Stickstoffspülung und Durchflussregelung für Versorgungsmedien bei Halbleiteranlagen

Bei einer Halbleiterprozess- oder Abscheidungsanlage liegen die Positionen für die Stickstoffspülung und die Versorgungsleitungen außerhalb des Rezepts, sodass sie selten so genau unter die Lupe genommen werden wie die qualifizierten Gasanschlüsse. Die Positionen, die zum Spülen, Schützen, Kühlen und Fördern dienen, erscheinen auf keiner Liste qualifizierter Teile, weshalb die Entscheidung, womit sie bestückt werden, der technischen Abteilung des Anlagenherstellers obliegt. Auf einer Schaltplanzeichnung sehen sie austauschbar aus, sind es aber nicht: Ihr Durchflussbereich reicht von einigen SCCM bis zu tausend SLPM, und bei einigen ist ein gehaltener Druck statt eines Durchflusses erforderlich.

Die Barriere versagt nicht sofort, wenn einer dieser Punkte falsch ist. Das zeigt sich erst später – in den Ausbeutedaten eines anderen, in einer Fertigungsanlage, die der Gerätehersteller nicht besucht. Da eine Spül- oder Versorgungsposition vom Hersteller und nicht über die qualifizierte Teileliste einer Fabrik festgelegt wird, gilt für sie keine Wafer-Prozessqualifizierung – selbst bei einer Anlage, auf der Produktionswafer bearbeitet werden. Diese Lücke hat zwei Seiten: Einerseits macht sie die Position für eine Standard-Instrumentenreihe zugänglich, andererseits bedeutet sie, dass hinter der Auswahl keine Qualifizierungsprüfung steht. Bei einer Position, die anschließend an eine Fabrik geliefert wird, die der Hersteller nicht erneut besuchen kann, ist die vom Hersteller verfasste Spezifikation die einzige Absicherung für diese Wahl.

Eine Spülposition ohne Rezeptur ist eine Barriere, keine Dosierung. Der Aufbau sieht überall weitgehend gleich aus: Stickstoff aus dem Vorratsbehälter, Isolierung und Filterung am Gaspanel, ein Regler, ein Durchflussregelelement, dann das unter Inertgas gehaltene Modul mit einer Entlüftung am anderen Ende. Das Eindringen von Gas wirkt kontinuierlich dagegen – durch Rückdiffusion an Öffnungen, Permeation, Ausgasung und kleine Undichtigkeiten. Das Durchflussregelelement ist das einzige Bauteil, das der Gerätehersteller frei wählen kann, und es entscheidet darüber, ob die Barriere ein Wert ist, den das Gerät kennt, oder eine Ventilstellung, die jemand bei der Installation eingestellt hat.

Was dieser Durchfluss bewirkt, lässt sich auf zwei Zusammenhänge zurückführen, die beide von einem hinreichend gut durchmischten Volumen ausgehen: Wie schnell erreicht die Barriere ihr Ziel, und wie gut hält sie sich danach dort?.

Der Weg dorthin führt über die Verdünnung. Das Volumen muss mehrmals durchströmt werden, und die Anzahl der Durchspülungen richtet sich danach, um wie viel sich der Reinheitsgrad verändern muss: Um einen Raum von Luft mit einem Sauerstoffgehalt von 20,9 Prozent (209.000 ppm) auf beispielsweise 100 ppm zu bringen, muss der Sauerstoff etwa um das 2.090-Fache verdünnt werden, und die dafür erforderlichen Austauschvorgänge entsprechen dem natürlichen Logarithmus dieses Verhältnisses: ln(2090) ≈ 7,6. Die Zeit richtet sich dann nach dem Durchfluss, da ein Austausch dem Modulvolumen geteilt durch den Durchfluss entspricht und für die Reinigung 7,6 davon benötigt werden. Bei 500 SLPM durchläuft ein 200-Liter-Modul den Durchfluss einmal alle 200 ÷ 500 = 0,4 Minuten, sodass 7,6 Austauschvorgänge 7,6 × 0,4 ≈ 3 Minuten dauern. Bei 150 SLPM dauert jeder Austausch 200 ÷ 150 ≈ 1,3 Minuten, sodass sich derselbe Spülvorgang auf 7,6 × 1,3 ≈ 10 Minuten ausdehnt.

