Elektrostatyczne naładowanie i jonizacja powietrza w pomieszczeniu czystym

Faust01

Tabela_01_web

Tabelle_02_web

Tabela_03_web

Tabela_04_web

W ostatnim czasie osiągnięto znaczące postępy w optymalizacji produkcji pod względem odpadów w produkcji ultraczystych półprzewodników oraz innych procesach produkcyjnych w warunkach czystego pomieszczenia. Niemniej jednak, nawet w klasie 1 czystych pomieszczeń, pozostają problemy związane z niepożądanymi skutkami cząstek generowanych w samym czystym pomieszczeniu. Elektrostatyczne ładunki powodują nie tylko negatywne wpływy na eliminację cząstek w czystym pomieszczeniu, ale także generują dodatkowe problemy produkcyjne. Kompleksowy monitoring czystego pomieszczenia musi więc obejmować również środki przeciwdziałające ładunkom elektrostatycznym.

Powstawanie ładunków elektrostatycznych

Ładowanie triboelektryczne

Ładunki powstają na skutek różnych efektów. Główną przyczyną jest zjawisko znane jako ładowanie triboelektryczne. Tarcie, ruch i rozdzielanie materiałów, a także przepływ cieczy i gazów, generują elektrostatyczne ładunki triboelektryczne. Za każdym razem, gdy dwa styczne elementy są rozdzielane, jedna z powierzchni traci elektrony i staje się naładowana dodatnio, podczas gdy druga powierzchnia zyskuje nadmiar elektronów i staje się naładowana ujemnie. Przewidywana polaryzacja zależy od użytych materiałów, co zostało przedstawione w tabeli 1.

Przy tym nie zmienia się łączny ładunek obu obiektów; dopiero przy rozdzieleniu uzyskują one swoje dodatnie i ujemne ładunki. Każdy materiał, niezależnie od tego, czy jest stały, ciekły czy gazowy, może być naładowany triboelektrycznie. Siła i polaryzacja ładunku zależą od właściwości powierzchni, powierzchni kontaktu, prędkości rozdzielania lub tarcia oraz innych czynników. To, czy dany materiał się naładuje, zależy również od jego przewodności i możliwości uziemienia.

Indukcja

Innym sposobem elektrostatycznego naładowania jest indukcja. Gdy obiekt jest naładowany, wokół niego tworzy się pole elektrostatyczne. Jeśli do tego pola zostanie wprowadzony przewodzący obiekt, który jest uziemiony, to ten obiekt zostanie naładowany przeciwpolarnie do pierwotnego pola ładunkowego. Efekt ten występuje również bez bezpośredniego kontaktu obu elementów. Pole elektrostatyczne indukuje więc przeciwne ładunki na powierzchni nowego obiektu. Gdy naładowany obiekt zostanie odłączony od uziemienia i wyjęty z pola elektrostatycznego, będzie nosił wywołane ładunki. Można łatwo wyobrazić sobie, że triboelektrycznie naładowane pojemniki lub transportery wafli indukują elektrostatyczne ładunki na przechowywanych w nich produktach.

Rozładowanie elektrostatyczne

W większości przypadków ładunek elektrostatyczny na pierwszy rzut oka jest niewidoczny, jednak można go wykryć i zmierzyć za pomocą odpowiednich urządzeń pomiarowych. Gdy ładunek już powstanie, często można go bezpośrednio (lub przez przeciwpolarną indukcję) przenieść z jednego materiału na inny.

Przeniesienie to odbywa się jako rozładowanie elektrostatyczne (ESD), które może powodować problemy szczególnie w środowisku czystego pomieszczenia. Podobnie jak powstawanie ładunków elektrostatycznych, rozładowanie może przebiegać bez zauważenia. Jednak skutki tych niewidocznych ładunków elektrostatycznych są łatwiejsze do zauważenia. Siły Coulomba przyciągają cząstki unoszone w powietrzu do naładowanych powierzchni wafli, co prowadzi do defektów. Cząstki osiadające na naładowanych maskach fotolitograficznych powodują odrzut produkcji; w końcu powstaje wiele defektów na układach IC, które można przypisać przypadkom ESD. Uszkodzenia maszyn produkcyjnych, które często są tłumaczone różnymi przyczynami, często można wyjaśnić zjawiskami statycznego rozładowania. W czystym pomieszczeniu skutki są szczególnie widoczne: ładunki elektrostatyczne prowadzą do obniżenia wydajności i tym samym do niższych zysków.

