Elektrostatische Aufladung und Luftionisation im Reinraum

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In jüngster Zeit wurden bedeutende Fortschritte in der Produktionsoptimierung bezüglich des Ausschusses in der ultrareinen Halbleiterherstellung sowie auch anderen Herstellungsprozessen unter Reinraumbedingungen erzielt. Trotzdem bleiben, selbst in Klasse 1 Reinsträumen, die Probleme der unerwünschten Auswirkungen der im Reinraum selbst generierten Partikel. Durch elektrostatische Ladungen werden aber auch neben den negativen Einflüssen auf die Partikeleliminierung im Reinraum weitere Produktionsprobleme erzeugt. Eine umfassende Reinraumüberwachung muß also auch Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen beinhalten.

Entstehung elektrostatischer Ladungen

Triboelektrische Aufladung

Aufladungen entstehen durch verschiedene Effekte. Die Hauptursache ist unter dem Begriff triboelektrische Aufladung bekannt. Reibung, Bewegung und Trennung von Materialien, sowie Flüssigkeits- und Gasbewegungen produzieren elektrostatische Ladungen triboelektrisch. Immer wenn zwei sich berührende Teile getrennt werden, verliert eine der Oberflächen Elektronen und wird positiv geladen, während die andere Oberfläche einen Elektronenüberschuss erhält und damit negativ geladen wird. Die dabei zu erwartende Polarität ist abhängig von den jeweiligen Materialien, wie in Tabelle 1 aufgeführt.

Dabei ändert sich die Gesamtladung der beiden Objekte nicht, erst bei Trennung erhalten sie ihre positive und negative Ladung. Jedes Material, fest, flüssig oder gasförmig kann triboelektrisch geladen werden. Die Stärke und die Polarität der Ladung ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit, der Kontaktfläche, der Trennungs- bzw. Reibungsgeschwindigkeit und anderen Faktoren. Ob sich irgendein Material auflädt oder nicht hängt weiter von seiner Leitfähigkeit und auch von seinen Erdungsmöglichkeiten ab.

Induktion

Eine andere Art der elektrostatischen Aufladung ist die Induktion. Wenn ein Objekt geladen ist, baut sich darum ein elektrostatisches Feld auf. Wenn nun ein leitendes Objekt in dieses elektrostatische Feld eingebracht wird und geerdet ist, wird dieses geerdete Objekt gegenpolig zum ursprünglichen Ladungsfeld geladen. Dieser Effekt tritt auch ohne direkte Berührung der beiden Teile auf. Das elektrostatische Feld induziert also eine gegenpolige Ladung auf der Oberfläche des neuen Objektes. Wird das neu geladene Objekt von der Erdung getrennt und aus dem elektrostatischen Feld entfernt, wird es eine induzierte Ladung tragen. Man kann sich leicht vorstellen, dass triboelektrisch geladene Behälter oder Wafercarrier eine elektrostatische Ladung auf die in ihnen bewahrten Produkte induzieren.

Elektrostatische Entladung

In den meisten Fällen ist eine elektrostatische Ladung auf den ersten Blick nicht erkennbar, man kann diese jedoch mit entsprechenden Messgeräten aufspüren und messen. Wenn erst eine Ladung entstanden ist, kann diese häufig direkt (oder gegenpolig induziert) von einem Material auf ein anderes übertragen werden.

Diese Übertragung findet als elektrostatische Entladung (ESD) statt, die vor allem in der Reinraumumgebung zu Problemen führen kann. Ebenso wie die Entstehung der elektrostatischen Aufladung kann auch die Entladung unbemerkt vonstattengehen. Die Auswirkungen dieser unsichtbaren, elektrostatischen Ladungen sind dann jedoch leichter festzustellen. Coulomb'sche Kräfte ziehen luftgetragene Partikel aus dem laminaren Luftstrom zu den geladenen Waferoberflächen ab, was Defekte nach sich zieht. Partikel, die sich auf geladenen Photomasken ablagern, ergeben Ausschuss; letztendlich entstehen eine Vielzahl von Defekten auf ICs, die auf ESD-Vorfälle zurückzuführen sind. Ausfälle von Produktionsmaschinen, denen man alle möglichen Gründe zugrundelegt, sind oft genug nur auf statische Entladungsvorgänge zurückzuführen. Im Reinstraum sind die Auswirkungen nur allzu offensichtlich: Elektrostatische Ladungen führen zu niedrigerer Ausbeute und damit zu niedrigeren Gewinnen.