Die andere Hälfte besteht darin, diesen Wert aufrechtzuerhalten. Sobald die Kammer den Sollwert erreicht hat, dringt weiterhin Verunreinigung ein und wird durch die Spülung wieder herausgespült; das Niveau, auf dem sich die Barriere einpendelt, ist der Punkt, an dem sich diese beiden Kräfte ausgleichen: in erster Näherung entspricht dies der Eintrittsrate geteilt durch den Spülstrom. Selbst wenn man die Kontaminationsrate als konstant betrachtet, ergibt sich bei demselben Rückgang von 500 auf 150 SLPM, der den Spülvorgang in die Länge gezogen hat, ein Faktor von 500 ÷ 150 ≈ 3,3, sodass sich der Kontaminationspegel im Gehäuse auf etwa das Dreifache der Kontaminationsmenge einpendelt, für die es ausgelegt ist. In der Praxis ist es noch schlimmer, da die Durchströmungsspülung den Druck im Gehäuse etwas über dem Umgebungsdruck hält und dieser leichte Überdruck verhindert, dass Raumluft zurückdiffundiert und an den Öffnungen eindringt. Ein geringerer Durchfluss bedeutet weniger Überdruck, sodass der Schmutzgehalt steigt, während die Reinigungsleistung gleichzeitig sinkt. Eine Barriere kann in beiden Bereichen gleichzeitig an Wirksamkeit verlieren: Sie erreicht den Sollwert langsamer und ist schmutziger, sobald sie ihn erreicht hat.

Keine der Ursachen, die zu einer Schwächung der Spülung führen, macht sich bemerkbar. Ein Filter oder eine Leitung verstopft teilweise. Der Versorgungsdruck sinkt, wenn ein benachbartes Werkzeug Luft entnimmt. Ein Nadelventil wird während des Betriebs versehentlich angestoßen. Ein Regler weist eine Leckage auf. In jedem Fall fließt die Luft weiter, die Rohrleitungen sehen unverändert aus, und gemäß der obigen Berechnung erreicht das Volumen entweder sein Ziel weit später als vorgesehen oder verbleibt in einem verschmutzteren Gleichgewichtszustand als vorgesehen.

Wo sich das zeigt, ist der kostspielige Teil – und selten am Ventil selbst. Es zeigt sich als Feuchtigkeits- oder Oxidationsabweichung an freiliegendem Kupfer, als Anzeichen für molekulare Verunreinigungen aus der Luft (AMC), als Partikelzahl auf der Rückseite oder als Durchsatzverlust, während ein Modul auf einen Sauerstoff-Sollwert wartet, den es nun nur langsam erreicht. Jedes dieser Probleme löst eine langwierige Untersuchung aus, die in einer Fertigungsanlage stattfindet, die der Gerätehersteller nicht besucht, und an einem Gerät, das der Hersteller nachträglich nicht mehr mit Messinstrumenten ausstatten kann. Die Kosten entstehen selten durch das Gas oder das Messgerät; sie entstehen durch die Wochen, die zwischen dem Start des Spülvorgangs und dem Zeitpunkt vergehen, an dem jemand die beiden miteinander in Verbindung bringt. Hinzu kommen versteckte Kosten: Ein Nadelventil, das aus Sicherheitsgründen großzügig geöffnet wurde, verbraucht über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg zu viel Stickstoff.

Die unten aufgeführten Positionen kommen bei Prozess- und Beschichtungsanlagen sowie bei den Versorgungsanschlüssen von Inspektionsanlagen immer wieder vor. Jede Position ist klein und wird in der Regel separat spezifiziert, weshalb eine Anlage letztendlich mehrere Teilenummern aufweist, die sich hinsichtlich Durchfluss und Druck unterschiedlich verhalten. Betrachtet man sie im Zusammenhang, wird deutlich, wo eine Produktfamilie den gesamten Bereich abdeckt und wo eine Position eher für den Druck als für den Durchfluss ausgelegt ist.

Die Entscheidung für eine Klasse hat Vorrang vor Reichweite, Passform oder Bus: Bei einigen dieser Positionen handelt es sich um Positionen, bei denen Druck ausgeübt wird, und wenn man das verwechselt, ist das ein kostspieliger Fehler. Ansonsten fordert jede Zeile dasselbe vom Instrument ab, weshalb eine einheitliche Produktfamilie über alle Positionen eines Werkzeugs hinweg eine echte Option und nicht nur eine Annehmlichkeit ist.

Hier kommt es ebenso sehr auf den Messwert wie auf die Steuerung an. Ein niedriger Messwert bei unverändertem Versorgungsdruck deutet auf ein Drosselungsproblem hin; derselbe Messwert bei gesunkenem Versorgungsdruck deutet auf ein Versorgungsproblem hin. Durch die gemeinsame Anzeige von Massenstrom, Absolutdruck und Temperatur lassen sich diese Größen voneinander unterscheiden, ohne dass ein zweiter Eingriff in ein überfülltes Schaltfeld erforderlich ist.