Kontrola ESD

Opracowano wiele różnych metod radzenia sobie z ładunkami elektrostatycznymi. W nowoczesnych czystych pomieszczeniach stosuje się, tam gdzie to możliwe, przewodzące i antystatyczne materiały, aby zapobiec naładowaniu elektrostatycznemu od początku. Aby zapewnić niezawodną kontrolę ładunków, konieczne jest zapewnienie odcieku ładunków poprzez uziemienie. Uziemienie szybko i bezpiecznie neutralizuje ładunki na maszynach, materiałach i personelu. Jednakże wiele elementów w czystym pomieszczeniu jest albo nieprzewodzących, albo odporne na ładunki elektrostatyczne. Dobry izolator, taki jak plastik, kwarc, ceramika czy szkło, jest kluczowym materiałem w procesie produkcji. Te bardzo łatwo naładowujące się izolatory zazwyczaj utrzymują swoje ładunki przez długi czas i często mają bezpośredni kontakt z produktem.

Wymagania czystych pomieszczeń wykluczają stosowanie cząstek węgla lub powierzchniowych dodatków, które czyniłyby te izolatory odporne na ładunki statyczne. Również chemiczne spraye czy roztwory mogłyby powodować zanieczyszczenia. Przez pewien czas próbowało się rozwiązać problem ładunków elektrostatycznych poprzez kontrolę wilgotności, jednak okazało się to zbyt kosztowne i nieskuteczne, nie wspominając o ryzyku korozji i problemach z obróbką.

Redukcja awarii

Praktyka projektowania czystych pomieszczeń w celu minimalizacji koncentracji cząstek często prowadzi do odwrotnego efektu w zakresie ładunków elektrostatycznych. Oczekiwane poprawy w redukcji odpadów często nie są osiągane. Filtracja powietrza ultraczystego jednocześnie obniża naturalną zawartość jonów w nieprzefiltrowanym powietrzu, co zwiększa gęstość ładunków elektrostatycznych w czystym pomieszczeniu.

Ciagłe operacje i wielokrotne czyszczenie materiałów odpornych na ładunki elektrostatyczne z czasem niszczą tę właściwość. Przechowywanie wafli w pojemnikach lub transporterach odpornych na ładunki ma sens tylko wtedy, gdy są one uziemione. Uziemienie tych elementów lub personelu poruszającego się z nimi jest jednak praktycznie niemożliwe. Aby zapewnić czystość produktu, konieczne są rękawice, ale to właśnie tarcie między rękawicami a innymi elementami w czystym pomieszczeniu powoduje naładowanie elektrostatyczne. W tabeli 2 przedstawiono typowe poziomy ładunków nałożonych przez personel obsługujący.

Udowodniono więc, że z powodu zanieczyszczeń elektrostatycznych w czystym pomieszczeniu, zamierzona redukcja odpadów nie może zostać osiągnięta wyłącznie za pomocą kontroli cząstek. Aby zneutralizować elektrostatyczne izolatory (lub przewodzące izolatory), konieczne jest zastosowanie jakiejś metody jonizacji powietrza. Systemy jonizacji generują chmury jonów dodatnich i ujemnych, które rozproszone w filtrowanym powietrzu czystego pomieszczenia neutralizują ładunki elektrostatyczne, niezależnie od miejsca ich powstania. Jonizacja powietrza wspomaga inne metody redukcji defektów, pozwalając na pełne wykorzystanie potencjału zwiększenia „wydajności”. Dodatkowo, jonizacja powietrza ma istotny wpływ na zapobieganie błędom produktów spowodowanym przez rozładowania oraz na uniknięcie błędów mikroprocesorów w sprzęcie czystego pomieszczenia.

Jonizacja powietrza

Powietrze składa się głównie z azotu, tlenu, dwutlenku węgla i innych śladowych gazów. Jony powietrza to cząsteczki gazów, które utraciły lub zyskały elektron. Dwie najczęściej stosowane metody jonizacji powietrza to wyładowanie koronowe i jonizacja nuklearna.

Wyładowanie koronowe

Przy wyładowaniu koronowym wysokie napięcie jest przykładane do ostrego emitera, tworząc bardzo silne pole elektryczne. Pole to jest wystarczająco mocne, aby odrywać elektrony od cząsteczek powietrza lub je do nich dodawać, w zależności od polaryzacji napięcia. Gdy elektrony przechodzą do emitera, powstają cząsteczki powietrza z niedoborem elektronów, czyli dodatnie jonów powietrza. Gdy elektrony są oddawane z emitera, przyłączają się do neutralnych cząsteczek powietrza, tworząc ujemne jony powietrza.