ESD-Kontrolle

Es wurde eine Vielzahl verschiedener Methoden zur Behandlung von elektrostatischen Ladungen entwickelt. In modernen Reinräumen werden wo möglich leitende und antistatische Materialien verwendet, um elektrostatische Aufladungen von Anfang an zu verhindern. Um eine zuverlässige Kontrolle der Ladungen zu gewährleisten, muss für diese eine Abflussmöglichkeit über Erdung gegeben sein. Durch Erdung werden die Ladungen an Maschinen, Materialien und Personal schnell - und vor allem ungefährlich - neutralisiert. Demgegenüber sind jedoch sehr viele Reinraumgegenstände weder leitend, noch elektrostatisch unempfindlich. Gute Isolatoren, wie z. B. Kunststoffe, Quarz, Keramik und Glas, sind wesentliche Materialien im Produktionsprozess. Diese sehr leicht aufladbaren Isolatoren behalten ihre Ladungen meist für sehr lange Zeitspannen und sind häufig in unmittelbarem Kontakt mit dem Produkt.

Die Anforderungen der Reinräume schließen den Einsatz von Kohlenstoffpartikeln oder oberflächenwirksame Zusätze, die diese Isolationsmaterialien statisch unempfindlich machen würden, aus. Auch chemische Sprays oder Lösungen würden Kontaminations-probleme hervorrufen. Einige Zeit hat man mit Feuchtigkeitskontrolle versucht, den elektrostatischen Problemen beizukommen, dies hat sich aber als zu teuer und ineffektiv herausgestellt, nicht zu vergessen, dass man sich dadurch Korrosions- und Verarbeitungsprobleme einhandeln würde.

Ausfallreduzierung

Die Praxis der Reinraumgestaltung zu möglichst niedrigen Partikelkonzentrationen führt häufig zum gegenteiligen Effekt was elektrostatische Aufladungen betrifft. Die erwartete Verbesserung in der Reduzierung des Ausschusses wird sehr oft nicht erreicht. Ultrareine Luftfiltration reduziert nämlich zugleich auch den natürlichen Ionengehalt der ungefilterten Luft, was zu erhöhten elektrostatischen Ladungsdichten im Reinraum führt.

Fortlaufende Arbeitsgänge und wiederholtes Reinigen von ladungsunempfindlichen Materialien zerstört mit der Zeit eben diese Eigenschaft. Das Aufbewahren von Wafern in ladungsunempfindlichen Kassetten oder Transportbehältern hat nur einen Sinn, wenn deren Erdung gegeben ist. Die Erdung dieser Vielzahl von  Gegenständen oder das damit arbeitende, sich bewegende Personal, ist jedoch in der Praxis nicht durchführbar. Um die Produktreinheit zu garantieren sind Handschuhe nötig, aber genau die Reibung zwischen der Handschuhschicht und anderen Reinraumobjekten führt zu elektrostatischer Aufladung. In Tabelle 2 sind typische Ladungsniveaus durch das Bedienerpersonal aufgelistet.

Es ist also erwiesen, dass bedingt durch die elektrostatische Ladungskontamination im Reinraum die beabsichtigte Ausschussreduzierung mit einer reinen Partikelkontrollmethode nicht erreicht werden kann. Zur Neutralisation elektrostatisch geladener Isolatoren (oder isolierter Leiter) benötigt man daher irgendeine Ionisationsmethode der Luft. Ionisationssysteme produzieren Wolken von positiven und negativen Luftionen, die verteilt durch die gefilterte Reinraumluft, elektrostatische Ladungen neutralisieren, ganz gleich wo sich diese im Reinraum gebildet haben. Luftionisation wirkt unterstützend zu anderen Defektreduzierungsmethoden, um das ganze Potential zur Erhöhung des „Yields" auszuschöpfen. Zusätzlich hat die Luftionisation einen erheblichen Einfluss, um Produktfehler durch Entladungsvorgänge zu verhindern und um Mikroprozessorfehlfunktionen der Reinraumausrüstung zu vermeiden.

