en wafers in elke fase van het fabricageproces. De luchtionen neutraliseren elke elektrostatische lading voordat deze deeltjes aantrekt en zich aan het productoppervlak hecht, of defecten veroorzaakt.

Fotolithografie

Fotolithografische processen vereisen foutloze beeldpatronen; anders zou bij elke belichting een 'dodelijk' defect worden gereproduceerd. Meerdere belichtingen zouden leiden tot meervoudige fouten. De kwarts- en glazen substraten van maskers zijn goede isolatoren met de capaciteit om in de cleanroomomgeving absolute hoge elektrostatische ladingen op te bouwen. De geladen substraten verzamelen opnieuw deeltjes die tot maskerschade leiden. Een juiste reiniging zou de levensduur van de maskers aanzienlijk verkorten en het ladingsprobleem verergeren.

De luchtionisatie in fotolithografische gebieden controleert de statische lading en verhoogt de opbrengst. Ladingen worden van de maskers en andere oppervlakken verwijderd, en de afzetting van deeltjes op deze oppervlakken wordt bijna voorkomen. Naast het verhogen van de opbrengst worden ook minder reinigingsbeurten mogelijk. De daarmee samenhangende levensduurverlenging verlaagt de productiekosten. Natuurlijk minimaliseert luchtionisatie ook het voorkomen van ESD-incidenten. Gebruikers meldden dat door luchtionisatie de fouten op reticles aanzienlijk werden geëlimineerd. Samengevat kunnen we stellen dat wafers uiteindelijk dezelfde foutmechanismen vertonen door elektrostatische lading als fotolithografische objecten.

Productiemachines

Naast de eerder genoemde problemen door deeltjescontaminatie en ESD, kunnen elektrostatische ladingen ook storingen in de productiemachines veroorzaken. Problemen kunnen ontstaan door het geladen product dat wordt bewerkt, of door het statisch geladen personeel dat de machine bedient. Moderne, microprocesorgestuurde machines kunnen bijzonder gevoelig zijn voor ESD-incidenten. Vaak worden deze problemen ten onrechte aan software toegeschreven. Hoe dan ook, het probleem van elektrostatische lading leidt tot stilstand van de machines en daarmee tot productiestilstanden. Automatische werkssystemen vertonen deze fouten vaak zeer frequent. Een onderzoek van het bedrijf Akashic Memories toonde een verhoging van de machinebeschikbaarheid van 45% naar 99,5% na installatie van luchtionisatie in een gebied waar een robot verschillende karren behandelde [2]. Verschillende fabrikanten die met robot systemen werken, zoals Infineon, Texas Instruments en Siltronic, gebruiken luchtionisatiesystemen voor vergelijkbare toepassingen. Andere bedrijven met cleanrooms ontdekten dat hun vermeende softwarefouten op verschillende procesmachines verdwenen nadat ze elektrostatische ladingscontrole hadden geïmplementeerd. Luchtionisatiesystemen worden al vele jaren gebruikt in de drukkerij en de kunststofverwerkende industrie, die vergelijkbare problemen ondervinden met producthandling en statische lading.

Selectiecriteria voor ionisatiesystemen

Bij de keuze van een ionisatiesysteem moeten verschillende criteria in acht worden genomen. Allereerst mag zo'n systeem niet fungeren als een 'deeltjeskanon'. Bijvoorbeeld, Simco-Ion Systems gebruikt verschillende emittermaterialen voor diverse toepassingen. Voor cleanroomklassen 5 (volgens EN ISO 14644-1) en beter worden ultra-clean tips van silicium aangeboden, die in verschillende tests in de VS en Europa hebben bewezen geen deeltjes (> 0,1 µm) af te geven. Deze eigenschap wordt verder ondersteund doordat elke emittertip slechts voor één polariteit van de ionisatie verantwoordelijk is, wat een lagere materiaallast betekent dan wanneer elke emittertip onder wisselende polariteit zou werken. Vervolgens moet een zo homogeen mogelijk ionenbalans worden geproduceerd. Dit is alleen mogelijk met individueel instelbare emittermodules, omdat verschillende cleanroomapparatuur verschillende ionenabsorptie veroorzaken. Bij de modellen 5509 en 5511 kan de ionisatiekracht van elke polariteit aan de emitter afzonderlijk worden afgesteld. Een niet onbelangrijk criterium is de zo eenvoudig mogelijke montage van dergelijke systemen, die het normale werkproces niet mag verstoren, ook niet tijdens de installatie. Ook moet het mogelijk zijn om achteraf aanpassingen te doen aan eventuele veranderingen in de cleanroom zonder grote inspanning. Eenvoudige stekker- en kabelverbindingen, vergelijkbaar met telefoniesystemen, zijn daarbij voordelig. Een laagspanningsvoeding van 24 VAC is zeker te verkiezen boven een hoogspanningsvoeding. Dit voorkomt storingsinvloeden door bekabeling, en de lage spanning is stabieler dan een hoogspanningsvoeding; de benodigde hoge spanning wordt dan in de emitter zelf gegenereerd. Het aanraken van de emittertip is veilig mogelijk. Een uitgekiend ionisatiesysteem is het controle-eenheidmodel 5084e/5024e, dat niet alleen aan de genoemde criteria voldoet, maar ook een bijzonder kenmerk heeft. Dit systeem, dat computerbestuurbaar (FMS-compatibel) is, laat elke emitter tegelijk functioneren als bewakingssensor van de tegenemitter, waardoor eventuele fouten of storingen in het systeem door het systeem zelf kunnen worden herkend en weergegeven.

Samenvatting

Deeltjesreducerende technologieën worden voortdurend verder ontwikkeld, maar het zal niet mogelijk zijn om een volledig deeltjesvrije omgeving te creëren en op te bouwen. Daarom is het noodzakelijk om de definitie van contaminatiecontrole uit te breiden en andere bronnen van contaminatie, inclusief elektrostatische ladingen, mee te nemen. Als een belangrijke component van een allesomvattend contaminatiecontroleprogramma bereikt het monitoren van elektrostatische ladingen een grotere effectiviteit dan andere controlemethoden. Luchtionisatie is een van de weinige controlemethoden voor elektrostatische ladingen in hoogontwikkelde cleanroomomgevingen; in sommige gevallen zelfs de enige toepasbare methode. Naast het verminderen van het aantal contaminatiegerelateerde defecten, zorgt luchtionisatie voor het minimaliseren van uitvaltijden van productiemachines en het beperken van productbeschadigingen door elektrostatische ladingen of ESD. In cleanroomomstandigheden is luchtionisatie de kosteneffectiefste manier om elektrostatica te monitoren, de onzichtbare bron van contaminatie.

Dipl. Ing. (FH) Reimund Rieger is algemeen directeur van QC-Quality Control GmbH in 85757 Karlsfeld.

Literatuur:
[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, pagina 423-428, 1988.
[2) Hili J., "Ionisation Improves Robot Performance", Evaluation Engineering, editie 31 (4): pagina's 128 - 134, 1992.