Jonizacja nuklearna

W jonizacji nuklearnej używa się źródła radioaktywnego (zwykle Polon 210), które działa jako źródło emisji cząstek alfa. Cząstki alfa zderzają się z cząsteczkami powietrza, usuwając z nich elektron. Cząsteczki tracące elektron stają się jonami dodatnimi, a wolne elektrony są pochłaniane przez inne neutralne cząsteczki, które stają się jonami ujemnymi. Jest to proces podobny do powstawania naturalnych jonów w atmosferze. Naturalne jony powstają w wyniku rozkładu radioaktywnego substancji na Ziemi (np. uranu), gazów w powietrzu (np. radonu) oraz w wyniku oddziaływań promieniowania kosmicznego. W normalnym powietrzu w pomieszczeniach znajdują się zarówno jony dodatnie, jak i ujemne, które jednak są usuwane przez wysokowydajne filtry powietrza. Powoduje to, że powietrze w czystym pomieszczeniu działa jako izolator, sprzyjając powstawaniu ładunków elektrostatycznych.

Wpływ jonizacji powietrza

Za pomocą jonizatorów powietrza poziom jonów w powietrzu w czystym pomieszczeniu jest przywracany lub zwiększany. Gdy jonizowane powietrze styka się z naładowanymi powierzchniami, powierzchnia ta absorbuje jony przeciwnej polaryzacji. W efekcie dochodzi do neutralizacji ładunków elektrostatycznych. Do skutecznej neutralizacji konieczne są jony obu polaryzacji, ponieważ w czystym pomieszczeniu mogą powstawać ładunki zarówno dodatnie, jak i ujemne. Istnieje kilka metod produkcji tych „dwubiegunowych” jonów powietrza i ich transportu na poziomie roboczym, przy czym żadna z nich nie jest jednoznacznie najlepsza dla wszystkich zastosowań. W kolejnej części opisano przykłady zastosowań jonizacji powietrza do kontroli zanieczyszczeń elektrostatycznych w czystych pomieszczeniach.

Specjalne zastosowania jonizacji powietrza

Pojemniki na wafle

Wafel spędza większość czasu podczas procesu produkcyjnego w pojemnikach. Chociaż dla niektórych zastosowań można stosować antystatyczne pojemniki impregnowane węglem, proces wymaga nadal użycia teflonu i kwarcu na wielu stanowiskach. Pojemniki na wafle, które mogą być naładowane elektrostatycznie do 35000 V, nie są rzadkością (Tabela 4).

Te pojemniki działają jak magnesy na cząstki wokół wafli, kontaminując ich powierzchnię. Badania wykazały, że już relatywnie niskie naładowanie elektrostatyczne na powierzchni wafla na poziomie 500 V wystarczy, aby przyciągnąć cząstki z laminarnego strumienia powietrza [1].

Pojemniki są znane z trudności w czyszczeniu i kontroli czystości. Pojemniki impregnowane węglem podlegają ścieraniu, które jest niekontrolowalne i nieuniknione. Najrozsądniejszą metodą kontroli naładowania pojemników jest jonizacja powietrza, która neutralizuje ładunki elektrostatyczne już przy ich powstawaniu. Naładowane powietrze w czystym pomieszczeniu otacza pojemniki i wafle na każdym etapie procesu produkcyjnego. Jonizacja neutralizuje każdą elektrostatyczną ładunek, zanim zdąży ona przyciągnąć cząstki lub wywołać defekty na powierzchniach produktów.

Fotolitografia

Procesy fotolitograficzne wymagają bezbłędnych wzorów obrazów, w przeciwnym razie podczas każdej ekspozycji byłby powielany „śmiertelny” błąd. Wielokrotne naświetlania powodowałyby powstawanie wielokrotnych defektów. Podłoża kwarcowe i szklane masek są dobrymi izolatorami, które mogą gromadzić bardzo wysokie ładunki elektrostatyczne w środowisku czystego pomieszczenia. Naładowane podłoża zbierają cząstki, co prowadzi do błędów maski. Ich czyszczenie znacznie skracałoby żywotność masek i pogarszało problem ładunków.

Jonizacja powietrza w obszarach fotolitograficznych kontroluje ładunki statyczne i zwiększa wydajność. Usuwa ładunki z masek i innych powierzchni, niemal zapobiegając osadzaniu się cząstek na tych powierzchniach. Oprócz zwiększenia wydajności, umożliwia rzadsze czyszczenie, co obniża koszty produkcji. Jonizacja minimalizuje także występowanie przypadków ESD. Użytkownicy zgłaszali, że dzięki jonizacji błędy na retiklach zostały wyeliminowane. Podsumowując, wafle wykazują te same mechanizmy błędów związane z ładunkami elektrostatycznymi, co obiekty fotolitograficzne.