Luftionisation

Die Luft besteht vorwiegend aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und anderen Spuren-gasen. Luftionen sind Gasmoleküle der Luft, die entweder ein Elektron verloren, oder eines dazubekommen haben. Die zwei meist gebräuchlichen Luftionisationsmethoden sind die Koronaentladung und die Nuklearionisation.

Koronaentladung

Bei der Koronaentladung wird durch eine Hochspannung an einem spitzen Emitterpunkt ein sehr starkes elektrisches Feld aufgebaut. Dieses Feld ist ausreichend, um Elektronen von den LuftmoleküIen abzuziehen oder hinzuzufügen, abhängig von der Polarität der Hochspannung. Wenn Elektronen zum Emitterpunkt übergehen, werden Luftmoleküle mit einem Elektronenmangel hinterlassen, d.h. positive Luftmoleküle erzeugt. Wenn nun Elektronen vom Emitterpunkt abgegeben werden, lagern sich diese an neutrale Luft-moleküle an, diese Moleküle mit einem Elektronenüberschuss ergeben die negativen Luftionen.

Nuklearionisation

Bei der Nuklearionisation wird eine radioaktive Quelle (typischerweise Polonium 210) verwendet, die als Alphapartikelemissionsquelle arbeitet. Diese Alphapartikel kollidieren mit Luftmolekülen und trennen dabei ein Elektron von diesen Molekülen ab. Die Moleküle, die ein Elektron dabei verlieren' werden positive Luftionen. Die freien Elektronen werden wiederum von anderen neutralen Molekülen aufgenommen, die dann zu negativen Luftionen geworden sind. Dies ist ein ähnlicher Vorgang wie natürliche Ionen in der Atmosphäre entstehen. Natürliche Ionen entstehen durch den radioaktiven Zerfall wie von Stoffen in der Erde (z. B. Uran), oder Gasen in der Luft (z. B. Radon) und durch Wechsel-wirkungen der kosmischen Strahlung. In der normalen Umgebungsluft haben wir positive wie negative Ionen, die jedoch durch die hocheffiziente Luftfiltration mit herausgefiltert werden. Dies führt dazu, dass die Reinraumluft isolierend wirkt und die Entstehung von elektrostatischer Aufladung gefördert wird.

Wirkung der Luftionisation

Durch Luftionisatoren wird der Luftionengehalt in der Reinraumluft wiederhergestellt bzw. vergrößert. Wenn die ionisierte Luft mit geladenen Oberflächen in Berührung kommt, nimmt diese Oberfläche Ionen der Gegenpolarität auf. Daraus resultiert dann eine Neutralisation der elektrostatischen Ladung. Für die Neutralisation sind natürlich Luftionen beider Polaritäten notwendig, da auch elektrostatische Ladungen beider Polaritäten im Reinraum entstehen. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten diese "bipolaren" Luftionen zu produzieren und auf Arbeitshöhe zu transportieren, wobei keine der einzelnen
Methoden für alle Anwendungsfälle als die Beste gelten kann. Der folgende Abschnitt beschreibt einige Beispiele von Luftionisationsanwendungen zur Kontrolle der elektrostati-schen Kontamination in Reinräumen.

Spezieller Einsatz von Luftionisation

Waferkassetten

Der Wafer befindet sich die meiste Zeit während des Herstellungsprozesses in Kassetten. Obwohl für einige Anwendungen kohlenstoffimprägnierte, antistatische Kassetten eingesetzt werden können, diktiert der Prozess weiterhin den Einsatz von Teflon und Quarz in vielen Stationen. Kassetten, die bis zu 35000 V elektrostatisch geladen sind, sind keine Seltenheit (Tabelle 4)

Diese Kassetten wirken als Partikelmagneten rund um die Wafer und kontaminieren deren Oberfläche. Eine Studie demonstrierte, dass bereits eine relativ niedrige elektrostatische Ladung von 500 V auf der Waferoberfläche ausreichend war um Partikel aus dem laminaren Luftstrom herauszuziehen [1].