Jede Zeile in der Tabelle bezieht sich auf denselben Vorgang. Die teilweise Verstopfung, die nachlassende Zufuhr, das angestoßene Ventil und der sich verschiebende Regler beeinflussen alle den Durchfluss, ohne die Rohrleitungen zu verändern. Wo an der betreffenden Stelle keine Messung der Variablen erfolgt, von der die Schwelle abhängt, entstehen Fehlerquellen. Misst man sie und schließt einen Regelkreis darum, werden dieselben Ereignisse zu Störungen, die die Position im Rahmen der Befugnisse des Ventils zurückweist und meldet, wenn dies nicht möglich ist. Die Barriere ist nicht mehr eine Ventilposition, die bei der Installation korrekt war, sondern wird zu einem Wert, den das Tool speichert und kennzeichnen kann.

Das Gerät ist der Absperrung, Filterung und Regelung des Schaltfelds nachgeschaltet und dem Modul, das es schützt, vorgeschaltet. Die vorgeschaltete Regelung hält den Durchfluss innerhalb des Betriebsbereichs des Geräts; die Filterung hält Verunreinigungen aus dem Schaltfeld vom Präzisionsdurchflussweg fern. An der Schalttafel selbst ändert sich nichts. Was sich ändert, ist das, was die Position verlässt, denn der gelieferte Durchfluss und die Bedingungen, unter denen er geliefert wurde, erreichen nun die Steuerung des Geräts über den Bus, den das Gerät bereits nutzt.

Der Zustand der Waferrückseite wird als gehaltener Druck spezifiziert, wobei die Praxis je nach Klemmkraft und Prozess variiert und üblicherweise im Bereich von einstelligen Werten bis zu niedrigen Zehnerwerten in Torr liegt. Die Steuerung des Durchflusses in dieses Volumen sorgt nicht dafür, dass der Druck darin gehalten wird. Ein Druckregler mit zwei Ventilen tut dies hingegen, da er sowohl Gas einleiten als auch ablassen kann und so einen eingestellten Druck in einem geschlossenen oder stichendigen Volumen aufrechterhält, ohne kontinuierlich Gas abzulassen. Legen Sie fest, welche Variable in der Spezifikation an erster Stelle genannt wird, da dies vor allem anderen die Geräteklasse bestimmt.

Durch Messung und Steuerung ist eine Spülposition nicht mehr nur eine Einstellung, auf die man seit der Installation vertraut; es handelt sich um einen Wert, den das Gerät hält, protokolliert und kennzeichnen kann. Dieselben Fehler treten nicht mehr erst dann zutage, wenn sie sich als Ertragsschwankung bei jemand anderem bemerkbar machen; sie zeigen sich bereits an der Position selbst – als veränderter Durchfluss und ausgelöster Alarm –, bevor das Modul, das sie schützen, beeinträchtigt wird. Durch die gemeinsame Erfassung von Massendurchfluss, Absolutdruck und Temperatur kann das Gerät anhand seiner eigenen Protokolle – und nicht erst bei einem Serviceeinsatz – eine Verengung von einem Versorgungsproblem unterscheiden.

Indem man die Positionen gemeinsam betrachtet, anstatt jeweils nur eine Teilenummer, kann eine einzige Baureihe eine Spannfutterleitung mit einem Durchfluss von einigen SCCM und eine Gerätespülung mit einem Durchfluss von tausend SLPM abdecken. Und eine gemessene Spülung kann genau auf den Bedarf abgestimmt werden: Die laufenden Stickstoffkosten eines Ventils, das aus Sicherheitsgründen großzügig geöffnet wird, sind über die gesamte Lebensdauer eines Werkzeugs hinweg real und lassen sich erst dann wieder hereinholen, wenn man sieht, wie viel das Ventil tatsächlich verbraucht.

• Eine Hürde, die das Tool überwinden kann – Die Entlüftung wird zu einem gemessenen, protokollierten Wert mit einem Alarmbereich und nicht mehr zu einer Ventilstellung, die seit der Installation als korrekt angenommen wird.
• Einschränkung unabhängig vom Angebot – Durch die Anbindung von Massendurchfluss, Absolutdruck und Temperatur an denselben Bus lässt sich ein Verstopfungsfilter von einer schwankenden Versorgung trennen, ohne dass eine zweite Durchführung durch die Schalttafel erforderlich ist.
• Eine Familie über alle Positionen hinweg – Mit Messbereichen von 0,5 SCCM bis 12.000 SLPM deckt eine einzige Gerätefamilie den Bedarf an Spülungen für Spannfutter, Träger, Schalttafeln und Anlagen ab.
• Die richtige Stickstoffmenge – Eine dosierte Spülung kann genau auf den Bedarf der Barriere abgestimmt werden, wodurch die Kosten für das im Ventil verbleibende Gas bei einem zu weit geöffneten Spülventil eingespart werden.
• Durchfluss oder Druck, entsprechend den Spezifikationen – ein Durchflussregler, bei dem die Position einen Durchfluss bezeichnet, ein Druckregler mit zwei Ventilen, bei dem die Position einen Druck bezeichnet, beispielsweise den Druck auf der Rückseite des Wafers.