Maszyny produkcyjne

Oprócz wcześniej omówionych problemów z zanieczyszczeniem cząstkami i ESD, ładunki elektrostatyczne mogą powodować zakłócenia w pracy maszyn produkcyjnych. Problemy mogą wynikać z naładowanego produktu lub z naładowanego statycznie personelu obsługującego maszynę. Nowoczesne maszyny sterowane mikroprocesorami są szczególnie wrażliwe na przypadki ESD. Często te problemy są błędnie przypisywane programistom. Tak czy inaczej, problem naładowania elektrostatycznego prowadzi do przestojów maszyn i przerw w produkcji. Automatyczne systemy robocze bardzo często są podatne na tego typu błędy. Badanie firmy Akashic Memories wykazało, że po zainstalowaniu jonizacji powietrza czas pracy maszyn wzrósł z 45% do 99,5% w obszarze, w którym robot obsługiwał różne pojemniki [2]. Różni producenci korzystający z systemów robotycznych, tacy jak Infineon, Texas Instruments i Siltronic, stosują systemy jonizacji powietrza w podobnych zastosowaniach. Inne firmy z czystymi pomieszczeniami odkryły, że ich rzekome błędy programowe na różnych narzędziach procesowych zniknęły po wprowadzeniu kontroli ładunków elektrostatycznych na tych maszynach. Systemy jonizacji powietrza są już od wielu lat stosowane w przemyśle drukarskim i przetwórstwie tworzyw sztucznych, które borykają się z podobnymi problemami związanymi z obsługą produktów i ładunkami statycznymi.

Kryteria wyboru systemów jonizacji

Przy wyborze systemu jonizacji należy uwzględnić różne kryteria. Przede wszystkim system taki nie może działać jako „rozrzutnik cząstek”. Na przykład firma Simco-Ion Systems stosuje różne materiały emiterów w zależności od zastosowania. Dla klas czystości 5 (wg EN ISO 14644-1) i wyższych oferowane są ultra czyste szczyty z krzemu, które w testach w USA i Europie wykazały, że nie emitują cząstek (> 0,1 µm). Ta cecha jest dodatkowo wspierana przez fakt, że każda szczytowa emiter jest odpowiedzialna tylko za jedną polaryzację jonizacji, co oznacza mniejsze obciążenie materiału, w porównaniu do sytuacji, gdyby emiter był narażony na zmianę polaryzacji. Kolejnym kryterium jest produkcja możliwie najbardziej jednorodnego równowagi jonów. Jest to możliwe tylko przy indywidualnie regulowanych modułach emiterów, ponieważ różne wyposażenie czystego pomieszczenia wymaga różnych poziomów absorpcji jonów. W modelach 5509 i 5511 można regulować poziom jonizacji dla każdej polaryzacji na emiterze. Ważnym kryterium jest także prostota montażu takiego systemu, który nie powinien zakłócać normalnej pracy, nawet podczas instalacji. Powinien także umożliwiać późniejszą regulację w przypadku zmian w czystym pomieszczeniu bez dużego wysiłku. Preferowane są proste złącza i bezproblemowe połączenia kablowe, podobne do systemów telefonicznych. Zasilanie niskonapięciowe 24 VAC jest zdecydowanie korzystniejsze od wysokiego napięcia, ponieważ nie powoduje zakłóceń w kablach, jest bardziej stabilne, a wysokie napięcie jest generowane bezpośrednio w emiterze. Dotknięcie szczytu emitera jest bezpieczne. Doświadczony system jonizacji to jednostka kontrolna modelu 5084e/5024e, która spełnia powyższe kryteria i posiada dodatkową cechę – każdy emiter działa jako czujnik nadzorujący jego przeciwległy emiter, co pozwala na wykrycie i wyświetlenie ewentualnych błędów lub awarii systemu.

Podsumowanie

Technologie redukcji cząstek są stale rozwijane, jednak nie uda się stworzyć i utrzymać środowiska całkowicie wolnego od cząstek. Dlatego konieczne jest rozszerzenie definicji kontroli zanieczyszczeń o inne źródła, w tym ładunki elektrostatyczne. Jako istotny element kompleksowego programu kontroli zanieczyszczeń, monitorowanie ładunków elektrostatycznych odnosi większy sukces niż inne metody kontroli. Jonizacja powietrza jest jednym z nielicznych sposobów kontroli ładunków elektrostatycznych w zaawansowanych warunkach czystego pomieszczenia; w niektórych przypadkach jest nawet jedyną możliwą metodą. Oprócz redukcji defektów związanych z zanieczyszczeniami, jonizacja powietrza minimalizuje czas przestojów maszyn produkcyjnych oraz uszkodzenia produktów spowodowane ładunkami elektrostatycznymi lub ESD. W warunkach czystego pomieszczenia jonizacja powietrza jest najbardziej opłacalnym sposobem monitorowania elektrostatyki, niewidzialnego źródła zanieczyszczeń.

Dipl. Ing. (FH) Reimund Rieger jest współwłaścicielem firmy QC-Quality Control GmbH z siedzibą w 85757 Karlsfeld.

Literatura:
[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, strona 423-428, 1988.
[2) Hili J., „Ionisation Improves Robot Performance”, Evaluation Engineering, numer 31 (4): strony 128 - 134, 1992.