Kassetten sind bekannter weise schwer zu reinigen und auf Sauberkeit zu untersuchen. Kohlenstoffimprägnierte Kassetten unterliegen einem Abriebeffekt, der weder kontrollierbar noch vermeidbar ist. Die vernünftigste Methode um die Kassettenaufladung zu kontrollieren, ist die Luftionisation, um die elektrostatischen Ladungen bereits bei der Entstehung zu neutralisieren. Die ionisierte Reinraumluft umspült die Kassetten und Wafer in jedem Stadium des Herstellungsprozesses. Die Luftionen neutralisieren jede elektrostatische Ladung bevor diese irgendwelche Partikel anziehen und auf Produktober-flächen anbinden, beziehungsweise irgendwelche Defekte hervorrufen kann.

Photolithographie

Photolithographieprozesse erfordern fehlerfreie Bildvorlagen, ansonsten würde pausenlos bei jeder Belichtung ein "tödlicher" Fehler reproduziert. Mehrfachbelichtungen würden Vielfachfehler mit sich ziehen. Die Quarz- und Glassubstrate der Masken sind gute Isolatoren mit der Fähigkeit, absolut hohe elektrostatische Ladungen in der Reinraum- umgebung anzusammeln. Die geladenen Substrate sammeln wieder Partikel, die zu den Maskenfehlern führen. Entsprechende Reinigung würde die Lebenserwartung der Masken deutlich reduzieren und zudem das Ladungsproblem verschärfen.

Die Luftionisation in photolithographischen Arealen kontrolliert die statische Aufladung und erhöht die Ausbeute. Ladungen werden von den Masken und anderen Oberflächen entfernt und die Ablagerung von Partikeln auf diesen Oberflächen nahezu verhindert. Neben der Erhöhung der Ausbeute werden niedrigere Reinigungsfrequenzen ermöglicht. Die daraus resultierende Lebensverlängerung verringert die Produktionskosten. Die Luftionisation minimiert natürlich auch das Auftreten von ESD-Vorfällen. Anwender berichteten davon, dass durch Luftionisation die Fehler an Reticles deutlich eliminiert wurden. Zusammenfassend kann man bemerken, dass Wafer letztendlich dieselben Fehlermechanismen durch elektrostatische Aufladungen aufweisen, wie photolithographische Objekte.

Produktionsmaschinen

Neben bisher erläuterten Problemen durch Partikelkontamination und durch ESD, können elektrostatische Ladungen auch für Störungen der Produktionsmaschinen verantwortlich sein. Schwierigkeiten können einmal durch das zu bearbeitende, geladene Produkt, oder durch das, die Produktionsmaschine bedienende, statisch geladene Personal hervor-gerufen werden. Moderne, mikroprozessorgesteuerte Maschinen können besonders empfindlich auf ESD- Vorfälle reagieren. Meist werden diese Probleme fälschlicherweise den Softwareleuten zugeschrieben. Wie auch immer, das Problem der elektrostatischen Aufladung führt zu Maschinenstillstand und damit zu Produktionsausfällen. Automatische Arbeitssysteme neigen sehr häufig zu diesen Fehlerarten. Eine Untersuchung der Firma Akashic Memories ergab eine Erhöhung der Maschinenarbeitszeit von 45 % auf 99,5 % nach Installation der Luftionisation in einem Bereich, in dem ein Roboter diverse Kassetten  behandelte [2]. Verschiedenste Hersteller, die mit Robotersystemen arbeiten, wie Infineon, Texas Instruments und Siltronic haben Luftionisationssysteme für ähnliche Anwendungen im Einsatz. Andere Firmen mit Reinräumen fanden heraus, dass ihre angeblichen Softwarefehler an verschiedensten Prozesswerkzeugen verschwanden, nachdem sie eine elektrostatische Ladungskontrolle an diesen Maschinen eingesetzt haben. Luftionisationssysteme sind bereits seit vielen Jahren in der Druckindustrie und in der kunststoffverarbeitenden Industrie im Einsatz, die mit ähnlichen Problemen des Produkthandlings in Bezug auf statische Aufladung zu kämpfen haben.

Auswahlkriterien für Ionisationssysteme

Bei der Auswahl eines Ionisationssystems sollten verschiedene Kriterien beachtet werden. Als erstes darf ein solches System nicht als „Partikelschleuder" fungieren. Simco-Ion Systems hat z.B. unterschiedliche Emittermaterialien für verschiedene Anwendungen im Einsatz. Für Reinraumklassen 5 (gem. EN ISO 14644-1) und besser werden Ultra Clean Spitzen aus Silizium angeboten, die bei verschiedenen Testmessungen in USA und Europa bewiesen haben, dass sie keine Partikel (> 0,1 µm) abgeben. Diese Eigenschaft wird noch dadurch unterstützt, dass jede Emitterspitze nur für eine Polarität der Ionisation zuständig ist, was eine geringere Materialbelastung bedeutet, als wenn jede Emitterspitze einer Wechselpolarität ausgesetzt wäre. Als nächstes sollte ein möglichst homogenes Ionengleichgewicht produziert werden. Dies ist wiederum nur mit individuell einstellbaren Emittermodulen möglich, da unterschiedliches Reinraumequipment unterschiedliche Ionenabsorbtion nach sich zieht. Bei den Modellreihen 5509 und 5511 kann man die Ionisationsstärke jeder Polarität am Emitter einzeln abgleichen. Ein nicht unerhebliches Kriterium ist die möglichst einfache Montage solcher Anlagen, die den normalen Arbeitsbetrieb, auch während der Installation, nicht behindern darf. Auch sollte nach-träglich die Anpassung an etwaige Reinraumveränderungen ohne großen Aufwand möglich sein. Vorteilhaft sind dabei einfache Stecker- und problemlose Kabelverbindungen, die ähnlich wie Telefonanlagen aufgebaut sein können. Eine Niederspannungsversorgung mit 24 VAC ist sicherlich einer Hochspannungsversorgung vorzuziehen. Einmal gibt es keine Störeinflüsse durch die Verkabelung, dann ist die Niederspannung stabiler als eine Hochspannungsversorgung; die notwendige Hochspannung wird dann im Emitter selbst erzeugt. Wobei ein Berühren der Emitterspitze gefahrlos möglich ist. Ein ausgereiftes Ionisationssystem stellt die Kontrolleinheit Modell 5084e/5024e dar, das einerseits die o. g. Kriterien erfüllt und zusätzlich noch ein besonderes Merkmal aufweist. Bei diesem System, das FMS-tauglich (computersteuerbar) aufgebaut ist, arbeitet jeder Emitter zugleich als Überwachungssensor seines Gegenemitters, dadurch können etwaige Fehler oder Ausfälle im System durch das System selbst erkannt und angezeigt werden.

Zusammenfassung

Partikelreduzierende Technologien werden ständig weiterentwickelt, trotzdem wird es nicht gelingen eine absolut partikelfreie Umgebung zu schaffen und aufzubauen. Deshalb ist es notwendig, die Definition der Kontaminationskontrolle zu erweitern und andere Kontaminationsquellen, einschließlich der elektrostatischen Aufladung, einzubeziehen. Als signifikanter Teil eines allumfassenden Kontaminationskontroll-programmes erreicht die Überwachung der elektrostatischen Aufladungen den größeren Erfolg gegenüber anderen Kontrollmethoden. Luftionisation ist eine von wenigen Kontrollmöglichkeiten der elektrostatischen Aufladungen in hochentwickelten Reinraumumgebungen; in einigen Fällen sogar die einzige Methode, die einsetzbar ist. Neben der Reduzierung der Anzahl von kontaminationsbezogenen Defekten, bewirkt die Luftionisation eine Minimierung der Ausfallzeiten von Produktionsmaschinen, ebenso wie eine Minimierung der Produktbeschädigungen durch elektrostatische Aufladungen oder durch ESD. Unter Reinraumbedingungen ist die Luftionisation die kosteneffektivste Art der Überwachung von Elektrostatik, der unsichtbaren Kontaminationsquelle.

Dipl. Ing. (FH) Reimund Rieger ist geschäftsführender Gesellschafter der QC-Quality Control GmbH in 85757 Karlsfeld.

Literatur:
[1) Inoue M., Sakata S., Chirifu S, .Aerosol Deposition on Wafers", Proceedings of the 34th
Annua! TechnicaJ Meeting of the IES, King of Prussia, PA, Seite 423-428, 1988.
[2) Hili J., "Ionisation Improves Robot Performance", Evaluation Engineering, Ausgabe 31 (4): Seiten 128 - 134, 1992.